dc.contributor.author
Grabolle, Markus
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:42:48Z
dc.date.available
2005-07-12T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/10872
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-15070
dc.description
Titel, Inhalt, Zielsetzung
i
1./2. Einleitung, Probenpräparation
3
3\. Modifikation des PSII-Mangankomplexes durch Röntgenstrahlung
14
4\. Rekombinationsfluoreszenz des PSII - Theoretische Grundlagen und ein
neues Experiment
35
5\. S-Zustandsabhängigkeit der Rekombinationsfluoreszenz - eine quantitative
phänomenologische Beschreibung
57
6\. Desynchronisation im S-Zustands-Zyklus
71
7\. Energetische Parameter der primären und sekundären Ladungstrennung
98
8\. Kinetische und energetische Charakterisierung der Relaxationsprozesse vor
der O2-Bildung im S3-S0-Schritt
107
9\. Zusammenfassung
139
Anhang, Literatur
141
dc.description.abstract
Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit erfolgte die erste systematische
Untersuchung zu röntgeninduzierten Modifikationen des PSII-Mangankomplexes.
Durch Röntgenabsorptionsmessungen konnte gezeigt werden, dass es schon nach
wenigen Minuten Bestrahlung durch hochintensive Synchrotronstrahlungsquellen
zu einer Ein-Elektronen-Reduktion kommt, die mit signifikanten
Strukturveränderungen verbunden ist. Die Reduktionsrate ist dabei stark vom
Oxidationszustand des Metallzentrums abhängig. Eine längere Bestrahlung führt
zur vollständigen Zerstörung des Komplexes unter Bildung von Mn(II). Zudem
zeigt die gefundene Temperaturabhängigkeit der Photoreduktion, dass
proteinspezifische Bewegungen einen Einfluss auf die Strahlenchemie besitzen.
Eine ähnlich klare Korrelation zwischen der Rate eines physiko-chemischen
Prozesses und der Temperaturabhängigkeit der Proteindynamik ist bisher nicht
berichtet worden. Diese Ergebnisse sind von wesentlicher Bedeutung in Hinblick
auf Strukturuntersuchungen an Röntgenstrahlungsquellen. Ein Messplatz zur
Rekombinationsfluoreszenz des PSII wurde erstellt, der single-shot-Messungen
bei einer Abnahme der Signalintensität um mehr als vier Größenordnungen und
über vier Dekaden im Zeitbereich ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass
die zeitaufgelöste Detektion der Rekombinationsfluoreszenz eine gut geeignete
Methode zur Untersuchung der Elektronentransfer-Prozesse des PSII ist. Im
Gegensatz zu anderen Messmethoden, wie sie in der Vergangenheit vorrangig für
die Untersuchung der Redoxprozesse des PSII verwendet wurden
(Absorptionsmessungen), ist dieser Ansatz nicht durch die Lichtstreuung der
Probe limitiert. Dadurch und durch das hervorragende Signal-Rausch-Verhältnis
werden Messungen über einen wesentlich längeren Zeitbereich (~50 ms) nach der
Ladungstrennung ermöglicht. Durch Analyse der Blitzabhängigkeit der
Rekombinationsfluoreszenz wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf den
miss-Parameter des S-Zyklus untersucht und die optimalen Bedingungen für ein
Voranschreiten im katalytischen Zyklus ermittelt. Die verschiedenen Ursachen,
die zu miss-Ereignissen führen, wurden quantifiziert und es konnte gezeigt
werden, dass der Hauptverlustprozess die Rekombination des ladungsseparierten
Zustandes ist (~8 % Rekombination). Durch die Bestimmung von
Extinktionskoeffizient und Wirkungsquerschnitt konzentrierter PSII-Proben
wurden die Bedingungen ermittelt, unter denen in Beblitzungsexperimenten eine
vollständige Anregung aller Photosysteme in der Probe gewährleistet ist. Die
hier gewonnenen Ergebnisse sind von Relevanz für alle Arten von Experimenten,
bei denen die S-Zustände des Mangankomplexes durch kurze Lichtblitze gezielt
populiert werden. Die Änderung der freien Energie, die mit der Bildung des
ladungsseparierten Zustandes YZ+QA- verbunden ist, wurde durch vergleichende
Messungen von prompter und Rekombinationsfluoreszenz bestimmt. Damit war es
möglich, die Redoxpotentiale des P680 und des Tyrosin-Z abzuleiten (+1,26 bzw.
+1,22 V), die einer direkten Messung nicht zugänglich sind. Die hier
ermittelten Werte sind positiver als bisher angenommen, was von unmittelbarer
Relevanz für den Mechanismus der katalytischen Wasserspaltung ist. Im
Gegensatz zu einer neueren Studie, die zu ähnlichen Resultaten gelangt, wurden
die in der hier vorliegenden Arbeit bestimmten Redoxpotentiale aus direkt
ermittelten DG-Werten abgeleitet und beruhen ausschließlich auf Experimenten,
die an PSII-Membranfragmenten eines einzigen Organismus durchgeführt wurden.
Die dem sauerstoffentwickelnden S3 ® S0-Übergang vorausgehende energetische
Relaxation des ladungsseparierten Zustandes YZQA- (µs-Phasen des
Elektronentransfers vom YZ zum P680+) wurden untersucht. Diese mit
Protonenbewegungen gekoppelte Relaxation steht vermutlich in direktem
funktionellen Zusammenhang mit der katalytischen Wasserspaltung am
Mangankomplex. In der vorliegenden Arbeit konnte durch Bestimmung des
entropischen Beitrages zur Relaxation (Entropiezunahme), der pH-Abhängigkeit
des Prozesses sowie durch Analyse der Kinetik der Reaktion gezeigt werden,
dass während der Relaxation eine komplex verlaufende Deprotonierungsreaktion
stattfindet, die mit einer Protonenfreisetzung in das wässrige Medium
verbunden ist. Höchstwahrscheinlich handelt es sich um einen Protonentransport
vom katalytischen Zentrum zur Proteinoberfläche, der vor dem S3 ® S0-Übergang
stattfindet. Zusammen mit neuesten zeitaufgelösten Röntgenabsorptionsmessungen
führen diese Ergebnisse zu einer neuen Interpretation der Schritte unmittelbar
vor der Sauerstoffentwicklung.
de
dc.description.abstract
In this work the first systematic investigation to X-ray induced modifications
of the PSII manganese complex is presented. It could be shown by X-ray
absorption measurements that already after few minutes of irradiation by high-
intensive sources of synchrotron radiation a one-electron reduction takes
place, which is correlated with significant structural changes. The reduction
rate depends strongly on the oxidation state of the metal center. Longer
irradiation leads to the complete destruction of the complex and to formation
of Mn(II). The found temperature dependence of the photo-reduction shows that
protein-specific movements possess an influence on radiation chemistry. These
results are of substantial importance in view to structural investigations at
X-ray sources of high intensity. A measuring system for the recombination
fluorescence of PSII was build. It could be shown that time-resolved detection
of the recombination fluorescence is a well suitable method for the
investigation of the electron transfer processes of PSII. Contrary to other
measuring methods, used with priority in the past for the investigation of the
redox processes of the PSII (absorption measurements), this method is not
limited by the light scattering of the sample. Thus and by the outstanding
signal-to-noise ratio measurements are possible over a substantially longer
time interval (~50 ms) after the light-flash induced charge separation. The
influence of different parameters on the miss-parameter of the S-cycle was
examined by analysis of the flash number dependence of the recombination
fluorescence and the optimal conditions for progressing in the catalytic cycle
were determined. The different mechanisms, which lead to misses, were
quantified and it could be shown that the main loss process is the
recombination of the charge-separated state (~8 % recombination). By
measurements of the extinction coefficient and the cross-section of
photochemistry of PSII the conditions that ensure a complete excitation of all
photosystems in the sample were determined. The results are of relevance for
all kinds of experiments, where the S-states of the manganese complex are
populated by means of short light-flashes. The change in free energy upon
formation of the charge-separated state YZ+QA- was determined by comparative
measurements of prompt and recombination fluorescence. It was possible to
derive the redox potentials of P680 and Tyrosin-Z (+1.26 and +1.22 V,
respectively), which are not accessible to a direct measurement. The values
determined here are more positive than so far estimated, which is of direct
relevance for the mechanism of the water splitting process at the manganese
complex. In contrast to a recent study, in which similar values are found, the
redox potentials in the here presented work are derived on basis of direct
measured free energy values and they are based exclusively on data of PSII
membrane-fragments of only one organism. The energetic relaxation of the
charge-separated state YZ+QA- (µs-phases of the electron transfer from YZ to
P680+), which precedes the oxygen-evolving S3-S0-transition were examined.
This relaxation is coupled with proton movements and is probably involved
functionally in the catalytic water splitting process at the manganese
complex. By determination of the entropic contribution to the relaxation
(entropy increase), the pH dependence of the process as well as by analysis of
the kinetics of the reaction it is shown that during the relaxation a complex
deprotonation reaction takes place, which is correlated with a proton release
into the aqueous medium. Most likely a proton transport from the catalytic
center to the protein surface takes place, which precedes the
S3-S0-transition. Together with recent time-resolved X-ray absorption
measurements these results lead directly to a new interpretation of the
reactions occurring directly before the oxygen-evolving step.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
delayed fluorescence
dc.subject
manganese complex
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Die Donorseite des Photosystems II der Pflanzen
dc.contributor.firstReferee
Prof. Holger Dau
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Klaus Möbius
dc.date.accepted
2005-07-04
dc.date.embargoEnd
2005-07-14
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2005001746
dc.title.subtitle
Rekombinationsfluoreszenz- und Röntgenabsorptionsstudien
dc.title.translated
The Donor Site of the Photosystem II of Plants
en
dc.title.translatedsubtitle
Recombination Fluorescence and X-ray Absorption Studies
en
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000001667
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2005/174/
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FUDISS_derivate_000000001667
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open access