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Rekombinationsreaktionen zwischen dem oxidierten primären Donator, P700+, und den reduzierten Eisen-Schwefel-Zentren im Photosystem I

Jordan, Rafael

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ladungsrekombination zwischen dem oxidierten Elektronendonator, P700+, und den reduzierten Eisen-Schwefel-Zentren, (FAFB)- bzw. (FA-FB-), untersucht. Als Methode wurde die blitzinduzierte Absorptionsdifferenzspektroskopie eingesetzt. Redoxtitrationen wurden zusätzlich mit Hilfe der EPR durchgeführt. Unterschiedliche Ansätze wurden ausgeführt, um die Kinetik der Ladungsrekombination zwischen P700+ und (FAFB)- zu analysieren. Die Untersuchungen wurden dadurch erschwert, daß in Konkurrenz zur Rekombination ein Vorwärtselektronentransfer von den reduzierten Eisen-Schwefel-Zentren zu einem unbekannten Akzeptor erfolgt. Durch gezielte Reduktion dieses Akzeptors bei einem Potential von -250 mV und durch Berechnung des Zeitverlaufes der Absorptionsänderung nach Blitzlichtanregung in Gegenwart von Akzeptoren und Donatoren konnte eine Halbwertszeit für die Rekombination von (95 ± 10) ms bestimmt werden. Eine Verringerung des Redoxpotentials führt zur einfachen Reduktion der Eisen-Schwefel-Zentren, so daß nach Blitzlichtanregung die Rekombination zwischen P700+ und (FA-FB-) mit einer Halbwertszeit von (10 ± 3) ms beobachtet werden kann. Werden die Eisen-Schwefel-Zentren bei ca. -590 mV doppelt reduziert, erfolgt nach Blitzlichtanregung die Rekombination von P700+(A1FX)-(FA-FB-) mit einer Halbwertszeit von (275 ± 25) µs. Um die Energetik der Reaktion zu bestimmen, wurden die Halbstufenpotentiale für die Oxidation des primären Elektronendonators und für die Reduktion der terminalen Eisen-Schwefel-Zentren gemessen. Aus den Messungen an PS I-Komplexen aus Synechococcus elongatus und Chlamydomonas reinhardtii folgt ein Halbstufenpotential von (440 ± 10) mV für die Oxidation von P700. Untersuchungen an PS I-Mutanten von Chlamydomonas reinhardtii, bei denen die axialen Liganden Histidin A676 und Histidin B656 durch verschiedene Aminosäuren substituiert wurden, haben gezeigt, daß das Halbstufenpotential sich um bis zu +140 mV verschiebt. Die Halbstufenpotentiale für die ein- und zweifache Reduktion der Eisen-Schwefel-Zentren, (FAFB)/(FAFB)- und (FAFB)-/(FA-FB-), werden mit (-440 ± 10) mV und (-465 ± 10) mV bestimmt. Dazu wurden die Beiträge der oben genannten Ladungsrekombinationsreaktionen zu der blitzinduzierten Absorptionsänderung in Abhängigkeit des Redoxpotentials analysiert. Diese Ergebnisse werden qualitativ mit Hilfe von EPR-Messungen überprüft und im Zusammenhang mit den untereinander stark abweichenden Daten aus der Literatur diskutiert. Die Bestimmung der Aktivierungsenergie für die Rekombination zwischen P700+ und (FAFB)- ergibt (220 ± 10) meV und eine maximale Rate von (44 ± 10)·10³s-1. Anhand der erhaltenen Ergebnisse erfolgt eine Zuordnung, auf welchem Wege der Zustand P700+(FAFB)- rekombiniert. Sowohl die direkte Rekombination, als auch die Rekombination über das FX sind aufgrund des großen Abstandes der Eisen-Schwefel-Zentren zum P700+ und der daraus resultierenden sehr langsamen Ratenkonstanten für die Rekombination auszuschließen. Die Rekombination über den Zustand P700+A0- ist aufgrund der zu geringen Aktivierungsenergie nicht möglich. Nimmt man den Zustand P700+A1- als Zwischenstufe an, stimmen die ermittelte Energetik und Kinetik der Rekombination zwischen P700+ und (FAFB)- gut mit den aus der Literatur bekannten Daten für den Zustand P700+A1- überein. Abschließend werden Untersuchungen zur Aktivität von kristallisierten Photosystemen beschrieben. Diese haben gezeigt, daß die Aktivität von kristallisiertem PS I und PS II mindestens so hoch ist wie bei gelösten Komplexen. Zusätzlich wurde im PS II die Sauerstoffentwicklung in Abhängigkeit von der Blitzzahl für bis zu 10000 Blitze bestimmt. Daraus hat sich ergeben, daß kristallines PS II stabiler ist als PS II-Komplexe in Lösung.