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Main Title: Investigation of the Electron Donor P700 and the Electron Acceptor A1 in Photosystem I of Oxygenic Photosynthesis Using EPR Spectroscopy
Translated Title: Untersuchung des Elektronendonors P700 und des Elektronenakzeptors A1 in Photosystem I der oxygenen Photosynthese mittels EPR-Spektroskopie
Author(s): Niklas, Jens
Advisor(s): Lubitz, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Photosynthese ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse. In dieser Arbeit wurden zwei essentielle organische Kofaktoren der Elektronentransportkette von Photosystem I, einem der beiden Photosysteme der oxygenen Photosynthese, untersucht. Einer der beiden Kofaktoren ist P700, der primäre Elektronendonor, der andere ist A1, ein intermediärer Elektronenakzeptor. P700 besteht aus Chlorophyllen (Chl a/Chl a´ Heterodimer) und A1 ist ein Chinon (Phyllochinon, Vitamin K1). Als Hauptuntersuchungsmethode wurde EPR-Spektroskopie eingesetzt, die eine sensitive Methode zur Untersuchung der elektronischen Struktur paramagnetischer Intermediate ist. Das Intermediat A1·- wurde sowohl als stationäres Radikal als auch im licht-induzierten spin-korrelierten Radikalpaar P700·+A1·- untersucht. Es wurden ausführliche Vergleiche mit dem Chinonradikal in vitro durchgeführt, um aufzuklären wie das Protein die elektronische Struktur des Kofaktors beeinflusst. Die Abhängigkeit des Redoxpotentials und des g-Tensors von der Polarität des Lösungsmittels wurden untersucht. Es konnte in Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen festgestellt werden, dass das sehr niedrige Redoxpotential und der grosse gx-Wert von VK1 (VK1·-) in der A1 Bindestelle von PS I durch eine unpolare Proteinumgebung erklärt werden können. Multiple Resonanzmethoden wie ENDOR und TRIPLE in höheren Magnetfeldern (Q-Band) wurden eingesetzt, um die Hyperfein-Tensoren der Protonen der Chinonradikale in vitro und in A1·- zu bestimmen. Die Hauptwerte der Hyperfein-Tensoren aller Protonen, die im ENDOR Spektrum des Chinonradikals in vitro beobachtet wurden, konnten bestimmt werden. Die Kombination moderner EPR-Techniken mit der Kenntnis der Hyperfein-Tensoren der Chinonradikale in vitro erlaubte zum ersten Mal, umfassende Informationen über die Spindichteverteilung in A1·- zu erhalten. ENDOR Signale konnten den a-Protonen des zweiten Chinonringes zugeordnet werden. Die bisherigen, zweifelhaften Zuordnungen von ENDOR Signalen zu dem Proton der Wasserstoffbrücke wurden korrigiert. Die Wasserstoffbrücke ist relativ stark, vergleichbar mit den Wasserstoffbrücken in bakteriellen photosynthetischen Reaktionszentren. Der Vergleich mit DFT Rechnungen, in denen ein vereinfachtes Modell der A1 Bindestelle verwendet wurde, zeigte, dass diese Wasserstoffbrücke der entscheidende Faktor zur Erklärung der spezifischen Spindichteverteilung in A1·- ist. Der Triplett-Zustand des primären Elektronendonors P700 wurde untersucht. Im Zuge dieser Untersuchungen wurden die ersten ENDOR Spektren von 3P700 in PS I von T. elongatus erhalten und die monomere Strukur von 3P700 bei niedrigen Temperaturen bestätigt. Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Nullfeldaufspaltungs-Tensors zeigte, dass sich das Triplett-Exciton bei niedriger Temperatur auf einem Chlorophyll befindet, während es bei höheren Temperaturen über ein Chlorophyllpaar delokalisiert ist.
Photosynthesis is one of the most important biological processes on earth. This work focuses on the investigation of two important organic cofactors which are involved in electron transfer in photosystem I of oxygenic photosynthesis. The first is P700, the primary electron donor, and the other one is A1, an intermediate electron acceptor. P700 is comprised of chlorophylls (Chl a/Chl a´ heterodimer) and A1 is a quinone (phylloquinone, vitamin K1). EPR spectroscopy is the major tool used in this work to investigate the electronic structure of the paramagnetic intermediates. The intermediate A1·- was studied both as the stationary radical and as the light-induced spin-correlated radical pair P700·+A1·-. A detailed comparison with the quinone in vitro was performed to elucidate how the protein modifies the electronic structure of the cofactor. The dependence of the redox potential and the g-tensor on the solvent polarity was studied. From the comparison it can be concluded, that the very low redox potential and the high gx-value of VK1 (VK1·-) in the A1 binding site of PS I can be explained in terms of a apolar protein environment. Advanced multiple resonance EPR techniques like ENDOR and TRIPLE at elevated magnetic fields (Q-band) were used to determine the proton hf tensors of the quinone radical anion in vitro and of A1·-. The hf tensor principal components for all protons visible in the ENDOR spectra of the phylloquinone radical anion in vitro were determined. The combination of advanced EPR techniques with the knowledge of the hf tensors of the quinone radicals in vitro allowed for the first time to get comprehensive information about the spin density distribution in A1·-. ENDOR lines of the a-protons of the second (benzene) ring were assigned. Previous ambiguous assignments of the single H-bond to A1·- were corrected. The H-bond was found to be quite strong, similar to the H-bond present in bacterial photosynthetic RCs. The comparative study, with DFT calculations which utilize a simplified structural model, and high-resolution ENDOR spectroscopy indicates that the H-bond interaction is indeed the crucial factor for the explanation of the spin density distribution in A1·-. The triplet state of the primary donor P700 was investigated. The first ENDOR spectra of 3P700 in PS I from T. elongatus were obtained and the monomeric nature of 3P700 at low temperature was confirmed. The study of the temperature dependence of the zero field splitting tensor indicates that, similar to 3P680 in PS II, the triplet exciton is located at low temperature on only one chlorophyll, while at high temperature the triplet exciton is delocalized over a pair of chlorophylls.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15527
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1887
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1590
Exam Date: 18-Oct-2006
Issue Date: 9-May-2007
Date Available: 9-May-2007
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): ENDOR
EPR
Photosynthesis
Photosystem I
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