Die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie unter Freisetzung von Sauerstoff, die oxygene Photosynthese, ist einer der grundlegenden Prozesse, die das Leben in seinen komplexen Formen auf der Erde ermöglichen. In höheren Pflanzen, Algen und Cyanobakterien werden die Primärschritte dieses Prozesses von den beiden Membranproteinen Photosystem I (PS I) und Photosystem II (PS II) katalysiert. PS I gehört zu den sog. Typ I Reaktionszentren (RZ) und PS II zu den Typ II RZ. Während mit der Röntgenstrukturanalyse des purpurbakteriellen RZ bei 2,3 Å Auflösung bereits das atomare Modell eines Typ II RZ vorliegt, existierte für PS I als Vertreter der Typ I RZ bislang nur ein Modell bei einer mittleren Auflösung von 4 Å. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kristallstruktur des PS~I aus dem termophilen Cyanobakterium Synechococcus elongatus bestimmt. Die Bestimmung der Phasenwinkel bis 3,0 Å Auflösung erfolgte mittels multiplem isomorphem Ersatz, von 3,0 Å bis 2,5 Å mit schrittweiser Vefeinerung und Berechnung der Phasenwinkel aus den Atomkoordinaten. Damit kann erstmals das atomare Strukturmodell eines Typ I RZ präsentiert werden, vor dessen Hintergrund die Diskussion zahlreicher biochemischer und spektroskopischer Ergebnisse möglich wird. Das Modell des monomeren Komplexes besteht aus 2243 Aminosäuren, die in 12 Untereinheiten organisiert sind. Mit Hilfe der Kristallstrukturanalyse konnte eine bislang nicht im Komplex identifizierte Untereinheit PsaX gefunden werden und für eine weitere Untereinheit (PsaL) wurde eine Aminosäuresequenz ermittelt, die von der aus der DNA-Sequenz abgeleiteten abweicht. Gemäß der Strukturanalyse sind an den Proteinkomplex 96 Chlorophyll a Moleküle, 22 Karotinoide (17 all-trans und 5 mit einer oder mehreren cis-Doppelbindungen), 4 Lipide, 3[Fe4S4]-Cluster, 2 Phyllochinone, vermutlich ein Ca(2+)-Ion und 206 Wassermoleküle gebunden.Den Kern des PSI bildet das Elektronentransfersystem. Es setzt sich aus 5 Chlorophyll a und einem Chlorophyll a' Molekül, den beiden Phyllochinonen und den 3[Fe4S4]-Clustern zusammen, wobei die Kofaktoren mit Ausnahme der 3[Fe4S4]-Cluster in zwei Ästen organisiert sind. Das Antennensystem, mit Hilfe dessen PS I Lichtenergie sammelt, wird von 90 Chlorophyllen und den 22 Karotinoiden gebildet. Es ist im wesentlichen in eine zentrale zylindrische Region und 2 äußere Schichten gegliedert. PS I enthält einige Antennenchlorophylle, die sich durch eine rotverschiebung des Absorptionsmaximums auszeichnen. Durch Korrelation mit verschiedenen experimentellen Daten wurde eine Zuordnung dieser Chlorophylle im Strukturmodell vorgenommen, die eine Grundlage bildet, um Modelle zum Mechanismus des Excitonentransfers innerhalb der Antenne zu überprüfen und zu verbessern.
Die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie unter Freisetzung von Sauerstoff, die oxygene Photosynthese, ist einer der grundlegenden Prozesse, die das Leben in seinen komplexen Formen auf der Erde ermöglichen. In höheren Pflanzen, Algen und Cyanobakterien werden die Primärschritte dieses Prozesses von den beiden Membranproteinen Photosystem I (PS I) und Photosystem II (PS II) katalysiert. PS I gehört zu den sog. Typ I Reaktionszentren (RZ) und PS II zu den Typ II RZ. Während mit der Röntgenstrukturanalyse des purpurbakteriellen RZ bei 2,3 Å Auflösung bereits das atomare Modell eines Typ II RZ vorliegt, existierte für PS I als Vertreter der Typ I RZ bislang nur ein Modell bei einer mittleren Auflösung von 4 Å. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kristallstruktur des PS~I aus dem termophilen Cyanobakterium Synechococcus elongatus bestimmt. Die Bestimmung der Phasenwinkel bis 3,0 Å Auflösung erfolgte mittels multiplem isomorphem Ersatz, von 3,0 Å bis 2,5 Å mit schrittweiser Vefeinerung und Berechnung der Phasenwinkel aus den Atomkoordinaten. Damit kann erstmals das atomare Strukturmodell eines Typ I RZ präsentiert werden, vor dessen Hintergrund die Diskussion zahlreicher biochemischer und spektroskopischer Ergebnisse möglich wird. Das Modell des monomeren Komplexes besteht aus 2243 Aminosäuren, die in 12 Untereinheiten organisiert sind. Mit Hilfe der Kristallstrukturanalyse konnte eine bislang nicht im Komplex identifizierte Untereinheit PsaX gefunden werden und für eine weitere Untereinheit (PsaL) wurde eine Aminosäuresequenz ermittelt, die von der aus der DNA-Sequenz abgeleiteten abweicht. Gemäß der Strukturanalyse sind an den Proteinkomplex 96 Chlorophyll a Moleküle, 22 Karotinoide (17 all-trans und 5 mit einer oder mehreren cis-Doppelbindungen), 4 Lipide, 3[Fe4S4]-Cluster, 2 Phyllochinone, vermutlich ein Ca(2+)-Ion und 206 Wassermoleküle gebunden.Den Kern des PSI bildet das Elektronentransfersystem. Es setzt sich aus 5 Chlorophyll a und einem Chlorophyll a' Molekül, den beiden Phyllochinonen und den 3[Fe4S4]-Clustern zusammen, wobei die Kofaktoren mit Ausnahme der 3[Fe4S4]-Cluster in zwei Ästen organisiert sind. Das Antennensystem, mit Hilfe dessen PS I Lichtenergie sammelt, wird von 90 Chlorophyllen und den 22 Karotinoiden gebildet. Es ist im wesentlichen in eine zentrale zylindrische Region und 2 äußere Schichten gegliedert. PS I enthält einige Antennenchlorophylle, die sich durch eine rotverschiebung des Absorptionsmaximums auszeichnen. Durch Korrelation mit verschiedenen experimentellen Daten wurde eine Zuordnung dieser Chlorophylle im Strukturmodell vorgenommen, die eine Grundlage bildet, um Modelle zum Mechanismus des Excitonentransfers innerhalb der Antenne zu überprüfen und zu verbessern.
