Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1927
Main Title: Role of Inorganic Cofactors and Species Differences in Photosynthetic Water Oxidation
Translated Title: Funktion der Anorganischen Kofaktoren und Artbedingter Unterschiede in der Photosynthetischen Wasseroxidation
Author(s): Shevela, Dmitriy
Advisor(s): Messinger, Johannes
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die photosynthetische Wasseroxidation ist ein fundamentaler biologischer Prozess, der im Wasserspaltungskomplex (WOC, englisch: water oxidizing complex) des Pigment-Protein-Komplexes Photosystem II (PSII) stattfindet. Der WOC setzt sich aus einem anorganischen, mit Sauerstoffbrücken verknüpften tetra-Mangan-Calcium-Komplex (Mn4OxCa-Komplex; x ≥ 5) und einer hochspezifischen Proteinumgebung zusammen. Es wird erwartet, dass das Verständnis dieser Reaktion wichtige Hinweise für die Entwicklung effizienter artifizieller Systeme liefern wird, die Sonnenenergie zur Spaltung von Wasser zu O2 und H2 nutzen. Um die Grundlagen der photosynthetischen Wasserspaltung aufklären zu können, ist es nötig, sowohl die Energetik als auch die Struktur und Funktion aller beteiligter Komponenten in den unterschiedlichen Oxidationszuständen Si (i = 0,...,4) des WOC zu kennen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in die Untersuchung der Funktionen und der Bindungsplätze der Anionen Hydrogencarbonat (HCO3−) und Chlorid (Cl−) im WOC. Durch Messung von blitz-induzierten Sauerstoffoszillationsmustern (englisch kurz FIOPs), die unter streng kontrollierten Bedingungen ausgeführt wurden, wird gezeigt, dass schwach gebundenes HCO3− die Wasserspaltungsreaktionen im PSII nicht direkt beeinflusst. Mit massenspektrometrische Messungen (Membran-Einlass-Massenspektrometrie, MIMS) wird zudem eindeutig belegt, das CO32−/HCO3− kein integraler Bestandteil des WOC ist. Somit sind die bekannten und in dieser Arbeit weitgehend bestätigten Effekte der Analoga Formiat und Acetat auf die Verdrändung von HCO3− von seiner Bindungsstelle am nicht-Häm-Eisen der Akzeptorseite vom PSII, sowie auf mögliche direkte Effekte dieser Anionen auf den WOC zurückzuführen. Die mögliche direkte Bindung von Cl− an den Mn4OxCa-Komplex wurde mit Hilfe von Elektronenspinresonanz (cw und gepulste EPR) und durch Röntgenabsorptions-Spektroskopie (XANES/EXAFS) untersucht. Hierzu wurde Cl− durch Dialyse entfernt und durch den kompetitiven Inhibitor Azid (N3−; für Impuls-EPR, terminal 15N-markiert) ersetzt. Die erzielten Ergebnisse liefern keinerlei Hinweise auf eine direkte Bindung von N3−, und demzufolge von Cl−, an ein Mn-Ion des Mn4OxCa-Komplexes. Ferner wird detailliert der Frage nachgegangen, in wieweit die Funktion des WOC in dem erst kürzlich entdeckten, ganz überwiegend Chlorophyll-d-haltigen Organismus Acharyochloris marina (A. marina) durch vermutete Unterschiede in der Energetik der primären Ladungstrennung im PSII beeinflusst wird. Mit FIOP-Messungen wird gezeigt, dass die Effizienz der Wasserspaltung und die Stabilität der Si Zustände in A. marina gegenüber Chlorophyll-a-haltigen Spinat-Proben (Spinacia oleracea) praktisch unverändert sind. Eine Ausnahme davon bildet nur das Redoxpotential von Tyrosin D, Em (YDox/YD).
Photosynthetic water oxidation is an unique fundamental biological process that occurs in the water-oxidizing complex (WOC) of the multi-component pigment-protein complex called photosystem II (PSII). The WOC comprises an inorganic μ-oxo bridged tetra-manganese calcium cluster (Mn4OxCa, with x ≥ 5) and a highly specific protein matrix. Understanding this reaction can be expected to provide essential clues for the construction of efficient artificial systems that utilize the energy of sun light to split water to O2 and H2. To elucidate the basics of photosynthetic water oxidation chemistry one needs to know its energetics as well as the structure and function of all the cofactors participating in the different oxidation states, Si states (i = 0,...,4), of the WOC. The main focus of this work is the exploration of the function and binding sites of the anions hydrogencarbonate (HCO3−) and chloride (Cl−) within the WOC. Performing flash-induced oxygen evolution patterns (FIOPs) measurements under strictly controlled conditions no evidence was found for a weakly bound HCO3− in the water-splitting reaction of PSII. Moreover, employing membrane-inlet mass spectrometry (MIMS) it is shown that CO32-/HCO3− is not a tightly bound constituent of the WOC. Therefore the previously reported and in this work largely confirmed effects of HCO3− analogs, such as formate and acetate, are caused by the displacement of HCO3− from its binding site at non-heme iron on the acceptor side of PSII and not from the WOC as suggested earlier. However, some direct effects of formate and/or acetate on the WOC cannot be fully excluded. The possible direct Cl− binding to the Mn4OxCa cluster was studied by employing both electron paramagnetic resonance (cw and pulse EPR) and X-ray absorption spectroscopy (XANES/EXAFS). In the present study Cl− was removed from intact PSII via a prolonged dialysis and replaced by the competitive inhibitor azide (N3−; for pulse EPR, with terminally 15N-labelled). The results obtained do not provide any evidences for direct binding of N3− and, thereby of Cl−, to the Mn ions in the Mn4OxCa cluster. Furthermore, the question was addressed whether or not the properties of the WOC in a recently discovered chlorophyll d-dominating cyanobacterium Acaryochloris marina (A. marina) are modified by the suspected differences in the energetics of the primary charge separation in PSII. Based on FIOPs measurements no differences are found between A. marina and chlorophyll a-containing samples from spinach (Spinacia oleracea) with regard to the efficiency of water splitting and the stability of the Si states. The only exception is the redox potential of tyrosine D, Em (YDox/YD).
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-19498
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2224
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1927
Exam Date: 11-Mar-2008
Issue Date: 6-Aug-2008
Date Available: 6-Aug-2008
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Mn4OxCa Komplex
Photosynthese
Photosystem II
Wasserspaltung
Wasserspaltungskomplex
Mn4OxCa complex
Photosynthesis
Photosystem II
Water oxidation
Water-oxidizing complex
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