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Zeitaufgelöste Messungen der Rekombinationsfluoreszenz zur Untersuchung energetischer und kinetischer Parameter des Photosystems II aus höheren Pflanzen, Grünalgen und Cyanobakterien

Buchta, Joachim - Freie Universität Berlin (2014)


Das Photosystem II (PSII) spielt als einer der wichtigsten Bausteine der Photosynthese und bei der Bildung von Sauerstoff eine entscheidende Rolle für das Leben auf der Erde. Darüber hinaus dient es auch als Modellsystem für die solargetriebene Wasserspaltung. Für ein genaues Verständnis der Funktionsweise ist eine Kenntnis sowohl des strukturellen Aufbaus als auch der energetischen und kinetischen Parameter erforderlich. Die zeitaufgelösten Messungen der verzögerten und prompten Chlorophyllfluoreszenz ermöglichen es, diese Parameter zu bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Die Temperaturabhängigkeit des sauerstoffbildenden Schritts (S3→ S4→ S0-Übergang im Kok-Zyklus) wurde im Temperaturbereich -2,7 bis 27 °C gemessen, um das Auftreten eines möglichen Knickpunktes in der Arrhenius-Darstellung zu ermitteln. Dieser konnte nicht festgestellt werden, und die erhaltenen Ratenkonstanten lassen sich in guter Näherung mit einem monophasischen Arrhenius-Verhalten (EA = 231 meV) beschreiben.

Messungen an genetisch veränderten PSII-Membranpartikelproben der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, denen die Carboanhydrase Cah3 fehlt, haben ergeben, dass die Protonenfreisetzung im S3→ S4-Übergang deutlich schneller abläuft, wenn Hydrogencarbonat zur Verfügung steht. Dieses Ergebnis unterstreicht die wichtige Rolle der mit den Elektronentransfer-Schritten verbundenen Protonenbewegungen.

Für Core-Partikel-Proben von Thermosynechococcus elongatus (thermophile Cyanobakterien) konnten Bindungskonstanten für die PSII-Inhibitoren Terbutryn und Stigmatellin bestimmt werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde (von der kooperierenden Gruppe von A. Zouni, TU Berlin) das erste kristallographische Modell eines Photosystems mit gebundenem Herbizid erstellt. Damit lässt sich der Einfluss der Herbizide auf das QA-Redoxpotential erklären.

Die Untersuchungen zweier PsbA-Varianten von Thermosynechococcus elongatus zeigen Unterschiede in mindesten zwei PSII-Redoxpotentialen. Daraus ergeben sich Anhaltspunkte, wie Cyanobakterien auf Lichtstress reagieren und sich vor schädlichem Singulett-Sauerstoff schützen.

An PSII-Proben aus Spinat (Spinacia oleracea), bei denen der Mangankomplex entfernt wurde, konnten die Energieniveaus der Gibbs'schen freien Energie sowie Aktivierungsenergien für drei Radikalpaarzustände (YZ+QA-, YZ+ P680+QA- und YZ+QA-/QB-) ermittelt werden. Mithilfe dieser Ergebnisse konnte ein umfassendes Energieschema für Mn-befreites PSII erstellt werden.


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