Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-152
Main Title: The donor and acceptor side of photosystem II: structural and functional investigations
Translated Title: Die Donor und Akzeptor Seite des Photosystem II: Strukturelle und funktionelle Untersuchungen
Author(s): Glöckner, Carina
Advisor(s): Zouni, Athina
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die oxygene Photosynthese ist ein einzigartiger und essentieller photochemischer Prozess in dem Sonnenenergie zur Oxidation von Wasser und Bildung von Kohlehydraten genutzt wird. Dem Multiproteinkomplex Photosystem II (PSII) kommt dabei eine Schlüsselfunktion zu, da es den Ort der Wasserspaltung beherbergt. Eine Grundvoraus-setzung, den Mechanismus der lichtinduzierten Wasserspaltung vollständig zu enthüllen, ist die detaillierte Aufklärung der molekularen Struktur und der dynamische Prozesse von PSII. In der vorliegenden Arbeit wurden PSII Kernkomplexe (PSIIcc) des thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus benutzt, um die zwei Funktionsseiten des PSII, bekannt als Akzeptor und Donor Seite, mittels zwei verschiedener Ansätze zu untersuchen: Die Akzeptor Seite des PSII ist Wirkungsziel vieler kommerziell genutzter Herbizide, die mit dem nativen Elektronenakzeptor Plastochinon um die Bindung an der QB Seite konkurrieren und so den Elektronentransfer von QA nach QB blockieren. In dieser Arbeit wird die erste Röntgenkristallstruktur von dimerem PSIIcc (dPSIIcc) mit gebundenem Herbizid bei einer Auflösung von 3.2 Å vorgestellt. Es wird gezeigt, dass das Herbizid Terbutryn durch mindestens zwei Wasserstoffbrücken in der QB Bindungstasche fixiert ist, ähnlich wie in photosynthetischen Reaktionszentren der anoxygenen Purpurbakterien. Die Herbizid Bindung in dPSIIcc wird auch im Hinblick auf ihren Einfluss auf das Redoxpotential von QA diskutiert, von dem bekannt ist, dass es sich auf die Photoinhibition auswirkt. Zudem wurde eine zweite und neue Chlorid-Bindungsstelle in der Kristallstruktur des dPSIIcc/Terbutryn-Komplexes identifiziert. Diese neue Chlorid-Bindungsstelle befindet sich in der Nähe des Mn4Ca-Clusters auf der Donor Seite von dPSIIcc. Die neu entdeckte Chlorid-Bindungsstelle wird in folgenden Zusammenhängen diskutiert: (i) Chlorid-Positionen in den nativen dPSIIcc Strukturmodellen mit Auflösungen von 2.9 und 1.9 Å (Guskov, A. et al. (2009) Nat. Struct. Mol. Biol. 16, 334–342; Umena, Y. et al. (2011) Nature 473, 55–60), (ii) mögliche Wechselwirkung zwischen der Akzeptor und der Donor Seite von dPSIIcc, (iii) Protonentransfer zum Lumen. Die Donor Seite des PSII beherbergt den katalytischen Ort der oxidativen Wasser-spaltung, den anorganischen Mn4Ca-Cluster. Während der Oxidation von Wasser durchläuft dieser Metallcluster eine Abfolge verschiedener Oxidationsstufen (S0 bis S4), die als S-Zyklus bezeichnet wird. In der vorliegenden Arbeit wurde Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) an dPSIIcc Lösungsproben eingesetzt, um die strukturellen Veränderungen des Mn4Ca-Clusters während der Übergänge der S Zustände zu untersuchen. Es wurde beobachtet, dass sich speziell die kurzen Mn-Mn Abstände während des katalytischen Zyklus ändern. Basierend auf der Mn4Ca-Cluster Geometrie aus polarisierten XAS Modellen (Yano, J. et al. (2006) Science 314, 821-825) und aus der nativen dPSIIcc Kristallstruktur mit 1.9 Å Auflösung des Cyanobakteriums T. vulcanus (Umena, Y. et al. (2011) Nature 473, 55–60), wird in dieser Arbeit ein Model für die Strukturveränderungen des Mn4CaO5-Cluster während des S-Zyklus vorgeschlagen. In diesem Model hat der Mn4CaO5-Cluster im S1 und S2 Zustand eine Struktur, die einem offenen Würfel ähnelt. Beim Übergang in den S3 Zustand ändert sich diese zu einer geschlossenen würfelartigen Struktur. Ebenfalls mittels XAS Untersuchungen an dPSIIcc Lösungsproben, wird außerdem die Auswirkung des Strahlenschadens auf den Mn4Ca-Cluster während Röntgendiffraktionsmessungen dargestellt. dPSIIcc Lösungsproben, in denen die Mn Reduktion durch Röntgenstrahlen induziert wurde, zeigen deutliche Unterschiede in den XAS Spektren im Vergleich zu intakten dPSIIcc Lösungsproben. Genauere Informationen über die Veränderung der Mn Abstände während des S-Zyklus, sowie Informationen über deren Orientierung kann durch polarisierte XAS an PSIIcc Einkristallen gewonnen werden. Bei dieser Methode ist die Untersuchung von Einkristallen der monomeren PSIIcc Form (mPSIIcc) sehr vielversprechend, aufgrund der für orientierungsabhängige Spektroskopie vorteilhaften Anordnung der PSII Proteine im Kristall. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass mPSIIcc Lösungsproben für XAS-Studien geeignet sind, jedoch wurde ein relativ hoher Gehalt an freiem Mn(II) in den mPSIIcc Kristallen entdeckt. Sauerstoffaktivitätsmessungen und Elektronenspinresonanz Studien zeigen, dass die hohe Menge an CaCl2 in den Kristallisationsbedingungen von mPSIIcc der Grund für die Mn Reduktion ist. Diese Arbeit zeigt erste Versuche mPSIIcc unter anderen Bedingungen zu kristallisieren, beginnend mit Veränderungen an dessen Aufreinigungsprotokoll.
Oxygenic photosynthesis is a unique and essential photochemical process in which solar energy is used to oxidize water and to form carbohydrates. The multi-subunit protein complex Photosystem II (PSII) plays a key role in the photosynthetic reactions as it harbors the site of water cleavage. A prerequisite for a complete understanding of the mechanism of light-induced water oxidation is the detailed elucidation of the molecular structure of PSII and its dynamic processes. In the present work, PSII core complexes (PSIIcc) from the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus are used to investigate the two functional sides of PSII, known as acceptor and donor side, by applying two different approaches: The acceptor side of PSII is the target of various commercially used herbicides. They compete with the native electron acceptor plastoquinone for binding at the QB site in the D1 subunit and, thus, block the electron transfer from QA to QB. In this work, the first X-ray diffraction crystal structure of dimeric PSIIcc (dPSIIcc) with a bound herbicide at a resolution of 3.2 Å is presented. In the dPSIIcc/terbutryn co-crystals, the herbicide terbutryn is found to bind via at least two hydrogen bonds to the QB site similar to photosynthetic reaction centers in anoxygenic purple bacteria. Herbicide binding to dPSIIcc is also discussed in respect to their influence on the redox potential of QA, which is known to affect photoinhibition. Furthermore, a second and novel chloride position could be identified in the dPSIIcc/terbutryn crystal structure at 3.2 Å resolution. This novel chloride binding site is located close to the Mn4Ca cluster at the donor side of dPSIIcc. The new discovered chloride site is discussed in the context of (i) chloride positions found in the structural models of native dPSIIcc at 2.9 Å and 1.9 Å resolution, respectively (Guskov, A. et al. (2009) Nat. Struct. Mol. Biol. 16, 334–342; Umena, Y. et al. (2011) Nature 473, 55–60), (ii) a possible interplay between the acceptor and donor side of dPSIIcc, and (iii) proton transfer to the lumen. The donor side of PSII harbors the catalytic site of water cleavage, which is the inorganic Mn4Ca cluster. During water oxidation, this metal cluster undergoes a series of oxidation state transitions (S0 to S4), a process called S state cycle. In this work, X-ray absorption spectroscopy (XAS) on dPSIIcc solution samples was used to study the structural changes of the Mn4Ca cluster during each S state transition. It was found, that especially the short Mn-Mn interactions alter during the catalytic cycle. Based on the geometry of the Mn4Ca cluster as obtained from polarized XAS models (Yano, J. et al. (2006) Science 314, 821-825) and the 1.9 Å resolution crystal structure of native dPSIIcc from the cyanobacterium T. vulcanus (Umena, Y. et al. (2011) Nature 473, 55–60), the present study proposes a model for the structural changes of the Mn4CaO5 cluster during the S state cycle. In this model, the Mn4CaO5 cluster in the S1 and S2 states has an open-cubane like structure that changes to a closed-cubane like structure upon the S2 to S3 state transition. Additionally, the effect of radiation damage to the Mn4Ca cluster during X-ray diffraction measurements is demonstrated by XAS studies on dPSIIcc solution samples, in which Mn reduction was induced by exposure to X-rays. The XAS spectra of these samples are significant different from XAS spectra of intact dPSIIcc solution samples. More detailed information on Mn distance variations during the S state transitions as well as orientational information can be gained from polarized XAS studies on single PSIIcc crystals. In this method, the use of single crystals of the monomeric form of PSIIcc (mPSIIcc) is highly promising due to the spectroscopic advantageous orientation of the mPSIIcc units within the crystal. In the present study, mPSIIcc solution samples are showed to be suitable for XAS measurements, but a relatively high amount of free Mn(II) is discovered in single crystals of mPSIIcc. Using oxygen evolution measurements and electron paramagnetic resonance studies, the high amount of CaCl2 necessary to crystallize mPSIIcc was found as reason for the Mn reduction. Initial experiments toward different crystallization conditions for mPSIIcc, starting with alternations of the purification protocol of mPSIIcc, are reported in this work.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-40621
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/449
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-152
Exam Date: 21-Jun-2013
Issue Date: 27-Jun-2013
Date Available: 27-Jun-2013
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Herbizide
Kristallisation
Mangan-Cluster
Photosystem II
Plastochinon
Crystallization
Herbicide
Manganese-Cluster
Photosystem II
Plastoquinone
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