Elektronenspin-Resonanzspektroskopie an einkristallinem Photosystem II

Abstract

Lösungs- und Einkristallpräparationen des Photosystem II (PSII) aus dem Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus wurden mit Methoden der EPR unter Hochfeldbedingungen untersucht. Auf diese Weise konnte die Orientierungsabhängigkeit der EPR-Signale des Wasseroxidierenden Zentrums im PSII nachgewiesen werden. Die gewonnenen Ergebnis erlaubten eine Neubewertung vorliegender Parametersätze für die Hyperfeinkopplungen der im Zentrum gebundenen Manganionen. Im Weiteren wurden diese und Puls-ENDOR-Methoden auf ein paramagnetisches Tyrosinradikal im PSII, Y160, angewandt. Die Verwendung von Einkristallen erlaubte die Bestimmung der Molekülorientierung sowohl zur Magnetfeldrichtung als auch zu den Kristallachsen und etabliert das Radikal als für weitere Einkristalluntersuchungen wesentlichen Orientierungsmarker für das PSII. Die vollständige Charakterisierung aller relevanten Hyperfeinwechselwirkungen und die so ermöglichte Rekonstruktion der Bindungsgeometrien am Tyrosin zeigen dabei die Möglichkeiten der verwendeten Methodik auf. Zuletzt wurde die für die Oxidation des Y160 in der Photoaktivierung des PSII relevante Wasserstoff-Brückenbindung zu einem nahe liegenden Histidin mittels Deuteronenaustausch und Deuteronen-Hochfeld-ENDOR näher untersucht und über die Rekonstruktion dieser Kopplung die Bestimmung des Wasserstoffbrücken-Bindungspartners ermöglicht.

The present work used advanced methods of pulse-EPR to analyze the PSII of the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus. High-field EPR was used to record the signals of the water-oxidizing complex at W-Band frequencies, derive its g-tensor components, and compare it to model complexes and reference values gained from different frequency bands. Single-crystal EPR rotation patterns were taken to demonstrate the orientation dependency of the visible hyperfine structure to explain the drastic differences in appearance between the W-band spectra presented here and the well-known spectra at X-band frequencies. Pulsed ENDOR methods were employed under high-field conditions to characterize the couplings and orientations of and within a neutral radical found in PSII, the tyrosine-160 of the D2 subunit, Y160. Using single crystals, the molecular orientation with respect to the magnetic-field direction and within the crystal was resolved, thereby establishing the Y160 as a marker of the molecular orientation of PSII. Furthermore, high-field conditions allowed the reconstruction of the coupling strengths and orientation of the protons bound to the tyrosine. By selective deuteration, a proton known to be hydrogen-bound to Y160 was exchanged against a deuterium ion, thus separating its coupling signals due to the different gyromagnetic moment and free Larmor frequency. A reconstruction of this hydrogen bond, its strength and orientation offers direct spectroscopic proof of the bonding partner, a near-by histidine residue also bound to the D2-subunit.