Photosynthetic Oxygen Evolution - EPR studies of the manganese cluster of photosystem II

Abstract

In this thesis, a new electron paramagnetic resonance (EPR) signal from photosystem II is presented. The signal is shown to originate from the S0 oxidation state of the oxygen-evolving complex (OEC). It is a Mn-derived signal displaying clear hyperfine structure, centered at g=2, and is significantly broader than the well-known multiline signal from the S2 state, indicating the presence of MnII in the S0 state. A few percent of methanol in the sample buffer are required in order to observe the S0 EPR signal. The effects of this solvent on the OEC poised in the S0 and S2 states were explored further, and it was found that the ground state multiline signals from these states are enhanced in a similar way by the presence of methanol. Together with previous reports on the effect of methanol on various S-states, this indicates that the action of methanol is to enhance the exchange couplings within the Mn cluster, increasing the energy gap between the ground state and the first excited state of the system. The temperature dependence of the S0 signal showed that it arises from a ground state with S=1/2, with no thermally accessible excited states, while the S2 multiline signal has a lower lying excited state. The microwave power saturation of the two signals was also recorded as a function of temperature, and found to differ significantly. The relaxation behavior of the two signals combined with the temperature dependence of the nonsaturated signal amplitudes is interpreted in terms of different spin-lattice relaxation mechanisms, and it is suggested that both signals relax via a Raman mechanism. New results are also presented from the S2 state as it reappears on the second oxygen-evolving cycle after dark-adaptation. Magnetic differences were found between the S2 state from the second-cycle and first-cycle samples. This difference between the first and second turn-over was found to have effects in the S0 and S1 states as well, and the phenomenon was interpreted as a tuning of the magnetic couplings within the OEC through the first few enzymatic cycles after dark-adaptation, optimizing it for continuous water splitting. Furthermore, field swept electron spin echo (ESE) spectra from samples poised in all the different S-states, covering more than one full S-cycle, are presented. The pulsed data also represent a change of the Mn cluster over the first S-cycle that is not reversed upon the rereduction of the OEC, corroborating the notion of a light-adaptation of the OEC.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Fotosyntesen är den mest grundläggande förutsättningen för människans överlevnad. Genom att absorbera solenergi och omvandla den till kemiskt bunden energi i form av energirika organiska molekyler, står fotosyntesen för nästan all tillförsel av energi till vårt ekosystem. Energin utnyttjas som mat, till oss och till djuren vi beror av, och som bränsle, fossilt eller färskt. Som en biprodukt av denna fantastiska process produceras syrgas. De fotosyntetiserande växterna är vår enda källa till syrgas, och även detta är avgörande för vår överlevnad. Om jordens gröna växter inte omvandlade solenergi till kemisk energi, skulle vi inte existera. På två viktiga sätt är vi alltså beroende av växterna. Det omvända förhållandet gäller inte. Växterna var här långt före oss, och om vi dör ut kommer de att leva vidare. Att uppnå förståelse av en process som vi så fullständigt beror av är såklart av hög relevans. Förutom den allmänna nyfikenhet som driver forskningen framåt och vidgar den mänskliga kunskapsbanken, kan man identifiera två viktiga mål för fotosyntesforskning. Det ena målet är att förstå hur växterna fungerar, så att vi kan förstå problemen när jordens stora skogar dör, och kunna hejda det. Det andra målet är att när vi förstår hur växterna gör för att fånga energi med hjälp av bara sol och vatten, kanske vi kan härma det. Kemiska celler kapabla av högeffektiv energiupptagning, med vatten som utgångsmaterial för bränsleproduktion, vore lösningen på många problem. I tider av försurning och avskogning och andra negativa effekter av bristande respekt för jorden och de stora ekosystemen, i kombination med en snabbt ökande befolkning, är de här målen högst relevanta.



Fotosyntesforskning



De fotosyntetiska processerna är i stora drag kända. På molekylär och atomär nivå råder däremot mindre säkerhet. Fotosyntesen består av ett stort antal molekylära mekanismer, och flera av dessa är mycket komplexa. En viktig mekanism som ännu inte är helt klarlagd är oxidationen av vatten som leder till syrgasutveckling. Denna process utspelar sig i "the oxygen-evolving complex", OEC, som ingår i enzymet fotosystem II, PSII. Funktionen och strukturen av OEC kan studeras med hjälp av spektroskopi. När man gör ett spekrtoskopiskt experiment utsätter man sitt prov för elektromagnetisk strålning av olika våglängder. Proven som studerats i det här arbetet innehåller PSII-enzymer, framrenade ur spenatblad. Provet absorberar elektromagnetisk strålning av vissa våglängder, och strålningen som absorberats ger upphov till en spektroskopisk signal, som innehåller information om provet. Det finns ett stort antal spektroskopiska metoder, som alla extraherar olika sorts information ur ett prov. I den här studien har EPR-spektroskopi använts för att studera fotosyntetisk syrgasutveckling. Det är en metod som ger information om radikaler och övergångsmetaller, vilka ofta finns i enzymers aktiva säten.



Syftet med denna avhandling



Syftet med arbetet som presenterats här var att undersöka fotosyntetisk vattenoxidation på en molekylär och atomär nivå, genom att studera de magnetiska egenskaperna i hela vattenspjälkningscykeln. Jag har arbetat med PSII-prover frusna i de olika semistabila intermediärerna i vattenspjälkningscykeln, och studerat de magnetiska egenskaperna hos dessa intermediärer. Jag presenterar här en ny EPR-signal från OEC, och en noggrann karakterisering av OEC som bygger på denna signal. Jag har upptäkt viktiga skillnader mellan de olika intermediärerna, beträffande spinntillstånd, oxidationstillstånd och magnetiska relaxationsegenskaper. Det är min förhoppning att informationen som blottlagts i denna avhandling kommer att bidra till den fullständiga förståelsen av de livgivande processerna fotosyntes och syrgasutveckling.

• author: Peterson Årsköld, Sindra
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Brudvig, Gary W., Yale University, New Haven, USA.
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: S2 state, second cycle, Biochemistry, Metabolism, Biokemi, metabolism, S0 state, light-adaptation, pulsed EPR, methanol, relaxation, microwave power saturation, S-cycle, Oxygen-evolving complex, Water-oxidizing complex
• pages: 108 pages
• defense location: Nils Alwalls rum, Ideon gamma, Sölveg. 41, Lund.
• defense date: 2000-10-26 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNKDL/(NKBK-1067)/1-108/2000
• ISBN: 91-7874-057-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Åhrling, K. A., Peterson, S., and Styring, S. An Oscillating Manganese Electron Paramagnetic Resonance Signal from the S0 State of the Oxygen Evolving Complex in Photosystem II, accelerated publication, Biochemistry 1997, 36, pages 13148-13152. Article: Deák, Z., Peterson, S., Geijer, P., Åhrling, K. A., and Styring, S. Effects of Methanol on the EPR Signals from the S0 and S2 States of the Water-Oxidizing Complex of PSII, Biochimica et Biophysica Acta 1999, 1412, pages 240-249. Article: Åhrling, K. A., Peterson, S., and Styring, S. The S0 EPR Signal from the Mn cluster in Photosystem II Arises from an Isolated S=1/2 Ground State, Biochemistry 1998, 37, pages 8115-8120. Article: Peterson, S., Åhrling, K. A., and Styring, S. The EPR Signals from the S0 and S2 States of the Mn cluster in Photosystem II Relax Differently, Biochemistry 1999, 38, pages 15223-15230.
• id: c5e99c5b-9446-4bd7-8429-107905b85b64 (old id 40931)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:12:20
• date last changed: 2018-11-21 20:57:26