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

Abstract

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.

Photosystem II (PSII) as one of the most important components of the photosynthetic machinery plays an important role in oxygen evolution and thus for life on earth. Furthermore, it serves as a model system for solar water splitting. Besides knowing the structure, the precise understanding of PSII function and the related energetic and kinetic parameters are essential. Time- resolved delayed and prompt chlorophyll fluorescence measurements allow the determination of these parameters. In the context of this thesis, the following results were obtained: The temperature-dependence of the oxygen- evolving step (S3 -> S4 -> S0 transition of the reaction cycle) was measured for temperatures ranging from -2.7 to 27 °C, in order to determine a possible break-point behaviour in the Arrhenius plots. The presence of a break point cannot be excluded completely, but the obtained data can be described to a good approximation by a monophasic Arrhenius behaviour (EA = 231 meV). Measurements on genetically modified PSII of the green algae Chlamydomonas reinhardtii, lacking the carbonic anhydrase denoted as Cah3, resulted in clearly enhanced proton release during the S3 -> S4 transition when bicarbonate was available. This result underlines the important role of proton movements associated with the individual electron transfer steps. Binding constants for PSII inhibitors terbutryn and stigmatellin could be determined for PSII core particles of Thermosynechococcus elongatus, a thermophilic cyanobacterium. Based on these results, the first crystallographic model of a photosystem with bound herbicide was obtained (by the cooperating group of A. Zouni, TU Berlin). An explanation of the influence of herbicide binding on the QA redox potential became possible. Examination of PSII with two variants of the psbA subunits of Thermosynechococcus elongatus show differences in at least two PSII redox potentials. This gives evidence how cyanobacteria respond to light stress and protect themselves from harmful singlet oxygen. In Mn- depleted PSII samples prepared from spinach (Spinacia oleracea), Gibbs free- energy levels and activation energies for three radical pair states (YZ+QA-, YZ+ P680+QA- and YZ+QA-/QB-) could be attained. The results facilitated the establishment of a comprehensive energy scheme for Mn-free PSII.