Advanced

The Oxygen Evolving cycle in Photosystem II studied with EPR Spectroscopy at different pH and Temperature

Morvaridi, Susan F LU (2005)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Fotosyntesen är nödvändig för vårt liv på jordklotet. Fotosyntes utförs huvudsakligen av gröna växter och dessutom av vissa bakterier. Dessa organismer absorberar energin i solljuset och omvandlar den till kemisk energi i form av till exempel kolhydrater och fett som vi människor och djur sedan kan förbränna och utvinna energi ifrån. Fotosyntesen utförs av ett flertal proteinkomplex eller enzymer som alla har var sin uppgift i processen att med hjälp av energin i solljus omvandla vatten och koldioxid till komplicerade organiska molekyler och syrgas. Syrgasen är nödvändig för att vi ska kunna andas och förbränna vår mat. En annan viktigt funktion som syrgasen har för livet på jorden är i ozon... (More)
Popular Abstract in Swedish

Fotosyntesen är nödvändig för vårt liv på jordklotet. Fotosyntes utförs huvudsakligen av gröna växter och dessutom av vissa bakterier. Dessa organismer absorberar energin i solljuset och omvandlar den till kemisk energi i form av till exempel kolhydrater och fett som vi människor och djur sedan kan förbränna och utvinna energi ifrån. Fotosyntesen utförs av ett flertal proteinkomplex eller enzymer som alla har var sin uppgift i processen att med hjälp av energin i solljus omvandla vatten och koldioxid till komplicerade organiska molekyler och syrgas. Syrgasen är nödvändig för att vi ska kunna andas och förbränna vår mat. En annan viktigt funktion som syrgasen har för livet på jorden är i ozon skiktet, som absorberar farlig ultra violet strålning från solen och därmed skyddar oss, växterna, djuren och alla andra organismer på jorden.Vi forskare vill försöka förstå hur fotosyntesen går till i stor detalj - på det molekylära planet - för att sedan kunna tillämpa kunskapen på en mängd olika sätt, inom allt från energiförsörjning till jord och skogsbruk.



En av de absolut viktigaste komponenterna i fotosyntesen är proteinkomplexet Fotosystem II (förkortas ofta PSII) som binder och oxiderar vatten molekylen till syrgas med hjälp av energi från solljuset. PSII innehåller, förutom flera olika protein, också fyra mangan joner som bildar ett kluster som kallas Mn-C, en calcium-jon och en eller flera kloridjoner, två redox aktiva tyrosin amino syror som kallas YZ och YD, reactions centret P680 som består av två klorofyll molekyler, två pheophytin molekyler, en järn-jon och kinoner. MnC ochYz bildar det aktiva sätet där vattnen molekylerna binds in och där syrgas molekylen bildas. Sol energin absorberas först i en antenn som består av flera tio tal klorofyll molekyler och skickas sedan till P680. Excitation av P680 leder till laddnings separation, kinon reduceras och ett ?elektron hål? uppstår i P680+ som sedan fylls med elektroner från Mn-C som i sin tur tar dem från vatten molekylen. Efter 4 sådana reaktioner bildas en molekyl syrgas. Vi vet att detta sker, men vi vet inte hur reaktions mekanismen för vatten oxidation och syrgas bildning ser ut i detalj.



I min avhandling har jag studerat hur pH och temperatur påverkar PSII, särskilt då Mn4Ca och YZs funktion. Man visste sedan tidigare att PSII fungerar sämre vid extremt pH och onormala temperaturer, men man visste inte exakt hur det gick till eller vilken/vilka komponenter i PSII som drabbades. För att kunna följa vad som händer i PSII använder vi elektronparamagnetisk resonans (EPR) - en teknik som gör det möjligt att studera redox reaktioner på elektron-nivå. Genom att excitera PSII med laserblixtar istället för solljus, och genom att använda en särskild nedkylningsteknik kan vi frysa fem olika oxidationstillstånd hos mangan-klustret Mn4Ca-C som kallas för S0-, S1-, S2-, S3- och S4- tillstånden som vi sedan kan studera med EPR.



Det visade sig att båda i alkaliskt och sur pH Mn4Ca cluster function nersattes kraftigt runt pK 4.5 och pK8. Detta är på ground av Mn4Ca-C oxidation Si-state övergång blockeras med dessa pK värdena.



Efter flera laserblixtar ser man ofta att en del Mn4Ca-C i provet missar något S-tillstånd och så småningom blir därför hela reaktionen mer och mer osynkroniserad. Här visade sig temperaturen vara viktig; färre missar uppstod vid 2-10 ?C jämfört med vid högre temperatur och om missar ändå uppstod skedde det huvudsakligen vid övergång från S2 tillS3 och från S3 till S0 - det vill säga vid högre oxidation tillstånds hos Mn4Ca-C. Sammantaget drar vi slutsatsen att pH och temperatur påverkar PSIIs funktion redan vid det redox-aktiva mangan-klustret. (Less)
Abstract
PSII catalyses the light-induced water splitting process which leads to electron transfer through the thylakoid membrane and formation of energy rich molecules. Several redox components including a Mn4Ca, an amino acid residueYZ, two special Chl molecules P680, two Pheo and two quinone molecules participate in this process. Another component of PSII which interacts magnetically with Mn4Ca is D2-Tyr161 and is positioned symmetrically with YZ to P680+. The active site of this enzyme is the Mn4Ca cluster where two substrate water molecules bind/ oxidize, and an O2 is released. The Mn4Ca cluster oscillates through 5 semi-stable intermediate oxidation states (Si, i = 0-4), where the S1 state is the most dark-stable state and the S4 state is a... (More)
PSII catalyses the light-induced water splitting process which leads to electron transfer through the thylakoid membrane and formation of energy rich molecules. Several redox components including a Mn4Ca, an amino acid residueYZ, two special Chl molecules P680, two Pheo and two quinone molecules participate in this process. Another component of PSII which interacts magnetically with Mn4Ca is D2-Tyr161 and is positioned symmetrically with YZ to P680+. The active site of this enzyme is the Mn4Ca cluster where two substrate water molecules bind/ oxidize, and an O2 is released. The Mn4Ca cluster oscillates through 5 semi-stable intermediate oxidation states (Si, i = 0-4), where the S1 state is the most dark-stable state and the S4 state is a transient state, where O2 is released.



The EPR, laser flash and low temperature freezing techniques have been used to study the properties of semi-stable states of the Mn4Ca cluster at different pH and temperatures under experimental conditions.



The flash-induced Si state turnover at different pHs revealed transition inhibition at extreme pH. The inhibition pKs in the acidic region are 4.0, 4.5 and 4.7 for S2/S3, S3/S0 and S0/S1 respectively. The inhibition pKs at alkaline pH are 9.4 and 8.0 for S2/S3 and S3/S0 respectively. The S0/S1 and S1/S2 transition are open at alkaline and both acidic and alkaline pH respectively. We suggest the inhibition pKs at acidic pH are due to: (1) protonation of carboxylic residues ligand to the Mn4Ca cluster and function at the proton transfer pathway from active site to the lumen; (2) increasing of YZ/YZox redox potential close to P680 by lowering pH where P680+ is no longer able to oxidize Yz.



The inhibition of Si state turnover at alkaline pH is suggested to be due to reduction of the YZ/Yzox couple redox potential close to S3/S2 thereby unable to oxidize S2 state. This shift the equilibrium S3YZ ? S2YZ? to the right, radical split signal at high pH induced. The signal intensity increased with increasing pH to a maximum value around pH 8.5-8.9. A single pK was determined to be around 8.5. We suggest this proton originates from the His-YZ moiety and the YZ radical is trapped at high pH due to proton deficiency and lowering of Yz/YZox reduction potential.



The oscillation of Si state of the Mn4Ca cluster at different temperatures at pH 6 revealed two types of miss: (1) real misses which have mechanistic origin are where no charge separation occurs upon the applied flash of light; (2) apparent misses, where a flash-induced charge-separated state of the reaction centre is lost due to recombination reactions at higher temperature. At optimal temperature, where the apparent misses are close to zero the misses are very Si state-dependent and they only originate from higher Si states. This is consistent with the higher activation energy of the Si state turnover at the higher oxidation state of the Mn4Ca.



The YD residue is known to interact magnetically with the Mn4Ca at cryogenic temperature. We utilized the relaxation property of the YD radical at the S1 and S2 state to study S2 state decay kinetics after flash-induced S2 state formation at room temperature. The decay kinetics were found to be biphasic in the presence of both PpBQ and DCMU. The half- life time with PpBQ was about 0.7 s (10-15% of total amplitude) and 4 minutes (85-90%) and in the presence of DCMU was about 0.23 s (about 30%) and 1.8 s (70%). (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Messinger, Johannes, Max-planck-Institut Fur Bioanorganische Chemie, Mulheim, Germany
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Kemi, Chemistry, Naturvetenskap, Temperature, Natural science, pH, EPR, S cycle, Photosystem II
pages
120 pages
publisher
Biochemistry Department Lund University P.O. Box 124 SE-22100 Lund Sweden
defense location
Lund University, Chemical center,Sal B Solvegatan, Lund
defense date
2005-12-21 13:15
ISBN
91 - 7422 - 093 - 4
language
English
LU publication?
yes
id
0cdcc1ca-2f7b-457f-aa2d-aedf353d4f74 (old id 545952)
date added to LUP
2007-10-13 12:47:02
date last changed
2016-09-19 08:45:12
@misc{0cdcc1ca-2f7b-457f-aa2d-aedf353d4f74,
  abstract     = {PSII catalyses the light-induced water splitting process which leads to electron transfer through the thylakoid membrane and formation of energy rich molecules. Several redox components including a Mn4Ca, an amino acid residueYZ, two special Chl molecules P680, two Pheo and two quinone molecules participate in this process. Another component of PSII which interacts magnetically with Mn4Ca is D2-Tyr161 and is positioned symmetrically with YZ to P680+. The active site of this enzyme is the Mn4Ca cluster where two substrate water molecules bind/ oxidize, and an O2 is released. The Mn4Ca cluster oscillates through 5 semi-stable intermediate oxidation states (Si, i = 0-4), where the S1 state is the most dark-stable state and the S4 state is a transient state, where O2 is released.<br/><br>
<br/><br>
The EPR, laser flash and low temperature freezing techniques have been used to study the properties of semi-stable states of the Mn4Ca cluster at different pH and temperatures under experimental conditions.<br/><br>
<br/><br>
The flash-induced Si state turnover at different pHs revealed transition inhibition at extreme pH. The inhibition pKs in the acidic region are 4.0, 4.5 and 4.7 for S2/S3, S3/S0 and S0/S1 respectively. The inhibition pKs at alkaline pH are 9.4 and 8.0 for S2/S3 and S3/S0 respectively. The S0/S1 and S1/S2 transition are open at alkaline and both acidic and alkaline pH respectively. We suggest the inhibition pKs at acidic pH are due to: (1) protonation of carboxylic residues ligand to the Mn4Ca cluster and function at the proton transfer pathway from active site to the lumen; (2) increasing of YZ/YZox redox potential close to P680 by lowering pH where P680+ is no longer able to oxidize Yz.<br/><br>
<br/><br>
The inhibition of Si state turnover at alkaline pH is suggested to be due to reduction of the YZ/Yzox couple redox potential close to S3/S2 thereby unable to oxidize S2 state. This shift the equilibrium S3YZ ? S2YZ? to the right, radical split signal at high pH induced. The signal intensity increased with increasing pH to a maximum value around pH 8.5-8.9. A single pK was determined to be around 8.5. We suggest this proton originates from the His-YZ moiety and the YZ radical is trapped at high pH due to proton deficiency and lowering of Yz/YZox reduction potential.<br/><br>
<br/><br>
The oscillation of Si state of the Mn4Ca cluster at different temperatures at pH 6 revealed two types of miss: (1) real misses which have mechanistic origin are where no charge separation occurs upon the applied flash of light; (2) apparent misses, where a flash-induced charge-separated state of the reaction centre is lost due to recombination reactions at higher temperature. At optimal temperature, where the apparent misses are close to zero the misses are very Si state-dependent and they only originate from higher Si states. This is consistent with the higher activation energy of the Si state turnover at the higher oxidation state of the Mn4Ca.<br/><br>
<br/><br>
The YD residue is known to interact magnetically with the Mn4Ca at cryogenic temperature. We utilized the relaxation property of the YD radical at the S1 and S2 state to study S2 state decay kinetics after flash-induced S2 state formation at room temperature. The decay kinetics were found to be biphasic in the presence of both PpBQ and DCMU. The half- life time with PpBQ was about 0.7 s (10-15% of total amplitude) and 4 minutes (85-90%) and in the presence of DCMU was about 0.23 s (about 30%) and 1.8 s (70%).},
  author       = {Morvaridi, Susan F},
  isbn         = {91 - 7422 - 093 - 4},
  keyword      = {Kemi,Chemistry,Naturvetenskap,Temperature,Natural science,pH,EPR,S cycle,Photosystem II},
  language     = {eng},
  pages        = {120},
  publisher    = {ARRAY(0x8c0a040)},
  title        = {The Oxygen Evolving cycle in Photosystem II studied with EPR Spectroscopy at different pH and Temperature},
  year         = {2005},
}