Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2409
Main Title: Elektronentransferprozesse in den Photosystemen I & II
Translated Title: Electron transfer processes in Photosystem I & II
Author(s): Schenderlein, Matthias
Advisor(s): Hildebrandt, Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die membrangebundenen Pigment-Proteinkomplexe Photosystem I und II katalysieren in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien die oxygene Photosynthese. Bei der Umwandlung der Sonnenenergie in chemisch nutzbare Energie sind eine Vielzahl von Elektronentransferschritten beteiligt, deren spektroskopische Untersuchung Gegenstand dieser Arbeit ist. Untersucht wurden das Photosystem II aus den Organismen Thermosynechococcus elongatus und Spinat und das Photosystem I aus dem Cyanobakterium Acaryochloris marina mit Hilfe der UV/Vis/NIR-Absorptionsspektroskopie, der ESR-, der Raman- und der transienten Absorptionsdifferenzspektroskopie, gestützt durch quantenmechanische Berechnungen auf dem DFT-Level für das beta-Carotin, welches ein wichtiges Pigment in den Photosystemen ist. Im PS II wurden die Elektronentransferschritte der sekundären Prozesse charakterisiert, die zum Schutz des Systems vor oxidativer Schädigung nach der lichtinduzierten Ladungstrennung durch den primären Donator P680+ ablaufen. Dabei zeigte sich, dass sich durch Belichtung bei kryogenen Temperaturen (T < 180 K) in Abhängigkeit des Oxidationszustandes des Kofaktors Cytochrom b559 in fast allen Zentren ein ladungsgetrennter, stabiler Zustand einstellt. Mit Cyt b559ox bilden sich ausschließlich die Zustände Car+QA- bzw. ChlZ+QA-. Mit Cyt b559red wird in ca. 70% der Zentren die Cytochromoxidation beobachtet und zu einem kleinen Teil ebenfalls Carotin- und Chlorophylloxidation. Ein Rest von Zentren verbleibt, die keinen langlebigen Zustand bilden. Während der Zustand Car+QA- im PS II aus T. elongatus unter Belichtung stabil ist, zerfällt er im PS II aus Spinat unter Bildung von ChlZ+QA-. Neben diesen Kofaktoren treten im PS II die zwei redoxaktiven Tyrosine TyrZ und TyrD auf, von denen TyrZ eine sehr wichtige Rolle in den primären Elektronentransferschritten spielt, die zur Wasserspaltung führen. Untersucht wurde die Temperaturabhängigkeit der Oxidation der Tyrosine durch P680+. Es zeigte sich, dass bei tiefen Temperaturen der Elektronentransfer vom TyrZ nicht mehr auftritt, obwohl die bestimmte Aktivierungsenergie nicht dagegen spricht. Dies könnte auf ein Einfrieren für die Oxidation wichtiger Reorganisationsprozesse deuten. Dagegen trat die lichtinduzierte TyrD-Oxidation aktivierungslos bis zu Temperaturen von 5K im größten Teil der Zentren auf, wenn der pH in der PS II-Probe über 8.5 lag. Die Charakterisierung des Carotins in den Photosystemen wurde durch einen kombinierten Ansatz aus Ramanspektroskopie und DFT-Rechnungen noch erweitert. Die Ramanspektren vom PS II, die dominiert werden von dem Spektrum des beta-Carotins, zeigten eine Verschiebung der Bande um 1525 cm-1 mit verschiedenen Anregungswellenlängen des Lasers, was auf eine selektive Anregung von Carotinen in dem Photosystem hindeuten könnte. Ramanspektren vom beta-Carotin in Lösung zeigten jedoch den gleichen Effekt, was in Kombination mit den DFT-Rechnungen auf eine unterschiedliche Resonanzverstärkung von zwei dicht benachbarten Moden unter der 1525 cm-1-Bande hinweist. Für die spektroskopische Charakterisierung des PS I aus A. marina wurden die transiente Absorptionsdifferenzspektroskopie und Redoxtitrationen angewandt. Obwohl A. marina nicht Chl a, sondern Chl d als Hauptpigment bindet, zeigten die Messungen, dass das PS I aus A. marina dem PS I aus Chl a-bindenden Organismen sehr ähnelt. Sowohl die spektroskopischen als auch die kinetischen Daten legen nahe, dass auf der Elektronenakzeptorseite die Eisen-Schwefelcluster und der sekundäre Elektronakzeptor A1 identisch sind. Auch das neu bestimmte Redoxpotential des primären Donators P740 von (450 +/- 10)mV ist dem vom P700 aus Chl a-bindenden Organismen sehr ähnlich. Über den ebenfalls neu bestimmten Wert des Extinktionsdifferenzkoeffizienten für die Oxidation des primären Donators von (45 +/- 4)mM-1cm-1 bei 740nm wurde das P740 zu Chl d Verhältnis in Thylakoidmembranen bestimmt - auf ein P740 kommen ungefähr 200 Chl d-Moleküle.
In plants, algae and cyanobacteria oxygenic photosynthesis is catalysed by the membraneembedded pigment-protein complexes photosystem I and II. The conversion of sunenergy to chemical usable energy involves a multitude of electron transfer steps, which will be studied spectroscopically in this work. Photosystem II from the organisms Thermosynechococcus elongatus and spinach as well as photosystem I from the cyanobacterium Acaryochloris marina were examined by means of UV/Vis/NIR-absorption spectroscopy, EPR-, Raman and transient absorbance difference spectroscopy. Spectroscopic data were supported by quantum mechanical calculations at DFT level for beta-carotene, as an important pigment in both photosystems. In PS II electron transfer steps of secondary processes were studied, which serve as a protection mechanism against oxidative damage by the primary donor P680+ after lightinduced charge separation. Depending on the oxidation state of Cytochrom b559 a stable, charge separated state is formed upon illumination in almost all centres at cryogenic temperatures (T < 180 K). If Cyt b559 is initially oxidised exclusively Car+QA- and ChlZ+QA- are accumulated. If Cyt b559 is initially reduced cytochrome oxidation in about 70% of the centres and to a smaller extent also carotene and chlorophyll oxidation occurs. A fraction of centres lacks the ability to create long-lived states. Whereas Car+QA- is stable under illumination in PS II of T. elongatus it decays in PS II of spinach by forming ChlZ+QA-. PS II also includes two redox active tyrosine TyrZ and TyrD. TyrZ plays a major role in primary electron transfer steps, which ultimately lead to water oxidation. The temperature dependence of tyrosine oxidation by P680+ has been studied. Electron transfer from TyrZ seems to be frozen out at low temperatures. This cannot be understood based on activation energy but perhaps in the hindrance of crucial reorganisation processes in the course of oxidation. In contrast activationless TyrD oxidation occured in the main part of centres at temperatures as low as 5 K, if the pH of the PS II sample was above 8.5. The study of beta-carotene as a major pigment in both photosystems was extended by a combined approach of Raman spectroscopy and DFT calculations. Raman spectra of PS II are dominated by contributions of beta-carotene signals. Upon changing the excitation wavelength a band at 1525 cm-1 seems to shift its position, which could be due to selective enhancement of carotenes within the photosystem. However Raman spectra of beta-carotene in solution exhibit the same behaviour. In combination with DFT-results this behaviour was assigned to different resonance enhancements of two closely spaced modes underneath the band at 1525 cm-1. PS I from A. marina has been studied using transient absorbance difference spectroscopy and redox titrations. Despite the difference in pigment composition, as A. marina exhibits Chl d and not as usual Chl a as main pigment, PS I from A. marina resembles closely PS I from Chl a-binding organisms. Spectroscopic and kinetic data strongly suggest that the iron-sulphur-clusters as well as the secondary acceptor A1 are virtually identical. The midpoint potential of the primary donor P740 has been reassessed. A value of (450 +/- 10)mV was found, which is very similar to that found for P700 in Chl a-dominated organisms. In addition the extinction difference coefficient for the oxidation of the primary donor has been determined and a value of (45 +/- 4)mM-1cm-1 at 740nm was obtained. Based on this value the ratio of P740 to chlorophyll d was calculated to be 1 : 200 in thylakoid membranes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-25862
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2706
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2409
Exam Date: 26-Feb-2010
Issue Date: 25-Mar-2010
Date Available: 25-Mar-2010
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Acaryochloris marina
Carotin
Elektronentransfer
Photosystem
Sekundäre Donatoren
Acaryochloris marina
Carotene
Electron transfer
Photosystem
Secondary donors
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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