Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-905
Main Title: Untersuchungen zum Mechanismus der photosynthetischen Wasseroxidation im thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus und Spinat
Author(s): Isgandarova, Sabina
Advisor(s): Messinger, Johannes
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In Cyanobakterien und Pflanzen erfolgt die Spaltung von Wasser in molekularen Sauerstoff, vier Protonen und vier Elektronen in einem Pigment-Protein Komplex, der Teil der Thylakoidmembran ist und als Photosystem II (PS II) bezeichnet wird. Die Wasserspaltung wird von einem funktionellen Teil des PS II katalysiert, der als Sauerstoff entwickelnder Komplex ( Oxygen Evolving Complex , OEC) bekannt ist und dessen katalytisches Zentrum von einem Mn4OxCa-Komplex gebildet wird. Der OEC durchläuft während der Wasseroxidation fünf Redoxzustände (S-Zustände). Die kürzlich veröffentlichten Kristallstrukturen von PS II aus den thermophilen Cyanobakterien Thermosynechococcus elongatus (T. elongatus) und T. vulcanus liefern Informationen über die komplexe Gesamtstruktur von PS II und die Anordnung vieler Kofaktoren. Bis heute existiert keine Kristallstruktur für PS II aus höherer Pflanzen. Da bisher die meisten funktionellen Untersuchungen an PS II Komplexen aus Spinat durchgeführt wurden, sind für eingehende Untersuchungen von Struktur-Funktionsbeziehungen vergleichende Funktionsstudien an PS II Komplexen aus Cyanobakterien und höheren Pflanzen erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden beim Mechanismus der Sauerstoff-Entwicklung in T. elongatus und Spinat. Hierfür wurden insbesondere blitzinduzierte Sauerstoff-Oszillationsmuster ( Flash Induced Oxygen evolution Patterns , FIOPs) unter verschiedensten Bedingungen gemessen und im Rahmen eines erweiterten Kok-Modells analysiert. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt: a) Die Temperatur-Abhängigkeiten der miss - und double hit -Wahrscheinlichkeiten, sowie die Lebensdauern der S-Zustände in beiden Organismen deuten auf strukturelle Unterschiede der Akzeptorseite von PS II und in der Umgebung des Tyrosin-Radikals YDox hin. b) Untersuchungen zu den Effekten von einem H/D Isotopen-Austausch auf die Reaktionen des OEC bei verschiedenen Temperaturen und pL-Werten (L = H oder D) zeigen, dass hierdurch die Reaktionen im PS II beider Organismen in vergleichbarer Weise beeinflusst werden. Im Gegensatz zu Spinat-Thylakoiden ist in Thylakoiden von T. elongatus aber YDox, das bei pH 7,0 stabil ist, bei pH 8,0 labil und wird im Dunkeln bei Raumtemperatur innerhalb einer Stunde reduziert. c) Durch Inkubation mit den exogenen Reduktionsmitteln NH2OH, N2H4 und NO wurde zum ersten Mal gezeigt, dass (i) Arrhenius-Diagramme für NH2OH induzierte S1 ? S0 and S0 ? S-1 Übergänge im OEC von Spinat-Thylakoiden einen Knickpunkt bei 29°C aufweisen. Unterhalb dieser Temperatur sind Aktivierungsenergie und prä-exonentielle Faktoren unabhängig von S-Zustand, wogegen oberhalb von 29°C beide Faktoren vom Redoxzustand abhängig sind. (ii) Das S-2 EPR Multiline -Signal wurde erstmals in monomeren und dimeren PS II core -Komplexen von T. elongatus durch NO -Inkubation erhalten. Kleine, reproduzierbare Verschiebungen einiger Tieffeld-Übergänge in den S-2 EPR- Multiline -Signalen von T. elongatus im Vergleich zu dem Spinat-Signal weisen auf leichte Unterschiede bei der Koordinations-Geometrie und/oder den Liganden des Mn4OxCa-Komplexes zwischen thermophilen Cyanobakterien und höheren Pflanzen hin. (iii) FIOPs von N2H4-reduzierten Thylakoiden von T. elongatus zeigen eine Besetzung des S-3 -Zustandes von bis zu ~70% an; die Stabilität dieses Redoxzustandes macht die Existenz eines Mn4(II4)-Komplexes für diesen Zustand unwahrscheinlich. Darüber hinaus weist die numerische Analyse der FIOPs von mit Hydrazin reduziertem PS II auf die Existenz von S-4- und S-5- Redoxzuständen hin. Diese Ergebnisse unterstützen die Zuordnung der Mangan-Oxidationszustände Mn4(III2,IV2) für den S1-Zustand.
In cyanobacteria and plants photosynthetic water oxidation into molecular oxygen and four protons takes place in the oxygen evolving complex (OEC) of the photosystem II (PS II). The water cleavage to molecular oxygen is catalyzed by Mn4OxCa complex of the OEC, which undergoes five redox transitions (S states) during this process. The recently published crystal structure of PS II from thermophilic cyanobacteria Thermosynechococcus elongatus (T. elongatus) and T. vulcanus provide information on the overall structure and the location of many cofactors at resolutions of 3.8 Å and 3.7 Å (Zouni et al., 2001;Kamiya and Shen, 2003). However, a crystal structure of PS II complex from higher plants was not solved so far . That is why comparison of the photosynthetic processes between cyanobacteria and higher plants is very important. The aim of this work was to investigate similarities and differences in the mechanism of the oxygen evolution in T. elongatus and spinach. The method of the Flash Induced Oxygen evolution Patterns (FIOPs) was used in combination with numeric analysis in a framework of an extended Kok-model for detailed comparative studies of the S states transitions in thylakoids from T. elongatus and from spinach. Additionally, the temperature dependencies of the miss and double hit probabilities and of the S-state lifetimes in T. elongatus and spinach were compared. These studies reveals clear differences on the acceptor side of PSII, which are most likely related to the elevated growth temperature of T. elongatus. Furthermore, slight differences in the redox potential of YD/YDox have been found. The studies on the H/D isotope exchange in the reactions of OEC at different temperatures and pL values (L = H or D) have shown that H/D isotope exchange slightly affects reactions on the donor and acceptor side of PSII from thylakoids of spinach and T. elongatus. Further investigations have revealed that in thylakoids of T. elongatus the tyrosine radical YDox is unstable at pH 8.0, compared to pH 7.0 and becomes reduced during dark adaptation in most centers within one hour at room temperature. In marked contrast, the stability of redox state S1 of the OEC is not affected within the analyzed time domain. Additionally, the super-reduced redox states of the OEC, which were obtained by incubation of PS II samples with exogenous reductants NH2OH, N2H4 and with redox-active gas NO were characterized in this work. For the first time it has been shown that (i) Arrhenius type plots for NH2OH - induced S1 ? S0 and S0 ? S-1 transitions in OEC of spinach thylakoids reveal a break point around 29°C with S state independent activation energies and pre-exponential factors at temperatures below 29°C and the S-state dependent phase above 29°C. (ii) An EPR multiline signal, very similar but not identical to that of the S-2 state in spinach, was obtained with monomeric and dimeric PSII core complexes from T. elongatus only after incubation at - 30°C. Additionally, the small reproducible shifts of several low field peak positions of the S-2 EPR multiline signal in T. elongatus compared to spinach suggest that slight differences in the coordination geometry and/or the ligands of the manganese cluster exist between thermophilic cyanobacteria and higher plants. (iii) FIOPs of N2H4-reduced thylakoids of T. elongatus reveal ~70% of S-3 state, stability of which argues against Mn4(II4) in this redox state. Moreover, analysis of hydrazine-reduced FIOPs provides several strong indications on the existence of the S-4 and S-5 states. These results support an absolute assignment of the Mn oxidation states as Mn4(III2,IV2) in the S1 state.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-8058
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1202
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-905
Exam Date: 28-Jan-2004
Issue Date: 16-Feb-2004
Date Available: 16-Feb-2004
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Photosynthetische wasseroxidation
Photosystem II
S-zustande
Thermosynechococcus elongatus
OEC
Thermosynechococcus elongatus
Photosynthetic water oxidation
Photosystem II
S-states
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