dc.contributor.author
Klauß, André
dc.date.accessioned
2018-06-07T17:59:10Z
dc.date.available
2012-12-20T10:40:38.565Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/4506
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-8706
dc.description.abstract
Die Oxidation von Wasser durch Cyanobakterien, Algen und Pflanzen stellt einen
zentralen Schritt in der oxygenen Photosynthese dar. Das katalytische Zentrum
– ein Mangan-Calcium-Komplex und seine Proteinumgebung – im Photosystem II
(PSII) durchläuft zyklisch vier semistabile Zustände (S0 bis S3). Der
vollständige Reaktionszyklus umfasst das Entfernen von 4 Elektronen und 4
Protonen von dem Mn-Komplex. Mit zeitaufgelösten photothermischen Experimenten
konnte ich Volumenänderungen des PSII-Proteins beobachten, die mit lokaler
Ladungsbildung durch lichtinduzierten Elektronentransfer (Kontraktion) und
ladungs-kompensierenden Protonenbewegungen (Expansion) zusammenhängen. Zwei
zuvor unsichtbare Protonenabgaben des Mn-Komplexes konnten so beobachtet und
zwei Lücken im Reaktionszyklusmodell der photosynthetischen Wasseroxidation
gefüllt werden. Im S2→S3-Übergang des klassischen S-Zyklus wird durch
Deprotonierung ein Intermediat deutlich vor dem Elektronentransfer (ET) zum
Oxidans (YZox) gebildet. Charakteristisch für den ratenlimitierenden
Elementarschritt (τ ≈ 35 µs bei 20 °C) der Überführung des Protons vom Mn-
Komplex zur Wasser-Protein-Grenzschicht sind: eine hohe Aktivierungsenergie
(Ea = 0,46 ± 0,05 eV), ein ausgeprägter H/D-Isotopenaustausch-Effekt (KIE ≈ 5)
und eine deutliche pH-Abhängigkeit (τ ≈ 20 µs bei pH 7,0 und τ ≈ 60 µs bei pH
5,5). Die Eigenschaften eines Protonentransferschritts im S0→S1-Übergang waren
ähnlich (τ ≈ 100 µs bei 20 °C, Ea = 0,34 ± 0,08 eV, KIE ≈ 3, τ5.5/τ7.0 ≈ 1,5).
Die Abgabe des Protons erfolgte hier jedoch nach dem ET zu YZox. Durch die
Entdeckung zweier weiterer Intermediate im Reaktionszyklus der
photosynthetischen Wasseroxidation wird eine zeitliche Sequenz strikt
alternierender Entfernung von Elektronen und Protonen vom Mn-Komplex
etabliert. In einem zweiten experimentellen Ansatz konnten Prozesse im
Hundert-ns-Zeitbereich mit der Methode der Photoakustik beobachtet werden, die
auf der Detektion einer Druckwelle nach Anregung von PSII-Proben mit ns-
Laserpulsen basiert. Diese Prozesse mit Zeitkonstanten von ~350 ns bei 25 °C
gehen ET-Reaktionen am Mn-Komplex deutlich voraus und sind in der
Vergangenheit als energetische Relaxation des oxidierten YZox interpretiert
worden. Die photoakustischen Experimente zeigen, dass speziell bei Anregung
von PSII im S2-Zustand nukleare Umordnungen ausgelöst werden, die zu einer
Kontraktion von mindestens 30 Å3 führen. Im S3-Zustand fiel die ns-Kontraktion
fünfmal kleiner aus, in S0 und S1 war keine Volumenänderung in diesem ns-
Zeitbereich zu beobachten. Daher wird in der Schrift diskutiert, dass die
Bildung eines Intermediatzustands spezifischer atomarer Struktur das oxidierte
Tyrosin YZox durch energetische Relaxation stabilisiert und den Mn-Komplex auf
die folgende Entfernung des Protons und Elektrons vorbereitet.
de
dc.description.abstract
Water oxidation by cyanobacteria, algae, and plants is pivotal in oxygenic
photosynthesis, the process that powers life on earth. The catalytic site, a
manganese-calcium complex and its protein environment in photosystem II
(PSII), cycles through four semi-stable states (S0 to S3). Each turnover of
the reaction cycle of photosynthetic water oxidation requires the removal of 4
electrons and 4 protons from the Mn-complex. In time-resolved photothermal
beam deflection (PBD) experiments, it was possible to monitor the apparent
volume changes of the PSII protein that are associated with charge creation by
light-induced electron transfer (contraction) and charge-compensating proton
relocation (expansion). Two previously invisible proton removal steps were
detected, thereby filling two gaps in the basic reaction-cycle model of
photosynthetic water oxidation. In the S2→S3 transition of the classical
S-state cycle, an intermediate is formed by deprotonation clearly before
electron transfer to the oxidant (YZox). The rate-determining elementary step
(τ ≈ 35 µs at 20 °C) in the long-distance proton relocation toward the
protein-water interface is characterized by a high activation energy (Ea =
0.46 ± 0.05 eV), strong H/D kinetic isotope effect (KIE ≈ 5), and pronounced
pH dependence (τ of 20 µs at pH 7.0 vs τ of 60 µs at pH 5.5). The
characteristics of a proton transfer step detected in the S0→S1 transition are
similar (τ ≈ 100 µs at 20 °C, Ea = 0.34 ± 0.08 eV, KIE ≈ 3, τ5.5/τ7.0 ≈ 1.5);
however the proton removal from the Mn-complex proceeds after electron
transfer to YZox. By discovery of the transient formation of two further
intermediate states in the reaction cycle of photosynthetic water oxidation, a
temporal sequence of strictly alternating removal of electrons and protons
from the catalytic site is established. In a second experimental approach, it
was possible to monitor processes in the time domain of hundreds of
nanoseconds by a photoacoustic method involving pressure-wave detection after
excitation of PSII membrane particles by ns-laser flashes. Those processes
with time constants of ~350 ns at 25 °C precede charge transfer reactions of
the Mn complex clearly and have been assigned previously to energetic
relaxation of the oxidized tyrosine (YZox). Evaluation of photoacoustic
experiments shows that especially for excitation of PSII in the S2 state,
nuclear rearrangements are induced which amount to a contraction of PSII by at
least 30 Å3. In the S3 state, the 350-ns-contraction is about 5 times smaller
whereas in S0 and S1 no volume changes are detectable in this ns-time domain.
It is discussed that aside from stabilization of YZox by energetic relaxation
the formation of an intermediate state of specific (but still unknown) atomic
structure prepares the Mn-complex entity for the subsequent proton removal and
electron transfer.
en
dc.format.extent
VIII, 181 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
water oxidation
dc.subject
oxygenic photosynthesis
dc.subject
photothermal beam deflection
dc.subject
proton transfer
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
Wasseroxidation am Photosystem II der Pflanzen
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Holger Dau
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Joachim Heberle
dc.date.accepted
2012-10-17
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000040321-5
dc.title.subtitle
Photothermische Charakterisierung der lichtinitiierten Reaktionsschritte
dc.title.translated
Water oxidation by photosystem II from plants
en
dc.title.translatedsubtitle
Photothermal characterization of the light-initiated reaction steps
en
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000040321
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000012664
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access