Elektronentransferprozesse in den Photosystemen I & II
Schenderlein, Matthias - Technische Universität Berlin (2010)
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 β-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 P+680 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 box559 bilden sich ausschließlich die Zustände Car+QA- bzw. ChlZ+QA-. Mit bred559 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 vonChlZ+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 P+680 . 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 β-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 β-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.