Citation
Diller, A. (2007, September 18). Photo-CIDNP MAS NMR Studies on photosynthetic reaction centers. Retrieved from https://hdl.handle.net/1887/12365
Version: Corrected Publisher’s Version
License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of Leiden
Downloaded from: https://hdl.handle.net/1887/12365
Note: To cite this publication please use the final published version (if applicable).
Samenvatting 129
Samenvatting
Fotosynthese is het proces waarmee planten en fotosynthetische organ- ismen energie van de zon omzetten in chemische energie. De primaire reactie van fotosynthese is ladingsscheiding, die plaatsvindt in de fo- tosynthetische reactiecentra. Van alle fotosynthetische reactiecentra levert alleen fotosysteem II een redoxpotentiaal met voldoende ox- iderend vermogen om water te splitsen. Door deze eigenschap is het mogelijk om atmosferische zuurstof te produceren. Ondanks vele tien- tallen jaren onderzoek is de oorsprong van dat oxiderend vermogen nog niet bekend. Er is echter steeds meer bewijs dat dit niet gere- lateerd is aan een enkele evolutionaire gebeurtenis, zoals een enkele mutatie, maar het gevolg is van meerdere stapsgewijze processen.
Foto-CIDNP (Foto-Chemically Induced Dynamic Nuclear Polar- ization) blijkt een waardevolle techniek te zijn om informatie te ver- garen over de primaire stap van fotosynthese. Het foto-CIDNP-effect in vaste stof wordt veroorzaakt door fotochemische reacties die het nu- cleaire spinsysteem uit het Boltzmann-evenwicht brengen. Dit effect kan bestudeerd worden met behulp van vaste-stof-kernspinresonantie- methoden als een krachtige versterking van kernspinresonantie signaal- intensiteiten. Er zijn drie mechanismen bekend waarmee een netto nu- cleaire polarisatie in de vaste toestand tot stand gebracht kan worden:
TSM (Three Spin Mixing), DD (Differential Decay) en DR (Differen- tial relaxation).
Dit proefschrift bevat de resultaten van foto-CIDNP-onderzoeken aan verschillende fotosynthetische organismen en levert perspectieven voor het toepassen van foto-CIDNP. In Hoofdstuk 2 zijn de ex- perimenten beschreven die uitgevoerd werden met bacteri¨ele reac- tiecentra van de natuurlijke vorm van Rhodobacter sphaeroides en de caroteno¨ıdvrije mutant R-26. Waargenomen werd dat een kernspin- resonantie signaal na een foto-CIDNP-experiment tot 30 maal sneller herstelt dan te verwachten zou zijn op basis van de longitudinale relaxatietijd. Uit theoretische analyse blijkt dat de signalen sneller herstellen doordat er extra vervalkanalen zijn voor de nucleaire po- larisatie tijdens de fotocyclus van fotosynthetische reactiecentra met geblokkeerde quinonen. Deze kanalen worden geopend door dezelfde
processen die de netto polarisatie in foto-CIDNP veroorzaken. Co- herent mixen tussen de elektronspin en de kernspin toestanden als gevolg van pseudoseculaire hyperfijn-afhankelijkheid binnen de toe- stand van de radicaalparen zoals deze optreedt in de TSM- en DD- mechanismen, kan door een coherent vervalpad de nucleaire polarisatie versneld doen verdwijnen. De experimenten met R-26 reactiecentra, waarbij het optreden van een additioneel relaxatiemechanisme (DR) leidt tot een verdere netto nucleaire polarisatie, laten zien dat dankzij de nog snellere afname van de nucleaire polarisatie via dit extra ver- valpad, de opname snelheid met een factor vijf kan worden verhoogd.
In Hoofdstuk 3 worden13C-foto-CIDNP-gegevens van fotosyste- men PS I en PS II van planten met elkaar vergeleken om de elektron- donoren te bestuderen. In eerder onderzoek werd een asymmetrie in de elektronenspindichtheid van PS II waargenomen. Deze asymmetrie wordt verondersteld veroorzaakt te worden door een lokaal elektro- statisch veld. Dit veld trekt de lading van het elektron in de richting van het C-131 carbonyl en stabiliseert daarmee de grensorbitalen en verhoogt het oxiderend vermogen. De hier gepresenteerde gegevens geven een meer gedetailleerd beeld dat de eerdere veronderstelling bevestigt. Het maximum van de elektronspindichtheid wordt gevon- den op de ringen III en V. Daarnaast wordt elektronspindichtheid waargenomen op zijketens van aromatische aminozuren of caroteen.
De vergelijking tussen fotosysteem I en fotosysteem II laat zien dat de elektronische structuur van het radicale kation P680 Chl a op een cofactor met sterke matrixinteractie wijst, terwijl het radicale kation van P700, de elektron donor van fotosysteem I, een Chla blijkt te zijn die in essentie niet verstoord is.
In Hoofdstuk 4 worden foto-CIDNP-studies van fotosysteem I en fotosysteem II van uniform15N-verrijkte spinazie besproken. De inter- pretatie van15N foto-CIDNP MAS-kernspinresonantie van isotoopver- rijkte reactiecentra is eenvoudiger dan van de13C signaalpatronen van onverrijkte reactiecentra, zoals in hoofdstuk 3 beschreven, omdat elk
15N-signaal gemakkelijk gekoppeld kan worden aan ´e´en van de vier pyrrool-subunits. De resultaten tonen aan dat de dichtheidsverdeling van de elektronspin in fotosysteem I, afgezien van de bekende explicie- te delocalisatie over 2 Chl-moleculen, geen verstoring laat zien, ter- wijl de dichtheidsverdeling van de elektronspin in fotosysteem II in
Samenvatting 131
de geoxideerde radicaaltoestand een sterke asymmetrie laat zien in de richting van de pyrroolring IV. Dit komt overeen met de sterke asymmetrie van de elektronspindichtheid die gedetecteerd werd met behulp van 13C foto-CIDNP MAS-kernspinresonantie (zie hoofdstuk 3), waarbij een maximale elektronspindichtheid aangetoond werd in de aangrenzende C-15 methinekoolstof. Op basis van de chemische overgangen en een analyse van de kristalstructuur van fotosysteem II, kan de elektronspindichtheid waargenomen op zijketens van aroma- tische aminozuren in Hoofdstuk 3, hier waarschijnlijk toegeschreven worden aan de axiale histidine van de fotosysteem II-donor. Op ba- sis van deze waarnemingen werd een ’scharniermodel’ voor de donor van fotosysteem II ontwikkeld waarmee de inversie van de elektron- spindichtheid verklaard werd op basis van een kanteling van de axiale histidine in de richting van pyrroolring IV met een π-π overlap van beide aromatische systemen tot gevolg.
Hoofdstuk 5 beschrijft foto-CIDNP-experimenten aan selectief isotoopverrijkte, ge¨ısoleerde reactiecentra zowel als membraangebon- den reactiecentra van de natuurlijke vorm van de Rhodobacter sphae- roides. Door te verrijken met een isotoop wordt de kernspinresonantie- gevoeligheid en selectiviteit nog verder verhoogd. Selectieve isotoop- verrijking heeft het opmerkelijke gevolg dat het foto-CIDNP effect grotendeels van teken omkeert bij membraangebonden reactiecentra terwijl dit niet het geval is bij ge¨ısoleerde reactiecentra. Er wordt aangetoond dat deze teken-omkering waarschijnlijk niet het gevolg is van ori¨entatie-effecten veroorzaakt door centrifugale krachten of het magnetisch veld. De oorzaak ligt vermoedelijk in interactie met an- dere membraan componenten, die verwijderd zijn tijdens de isolatie van de reactiecentra. Doordat de donorsignalen en acceptorsignalen spectroscopisch van elkaar te onderscheiden zijn, kan foto-CIDNP in de toekomst mogelijk een waardevolle bijdrage leveren aan het instru- mentarium dat we kunnen gebruiken voor spectral editing.
In Hoofdstuk 6 worden de conclusies van het onderzoek in dit proefschrift samengevat en worden aanbevelingen gegeven voor vervolg onderzoek aan de donor van fotosysteem II en photo-CIDNP.
