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
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Zusammenfassung
Photosynthese ist eine der wichtigsten chemischen Reaktionen f¨ur ir- disches Leben. Bei diesem Prozess wandeln Pflanzen und photosyn- thetische Organismen Sonnenenergie in chemische Energie um. Der Prim¨arprozess in der Photosynthese, die Ladungstrennung, findet in den photosynthetischen Reaktionszentren statt. Von allen photosyn- tethischen Reaktionszentren hat nur das Photosystem II ein so ho- hes Redoxpotential, dass die Oxidation von Wasser erm¨oglicht wird.
Durch diese F¨ahigkeit wird die Produktion von atmosph¨arischem Sau- erstoff erm¨oglicht. Trotz jahrelanger Forschung ist der Ursprung des hohen Redoxpotentials vom Photosystem II noch nicht aufgedeckt.
Es deutet allerdings immer mehr darauf hin, dass nicht ein einzelnes Ereignis im Laufe der Evolution, sondern mehrere schrittweise Ver-
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anderungen die Ursache f¨ur das Zustandekommen des hohen Redox- potentials sind.
F¨ur die Untersuchung des Prim¨arprozesses der Photosynthese hat sich photo-CIDNP (Photochemisch induzierte dynamische Kernpo- larisation) als eine sehr wertvolle Technik erwiesen. Im Festk¨orper wird der photo-CIDNP-Effekt durch photochemische Reaktionen ver- ursacht, die das Kernspin-System aus dem Boltzmanngleichgewicht bringen. Der Effekt kann durch Festk¨orper-NMR-Methoden als enor- me Ver¨anderung der Kernspinresonanz-Signale wahrgenommen wer- den. Es sind drei Mechanismen bekannt, mit denen nukleare Netto- polarisation zustande gebracht werden kann: TSM (Three Spin Mix- ing), DD (Differential Decay) und DR (Differential relaxation).
Diese Doktorarbeit enth¨alt die Ergebnisse von photo-CIDNP-Un- tersuchungen an verschiedenen photosynthetischen Organismen und diskutiert Perspektiven f¨ur die Anwendung von photo-CIDNP. Das Hauptziel liegt darin, Ursachen f¨ur das hohe Redoxpotential von Pho- tosystem II zu finden. In Kapitel 2 sind Experimente beschrieben, die am bakteriellen Reaktionszentrum von Rhodobacter sphaeroides (Wildtyp) durchgef¨uhrt wurden und an der carotenoid-freien Mutante R-26 dieses Bakteriums. Die Experimente haben gezeigt, dass das NMR-Signal nach einem photo-CIDNP-Experiment 30 mal schneller wiedergeherstellt wird als man von der longitudinalen Relaxations-
zeit annehmen w¨urde. Theoretische Analysen ergeben als Ursache der schnelleren Wiederherstellung, dass w¨ahrend des Photozyklus von quinone-freien oder quinone-reduzierten Reaktionszentren zus¨atzliche Verfallskan¨ale f¨ur die Kernspinpolarisation zur Verf¨ugung stehen. Die- se Kan¨ale werden durch die gleichen Prozesse ge¨offnet, die auch die nukleare Nettopolarisation von photo-CIDNP verursachen. Koh¨aren- tes Mischen von den Elektronen- und Kernspinzust¨anden des Radikal- paarzustands aufgrund der pseudosekul¨aren Hyperfeinwechselwirkung (wie im TSM- und DD-Mechanismus) liefert so einen Verfallskanal der Kernpolarisation. Die Experimente an Reaktionszentren der carote- noid-freien Mutante R-26, bei der zus¨atzlich DR nukleare Nettopo- larisation verursacht, liefert einen weiteren Verfallskanal, was eine f¨unffach schnellere Signalaufzeichnung erm¨oglicht.
Im Kapitel 3 sind 13C-photo-CIDNP-Daten beschrieben, um die Elektronendonoren von den Photosystemen PS I und PS II von Pflan- zen miteinander zu vergleichen. In einer ersten Untersuchung wurde bereits festgestellt, dass PS II eine Asymmetrie in der Elektronenspin- dichte-Verteilung zeigt. Als Ursprung der Asymmtrie wurde ein lokales elektrostatisches Feld angenommen, wodurch elektrische Ladung zum C-131-carbonyl gezogen wird, die die Grenzorbitale stabilisiert und somit das Oxidationsverm¨ogen erh¨oht. Die hier vorliegenden Daten geben ein genaueres Bild, das die fr¨uhere Annahme best¨atigt. Das Maximum der Elektronenspindichte befindet sich an den Ringen III and V. Zus¨atzlich wird die Elektronenspindichte von aromatischen Aminos¨aurenseitenketten oder Carotenoidmolek¨ulen beobachtet. Der Vergleich zwischen PS I und PS II ergibt, dass die elektronische Struk- tur des P680-Radikals ein Chl a Kofaktor mit starker Matrixinter- aktion ist, wohingegen das Radikal-Kation von P700, dem Elektron- donor von PS I, ein Chl a ist, das keine St¨orung aufzeigt.
Kapitel 4 beschreibt photo-CIDNP-Untersuchungen an Photosy- stem I und Photosystem II von einheitlich mit 15N-Isotopen-markier- tem Spinat. Die Analyse von 15N photo-CIDNP-MAS-Kernspinreso- nanz-Daten von isotop-markierten Reaktionszentren ist unkomplizier- ter, verglichen mit den13C-Spektren von unmarkierten Reaktionszen- tren, wie in Kapitel 3 beschrieben. Dies ist darauf zur¨uckzuf¨uhren, dass jedes15N-Signal problemlos einem der vier Pyrrol-Untereinheiten zugeordnet werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass die Elektronspin-
dichte-Verteilung in Photosystem I, abgesehen davon, dass sie ¨uber 2 Chl molek¨ule verteilt ist, keine St¨orung aufzeigt, w¨ahrend das Muster der Elektronenspindichte-Verteilung in PS II eine starke Asymmetrie der Elektronspindichte in Richtung des Pyrrolrings IV im oxidierten Radikalpaarzustand zeigt. Dies stimmt mit den 13C-photo-CIDNP- MAS-NMR-Daten in Kapitel 3 ¨uberein, die ebenso eine starke Asym- metrie der Elektronenspindichte-Verteilung zeigen, mit einer maxi- malen Elektronenspindichte bei dem benachbarten C-15-Methinkoh- lenstoff. Basierend auf den chemischen Verschiebungen und der Ana- lyse der Kristallstruktur von PS II, kann die in Kapitel 3 erw¨ahnte ge- fundenene Elektronenspindichte von aromatischen Aminos¨aurenseiten- ketten, hier dem axialen Histidin des PS II Donors zugeschrieben wer- den. Basierend auf diesen Untersuchungen wird ein ’Scharniermodell’
f¨ur den Donor von PS II vorgeschlagen, das die Verschiebung der Elek- tronenspindichte erkl¨art. Die Biegung des axialen Histidines in Rich- tung des Pyrrolrings IV verursacht somit eine π-π ¨Uberlagerung der beiden aromatischen Systeme.
Kapitel 5 beschreibt photo-CIDNP-Experimente an selektiv iso- topen-markierten aufgereinigten Reaktionszentren, sowie Experimente an membrangebundenen Rekationszentren des Bakteriums Rhodobac- ter sphaeroides(Wildtyp). Durch die Isotopen-Markierung wird die Kernspinresonanz-Sensitivit¨at und -Selektivit¨at nochmals verst¨arkt.
Photo-CIDNP-Experimente an selektiv isotopen-markierten aufgere- inigten Reaktionszentren zeigen keinen Einfluss auf das Vorzeichen des photo-CIDNP-Effekts, wohingegen bei membrangebundenen Reaktion- szentren sich aufgrund der Isotopen Markierung das Vorzeichen des photo-CIDNP-Effekts umkehrt und aborptive (positive) Donorsignale sichtbar werden. Die vorliegenden Daten schliessen aus, dass der Vorzeichenwechsel, die in isotopen-markierten Chromatophoren beo- bachtet wurde, durch zentrifugale Orientierung oder Magnetfeldori- entierung hervorgerufen wird. Vielmehr deuten die Daten darauf hin, dass umliegende Proteine und Membranen den Effekt hervorrufen. Da sich der Vorzeichenwechsel nur bei Signalen vom Donor findet, wird die Analogie mit dem DR-Mechanismus besprochen, der in Reaktionszen- tren der R-26 Mutante Rb. sphaeroides R-26 vorkommt. Die spek- troskopische Unterscheidung von Donor und Akzeptorsignalen kann dazu beitragen, dass photo-CIDNP sich zu einem wertvollen Instru-
mentarium f¨ur spektrales Editing entwickelt.
In Kapitel 6 sind die Untersuchungsergebnisse zusammengefasst.
Ferner werden M¨oglichkeigen f¨ur weiterf¨uhrende Forschungen am Do- nor von Photosystem II sowie Anwendungen der photo-CIDNP aufge- zeigt.
