dc.contributor.author
Barra Cabello, Marcos Patricio
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:37:02Z
dc.date.available
2008-01-29T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/10717
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-14915
dc.description
Title
Abstract
1\. Introduction 1
2\. Material and Methods 30
3\. Results 43
4\. Conclusions 69
5\. References 72
6\. Acknowledgments 85
7\. List of Publications 87
8\. Curriculum Vitae 89
9\. Appendices 91
dc.description.abstract
Light is essential for photosynthetic oxygen evolution not only as a source of
energy to oxidize water, but also as a stimulus to activate the system for
oxygen evolution. The water oxidizing complex of chloroplast photosystem II
(PSII) is located on the lumenal side of the thylakoid membrane, where it
performs the decomposition of water into molecular oxygen, protons and
electrons. The active site is composed of a Mn4Ca cluster that can accumulate
four oxidizing redox equivalents. These are neutralized through the
oxidation of two water molecules. The precise organization of the Mn4Ca
cluster and its association with the PSII polypeptides are still under debate.
The present work includes the results of recent experimental studies on
disassembly and reassembly of the Manganese complex (Mn complex) in PSII and
their biological implications. Combining a variety of biochemical and
biophysical methods enabled me to examine in detail the intermediate states of
both processes. By employing a trigger event characterized by a stepwise
increase in temperature (temperature jump to 47°C) it was possible to initiate
a relatively slow and stepwise disassembly of the Mn complex of PSII,
involving several distinct intermediates. By combining oxygen polarography,
X-ray absorption spectroscopy (XAS) at the Mn K-edge, electron paramagnetic
resonance (EPR), atomic absorption spectroscopy (AAS) and recombination
chlorophyll fluorescence techniques, it was shown that the heat-induced
disassembly process involves at least three steps. (1) The first most rapid
step occurs within ~5 min and is coupled to the release of the extrinsic
protein with 18 kDa molecular weight from PSII; circumstantial evidence
suggested that concomitantly the affinity of the essential Ca2+ ion which is
bound at the Mn complex is lowered, leading to the observed inactivation of
oxygen evolution. (2) In a second step, two Mn ions are reduced to MnII and
released from their binding sites into the bulk within ~15 min; the remaining
binuclear complex contains two MnIII ions connected by a di-µ-oxo bridge. (3)
The third step occurs only within hours and leads to the reduction and
liberation of the remaining two Mn ions as MnII whereby apo-PSII with an empty
Mn/Ca site is formed. The second part of this work includes the results
obtained on the photoassembly process of the Mn4Ca complex. The complex
spontaneously is assembled in the light; a process denoted as photoactivation.
Recovery of oxygen evolution activity after photoactivation was monitored by
O2-polarography and delayed chlorophyll fluorescence measurements, starting
from various states as obtained by the previous heat treatment. Oxidation
state and structural features of the intermediates of the Mn complex during
photoactivation were assayed by X-ray absorption spectroscopy at the Mn K
edge. The MnIII2 complex obtained after ~15 min of heating and apo-PSII with
an empty Mn/Ca site present after 2 h of heating effectively could be
photoactivated to form the O2-evolving tetra-Mn complex within ~40 min in the
presence of stoichiometric amounts of two and four respectively exogenous MnII
ions per PSII. Starting with apo-PSII, a lag-phase of about 5 min duration was
detected in the recovery of O2 activity during photoactivation. Within this
lag phase a similar semi-stable MnIII2 complex is created as obtained after
~15 min of heating. Therefore, the MnIII2(di-µ-oxo) state is a key
intermediate both in the assembly and disassembly of the Mn complex.
de
dc.description.abstract
Licht ist essentiell sowohl als Energieressource für die photosynthesische
Wasseroxidation als auch als Stimulus für die Aktivierung des
Sauerstoffbildungssystems. Der Wasseroxidationskomplex des Photosystems II
(PSII) auf der Lumenseite der Thylakoidmembran im Chloroplasten spaltet Wasser
in molekularen Sauerstoff, Protonen und Elektronen. Der Mn4Ca-Komplex des
aktiven Zentrums kann vier oxidierende Redoxäquivalente akkumulieren, die
simultan durch die Oxidation zweier Wassermoleküle neutralisiert werden. Der
genaue Aufbau des Mn4Ca- Komplexes und seine Assoziierung mit den PSII
Polypeptiden werden noch kontrovers diskutiert. Die vorliegende Arbeit
beinhaltet die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen zur Disassemblierung
und zur Assemblierung des Mangankomplexes (Mn Komplex) im PS II. Die
Kombination vielfältiger biochemischer und biophysikalischer Methoden
ermöglichte detaillierte Untersuchungen der intermediären Stadien beider
Prozesse. Durch die Anwendung einer Temperaturerhöhung (Temperatursprung auf
47°) wurde es möglich, die relative langsame schrittweise Zerlegung des Mn
Komplexes im PS II zu studieren, wobei verschiedene Intermediatzustände
auftreten. Zunächst wurden die Inaktivierung und der schrittweise Abbau des
Mn-Komplexes durch Erwärmung auf 47°C für ansteigende Zeitintervalle
untersucht. Die Wärmebehandlung wurde gewählt, um den normalerweise langsamen
Abbauprozess des Mn Komplexes zu beschleunigen und klar vom Abbauprozessen der
PSII-Proteine abzugrenzen. Durch die kombinierte Anwendung von Polarographie,
Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) an der Mn K-Kante, Paragmanetisches
Elektronen resonanz (EPR), Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) und
Rekombinations-Chlorophyll-Fluoreszenztechniken konnte gezeigt werden, dass
beim wärmeinduzierten Abbau mindestens drei Schritte ablaufen. (1) Der
schnellste Schritt ereignet sich innerhalb von fünf Minuten und ist an die
Freisetzung des extrinsischen 18 kDa Proteins des PSII gekoppelt. Die
vorliegenden Ergebnisse legen nahe, dass gleichzeitig die Affinität des
essentiellen Ca2+ Ions am Mn Komplex reduziert wird und zu der beobachteten
Inaktivierung der Sauerstoffbildung führt. (2) In einem zweiten Schritt,
werden innerhalb von fünfzehn Minuten zwei Mn Ionen zu MnII reduziert und aus
ihrer Bindung gelöst: der verbleibende binukleare Komplex beinhaltet zwei über
eine di-µ-oxo Brücke verbundene MnIII Ionen. (3) Der dritte Schritt erfolgt
erst nach Stunden und führt zur Reduktion und Freisetzung der verbleibenden
beiden Mn Ionen als MnII, wobei sich der apo-PSII mit einer leeren Mn/Ca
Bindungsstelle bildet. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Ergebnisse
zur Assemblierung des Mangankomplexes. Der Aufbau erfolgt im Licht durch die
sogenannte Photoaktivierung. Ausgehend von den durch Temperatursprung
erhaltenen Intermediaten wurde die Wiederherstellung der
Sauerstoffbildungsaktivität nach Photoaktivierung durch
Sauerstoffpolarographie und Messungen der verzögerten Fluoreszenz beobachtet.
Der Oxidationszustand und strukturelle Eigenschaften der Intermediate des Mn
Komplexes wurden mit Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Mn K-Kante
untersucht. Sowohl der nach ca. fünfzehn Minuten Wärmebehandlung erzeugte
MnIII2 Komplex als auch das nach zweistündiger Wärmebehandlung erzeugte apo-
PSII mit leerer Mn/Ca Bindungsstelle konnten zum sauerstoffbildenden Mn
Komplex innerhalb von ca. vierzig Minuten bei Anwesenheit stoichiometrischer
Mengen von zwei bzw. vier exogenen MnII Ionen pro PSII photoaktiviert werden.
Ausgehend vom apo-PSII wurde eine Verzögerung von ca. fünf Minuten bis zur
Wiederherstellung der Sauerstoffbildungsaktivität durch Photoaktivierung
beobachtet. In dieser Verzögerungsphase wurde ein semi-stabiler MnIII2 Komplex
gebildet. Ein ähnlicher Komplex entsteht auch nach ca. fünfzehn Minuten
Wärmebehandlung. Das MnIII2(di-µ-oxo) Stadium ist also ein
Schlüsselintermediat sowohl im Abbau- als auch im Photoaktivierungsprozess des
Mangankomplexes.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Photosynthesis
dc.subject
Photosystem II
dc.subject
Manganese complex
dc.subject
photoactivation
dc.subject
oxygen evolution
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
dc.title
Disassembly and Reassembly of the Manganese Complex of Photosystem II
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Holger Dau
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Wolfram Saenger
dc.date.accepted
2007-12-20
dc.date.embargoEnd
2008-01-31
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000003481-4
dc.title.translated
Disassemblierung und Assemblierung des Mangankomplexes im Photosystem II
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
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FUDISS_thesis_000000003481
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2008/90/
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FUDISS_derivate_000000003481
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open access