The mechanism of the regulation of energy distribution between photosystems 1 and 2 in the cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7002 /

Cyanobacteria are able to regulate the distribution of absorbed light energy between photo systems 1 and 2 in response to light conditions. The mechanism of this regulation (the state transition) was investigated in the marine cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7002. Three cell types were used: the wild type, psaL mutant (deletion of a photo system 1 subunit thought to be involved in photo system 1 trimerization) and the apcD mutant (a deletion of a phycobilisome subunit thought to be responsible for energy transfer to photo system 1). Evidence from 77K fluorescence emission spectroscopy, room temperature fluorescence and absorption cross-section measurements were used to determine a model of energy distribution from the phycobilisome and chlorophyll antennas in state 1 and state 2. The data confirm that in state 1 the phycobilisome is primarily attached to PS2. In state 2, a portion of the phycobilisome absorbed light energy is redistributed to photo system 1. This energy is directly transferred to photo system 1 by one of the phycobilisome terminal emitters, the product of the apcD gene, rather than via the photo system 2 chlorophyll antenna by spillover (energy transfer between the photo system 2 and photo system 1 chlorophyll antenna). The data also show that energy absorbed by the photo system 2 chlorophyll antenna is redistributed to photo system 1 in state 2. This could occur in one of two ways; by spillover or in a way analogous to higher plants where a segment of the chlorophyll antenna is dissociated from photo system 2 and becomes part of the photo system 1 antenna. The presence of energy transfer between neighbouring photo system 2 antennae was determined at both the phycobilisome and chlorophyll level, in states 1 and 2. Increases in antenna absorption cross-section with increasing reaction center closure showed that there is energy transfer (connectivity) between photosystem 2 antennas. No significant difference was shown in the amount of connectivity under these four conditions.

Biomimetisches Modell eines Photosystems aus dem pflanzlichen Photosyntheseapparat

In dieser Arbeit wurde ein biomimetisches Modell für ein pflanzliches Photosystem bestehend aus dem rekombinanten Hauptlichtsammlerkomplex (LHCII) als Absorptions- und Energietransfereinheit und einem N-terminal an das Protein gebundenen Farbstoff als Energieakzeptor hergestellt. Mehrere LHCII-Farbstoff-Konstrukte wurden getestet, die höchste Energietransfereffizienz von komplexgebundenem Chlorophyll-a zum Energieakzeptor konnte an einem LHCII-Benzoylterrylendicarboximid-Konstrukt gemessen werden. Bei Raumtemperatur wurde hier 70% der Chlorophyll-a-Anregungsenergie auf den Farbstoff übertragen, bei 77 K sogar 85%. LHCII-Farbstoffkonstrukte können helfen, strukturelle und funktionelle Eigenschaften des LHCII näher zu beleuchten. So konnte bereits in dieser Arbeit gezeigt werden, daß der N-Terminus des Komplexes im zeitlichen Mittel in eine größere Annäherung zum pigmentierten Teil des LHCII kommen muß, sonst sind Energietransfereffizienzen obiger Größenordnung nicht möglich. Weitere Erkenntnisse werden von einzelmolekülspektroskopischen Untersuchungen erwartet. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine orientierte Immobilisierung des LHCII auf einer Glasoberfläche. Es gelang, den Komplex über eine auf molekularer Ebene eingeführte Aminosäuresequenz aus sechs Histidinen an die Nickelchelatgruppe einer auf Glas immobilisierten Meerrettich-Peroxidase zu binden. Einzelmolekülspektroskopisch konnte eine LHCII-Immobilisation senkrecht zur Proteinsymmetrieachse nachgewiesen werden. Mittelfristig wird angestrebt, LHCII-Farbstoffkonstrukte auch für photovoltaische Anwendungen nutzbar zu machen. Ein erster Meilenstein wurde in dieser Arbeit erreicht, indem es gelang, LHCII an Titandioxid, Halbleiter der sog. Grätzelzelle, zu binden.

Bedeutung N- und C-terminaler Aminosäuren für die Monomer- und Dimerbildung von Lichtsammelproteinen des Photosystems I

Der LHCI-730 ist ein heterodimerer, Chlorophyll a/b-bindender Lichtsammelkomplex (LHC) des Photosystem I in höheren Pflanzen. Mit Hilfe rekombinanter, modifizierter Proteine wurde untersucht, welche terminalen Bereiche der Untereinheiten Lhca1 und Lhca4 für die Bildung von monomeren und dimeren Lichtsammelproteinen relevant sind. Durch PCR-Mutagenese modifizierte Apoproteine wurden in vitro mit Gesamtpigmentextrakt rekonstituiert und auf ihre Fähigkeit mono- bzw. dimere LHCs zu bilden untersucht.Für die Monomerbildung sind der extrinsische N-Terminus und die der amphipathischen vierten Helix folgenden Aminosäuren beider Proteine für die Faltung stabiler monomerer Pigmentproteinkomplexe nicht notwendig. Die Aminosäuren, mit deren Deletion die Monomerbildung an N- und C-Terminus verhindert wurde, verfügten über geladene (Glu, Asp), aromatische (Trp) oder neutrale Seitenketten (Leu).Die Untersuchungen zur Dimerbildung des LHCI-730 zeigten, daß am N-Terminus des Lhca1 nur bis zu einer Entfernung von drei Aminosäuren (Trp) eine Assemblierung der Untereinheiten möglich ist. Nur Phe (anstatt Trp) war in Substitutionsexperimenten im Vollängenprotein in der Lage, Dimere zu bilden. Das Ausbleiben der Dimerbildung der bis einschließlich zum Trp-39 und Ile-168 verkürzten Deletionsmutanten des Lhca4 ist vermutlich auf die Instabilität dieser Lhca4-Mutanten zurückzuführen. Die Deletion von Trp-185 am C-Terminus des Lhca1 führt zu einem Ausbleiben der Dimerbildung, die aber offensichtlich durch weitere, zuvor schon deletierte Aminosäuren beeinträchtigt wurde.

Chlorophyll a fluorescence in rice plants exposed of herbicides of group imidazolinone

The objective of this work was to investigate the injuries caused to the photosynthetic apparatus of three types of rice exposed to application of imidazolinone group herbicides. Two experiments were conducted using herbicides Imazethapyr+imazapic and Imazapyr+imazapic, in a split-plot experimental design, and a 3 x 3 factorial, with six replications. The first factor (A) consisted of the herbicide rates 0, 100 e 200 g ha-1 of Imazethapyr+imazapic and 0, 140 e 280 g ha-1 of Imazapyr+imazapic; factor B consisted of type of rice (cv. Puitá Inta CL, sensitive red rice ecotype and red rice ecotype with suspected herbicide tolerance to Imidazolinone). Chlorophyll a fluorescence parameters were evaluated in plants at 30 days after herbicide application, using a portable fluorometer (HandyPEA, Hanstech). The photosynthetic metabolism of cv. Puitá Inta CL was found to tolerate commercial dosages of both herbicides. High sensitivity to the herbicides was observed for the sensitive red rice ecotype, while the photosynthetic apparatus of red rice ecotype with suspected herbicide tolerance showed high tolerance to both herbicides applied at rates higher than the commercial rate. The application of chemical herbicides of the imidazolinone group on rice plants causes changes in the photosynthetic metabolism of plants, detected by evaluating the emission of transient chlorophyll a fluorescence. This method can be useful in helping detect resistance and/or tolerance of red rice plants to herbicides of the imidazolinone group.

Characterization of the phosphorylation of thylakoid membrane proteins from cyanobacterium synechococcus sp. PCC 6301 in light state 1 and light state 2

The distribution of excitation energy between the two photosystems (PSII and PSI) of photosynthesis is regulated by the light state transition. Three models have been proposed for the mechanism of the state transition in phycobilisome (PBS) containing organisms, two involving protein phosphorylation. A procedure for the rapid isolation of thylakoid membranes and PBS fractions from the cyanobacterium Synechococcus m. PCC 6301 in light state 1 and light state 2 was developed. The phosphorylation of thylakoid and soluble proteins rapidly isolated from intact cells in state 1 and state 2 was investigated. 77 K fluorescence emission spectra revealed that rapidly isolated thylakoid membranes retained the excitation energy distribution characteristic of intact cells in state 1 and state 2. Phosphoproteins were identified by gel electrophoresis of both thylakoid membrane and phycobilisome fractions isolated from cells labelled with 32p orthophosphate. The results showed very close phosphoprotein patterns for either thylakoid membrane or PBS fractions in state 1 and state 2. These results do not support proposed models for the state transition which required phosphorylation of PBS or thylakoid membrane proteins.

Localization of the mechanism of pH-dependent non- photochemical fluorescence quenching in thylakoid membranes

Higher plants have evolved a well-conserved set of photoprotective mechanisms, collectively designated Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence (qN), to deal with the inhibitory absorption of excess light energy by the photosystems. Their main contribution originates from safe thermal deactivation of excited states promoted by a highly-energized thylakoid membrane, detected via lumen acidification. The precise origins of this energy- or LlpH-dependent quenching (qE), arising from either decreased energy transfer efficiency in PSII antennae (~ Young & Frank, 1996; Gilmore & Yamamoto, 1992; Ruban et aI., 1992), from alternative electron transfer pathways in PSII reaction centres (~ Schreiber & Neubauer, 1990; Thompson &Brudvig, 1988; Klimov et aI., 1977), or from both (Wagner et aI., 1996; Walters & Horton, 1993), are a source of considerable controversy. In this study, the origins of qE were investigated in spinach thylakoids using a combination of fluorescence spectroscopic techniques: Pulse Amplitude Modulated (PAM) fluorimetry, pump-probe fluorimetry for the measurement of PSII absorption crosssections, and picosecond fluorescence decay curves fit to a kinetic model for PSII. Quenching by qE (,..,600/0 of maximal fluorescence, Fm) was light-induced in circulating samples and the resulting pH gradient maintained during a dark delay by the lumenacidifying capabilities of thylakoid membrane H+ ATPases. Results for qE were compared to those for the addition of a known antenna quencher, 5-hydroxy-1,4naphthoquinone (5-0H-NQ), titrated to achieve the same degree of Fm quenching as for qE. Quenching of the minimal fluorescence yield, F0' was clear (8 to 130/0) during formation of qE, indicative of classical antenna quenching (Butler, 1984), although the degree was significantly less than that achieved by addition of 5-0H-NQ. Although qE induction resulted in an overall increase in absorption cross-section, unlike the decrease expected for antenna quenchers like the quinone, a larger increase in crosssection was observed when qE induction was attempted in thylakoids with collapsed pH gradients (uncoupled by nigericin), in the absence of xanthophyll cycle operation (inhibited by DTT), or in the absence of quenching (LlpH not maintained in the dark due to omission of ATP). Fluorescence decay curves exhibited a similar disparity between qE-quenched and 5-0H-NQ-quenched thylakoids, although both sets showed accelerated kinetics in the fastest decay components at both F0 and Fm. In addition, the kinetics of dark-adapted thylakoids were nearly identical to those in qEquenched samples at F0' both accelerated in comparison with thylakoids in which the redox poise of the Oxygen-Evolving Complex was randomized by exposure to low levels of background light (which allowed appropriate comparison with F0 yields from quenched samples). When modelled with the Reversible Radical Pair model for PSII (Schatz et aI., 1988), quinone quenching could be sufficiently described by increasing only the rate constant for decay in the antenna (as in Vasil'ev et aI., 1998), whereas modelling of data from qE-quenched thylakoids required changes in both the antenna rate constant and in rate constants for the reaction centre. The clear differences between qE and 5-0H-NQ quenching demonstrated that qE could not have its origins in the antenna alone, but is rather accompanied by reaction centre quenching. Defined mechanisms of reaction centre quenching are discussed, also in relation to the observed post-quenching depression in Fm associated with photoinhibition.

Optimizing Computational Frameworks to Study the Influence of the Protein Environment on the Individual Site Energies of Chromophores in Photosystem II of Photosynthesis

Photosynthesis is a process in which electromagnetic radiation is converted into chemical energy. Photosystems capture photons with chromophores and transfer their energy to reaction centers using chromophores as a medium. In the reaction center, the excitation energy is used to perform chemical reactions. Knowledge of chromophore site energies is crucial to the understanding of excitation energy transfer pathways in photosystems and the ability to compute the site energies in a fast and accurate manner is mandatory for investigating how protein dynamics ef-fect the site energies and ultimately energy pathways with time. In this work we developed two software frameworks designed to optimize the calculations of chro-mophore site energies within a protein environment. The first is for performing quantum mechanical energy optimizations on molecules and the second is for com-puting site energies of chromophores in a fast and accurate manner using the polar-izability embedding method. The two frameworks allow for the fast and accurate calculation of chromophore site energies within proteins, ultimately allowing for the effect of protein dynamics on energy pathways to be studied. We use these frame-works to compute the site energies of the eight chromophores in the reaction center of photosystem II (PSII) using a 1.9 Å resolution x-ray structure of photosystem II. We compare our results to conflicting experimental data obtained from both isolat-ed intact PSII core preparations and the minimal reaction center preparation of PSII, and find our work more supportive of the former.

Proteomic Analysis of Chloroplast-to-Chromoplast Transition in Tomato Reveals Metabolic Shifts Coupled with Disrupted Thylakoid Biogenesis Machinery and Elevated Energy-Production Components

A comparative proteomic approach was performed to identify differentially expressed proteins in plastids at three stages of tomato (Solanum lycopersicum) fruit ripening (mature-green, breaker, red). Stringent curation and processing of the data from three independent replicates identified 1,932 proteins among which 1,529 were quantified by spectral counting. The quantification procedures have been subsequently validated by immunoblot analysis of six proteins representative of distinct metabolic or regulatory pathways. Among the main features of the chloroplast-to-chromoplast transition revealed by the study, chromoplastogenesis appears to be associated with major metabolic shifts: (1) strong decrease in abundance of proteins of light reactions (photosynthesis, Calvin cycle, photorespiration) and carbohydrate metabolism (starch synthesis/degradation), mostly between breaker and red stages and (2) increase in terpenoid biosynthesis (including carotenoids) and stress-response proteins (ascorbate-glutathione cycle, abiotic stress, redox, heat shock). These metabolic shifts are preceded by the accumulation of plastid-encoded acetyl Coenzyme A carboxylase D proteins accounting for the generation of a storage matrix that will accumulate carotenoids. Of particular note is the high abundance of proteins involved in providing energy and in metabolites import. Structural differentiation of the chromoplast is characterized by a sharp and continuous decrease of thylakoid proteins whereas envelope and stroma proteins remain remarkably stable. This is coincident with the disruption of the machinery for thylakoids and photosystem biogenesis (vesicular trafficking, provision of material for thylakoid biosynthesis, photosystems assembly) and the loss of the plastid division machinery. Altogether, the data provide new insights on the chromoplast differentiation process while enriching our knowledge of the plant plastid proteome.

Light energy management in peach: utilization, photoprotection , photodamage and recovery. Maximizing light absorption in orchard is not always the best solution

The relation between the intercepted light and orchard productivity was considered linear, although this dependence seems to be more subordinate to planting system rather than light intensity. At whole plant level not always the increase of irradiance determines productivity improvement. One of the reasons can be the plant intrinsic un-efficiency in using energy. Generally in full light only the 5 – 10% of the total incoming energy is allocated to net photosynthesis. Therefore preserving or improving this efficiency becomes pivotal for scientist and fruit growers. Even tough a conspicuous energy amount is reflected or transmitted, plants can not avoid to absorb photons in excess. The chlorophyll over-excitation promotes the reactive species production increasing the photoinhibition risks. The dangerous consequences of photoinhibition forced plants to evolve a complex and multilevel machine able to dissipate the energy excess quenching heat (Non Photochemical Quenching), moving electrons (water-water cycle , cyclic transport around PSI, glutathione-ascorbate cycle and photorespiration) and scavenging the generated reactive species. The price plants must pay for this equipment is the use of CO2 and reducing power with a consequent decrease of the photosynthetic efficiency, both because some photons are not used for carboxylation and an effective CO2 and reducing power loss occurs. Net photosynthesis increases with light until the saturation point, additional PPFD doesn’t improve carboxylation but it rises the efficiency of the alternative pathways in energy dissipation but also ROS production and photoinhibition risks. The wide photo-protective apparatus, although is not able to cope with the excessive incoming energy, therefore photodamage occurs. Each event increasing the photon pressure and/or decreasing the efficiency of the described photo-protective mechanisms (i.e. thermal stress, water and nutritional deficiency) can emphasize the photoinhibition. Likely in nature a small amount of not damaged photosystems is found because of the effective, efficient and energy consuming recovery system. Since the damaged PSII is quickly repaired with energy expense, it would be interesting to investigate how much PSII recovery costs to plant productivity. This PhD. dissertation purposes to improve the knowledge about the several strategies accomplished for managing the incoming energy and the light excess implication on photo-damage in peach. The thesis is organized in three scientific units. In the first section a new rapid, non-intrusive, whole tissue and universal technique for functional PSII determination was implemented and validated on different kinds of plants as C3 and C4 species, woody and herbaceous plants, wild type and Chlorophyll b-less mutant and monocot and dicot plants. In the second unit, using a “singular” experimental orchard named “Asymmetric orchard”, the relation between light environment and photosynthetic performance, water use and photoinhibition was investigated in peach at whole plant level, furthermore the effect of photon pressure variation on energy management was considered on single leaf. In the third section the quenching analysis method suggested by Kornyeyev and Hendrickson (2007) was validate on peach. Afterwards it was applied in the field where the influence of moderate light and water reduction on peach photosynthetic performances, water requirements, energy management and photoinhibition was studied. Using solar energy as fuel for life plant is intrinsically suicidal since the high constant photodamage risk. This dissertation would try to highlight the complex relation existing between plant, in particular peach, and light analysing the principal strategies plants developed to manage the incoming light for deriving the maximal benefits as possible minimizing the risks. In the first instance the new method proposed for functional PSII determination based on P700 redox kinetics seems to be a valid, non intrusive, universal and field-applicable technique, even because it is able to measure in deep the whole leaf tissue rather than the first leaf layers as fluorescence. Fluorescence Fv/Fm parameter gives a good estimate of functional PSII but only when data obtained by ad-axial and ab-axial leaf surface are averaged. In addition to this method the energy quenching analysis proposed by Kornyeyev and Hendrickson (2007), combined with the photosynthesis model proposed by von Caemmerer (2000) is a forceful tool to analyse and study, even in the field, the relation between plant and environmental factors such as water, temperature but first of all light. “Asymmetric” training system is a good way to study light energy, photosynthetic performance and water use relations in the field. At whole plant level net carboxylation increases with PPFD reaching a saturating point. Light excess rather than improve photosynthesis may emphasize water and thermal stress leading to stomatal limitation. Furthermore too much light does not promote net carboxylation improvement but PSII damage, in fact in the most light exposed plants about 50-60% of the total PSII is inactivated. At single leaf level, net carboxylation increases till saturation point (1000 – 1200 μmolm-2s-1) and light excess is dissipated by non photochemical quenching and non net carboxylative transports. The latter follows a quite similar pattern of Pn/PPFD curve reaching the saturation point at almost the same photon flux density. At middle-low irradiance NPQ seems to be lumen pH limited because the incoming photon pressure is not enough to generate the optimum lumen pH for violaxanthin de-epoxidase (VDE) full activation. Peach leaves try to cope with the light excess increasing the non net carboxylative transports. While PPFD rises the xanthophyll cycle is more and more activated and the rate of non net carboxylative transports is reduced. Some of these alternative transports, such as the water-water cycle, the cyclic transport around the PSI and the glutathione-ascorbate cycle are able to generate additional H+ in lumen in order to support the VDE activation when light can be limiting. Moreover the alternative transports seems to be involved as an important dissipative way when high temperature and sub-optimal conductance emphasize the photoinhibition risks. In peach, a moderate water and light reduction does not determine net carboxylation decrease but, diminishing the incoming light and the environmental evapo-transpiration request, stomatal conductance decreases, improving water use efficiency. Therefore lowering light intensity till not limiting levels, water could be saved not compromising net photosynthesis. The quenching analysis is able to partition absorbed energy in the several utilization, photoprotection and photo-oxidation pathways. When recovery is permitted only few PSII remained un-repaired, although more net PSII damage is recorded in plants placed in full light. Even in this experiment, in over saturating light the main dissipation pathway is the non photochemical quenching; at middle-low irradiance it seems to be pH limited and other transports, such as photorespiration and alternative transports, are used to support photoprotection and to contribute for creating the optimal trans-thylakoidal ΔpH for violaxanthin de-epoxidase. These alternative pathways become the main quenching mechanisms at very low light environment. Another aspect pointed out by this study is the role of NPQ as dissipative pathway when conductance becomes severely limiting. The evidence that in nature a small amount of damaged PSII is seen indicates the presence of an effective and efficient recovery mechanism that masks the real photodamage occurring during the day. At single leaf level, when repair is not allowed leaves in full light are two fold more photoinhibited than the shaded ones. Therefore light in excess of the photosynthetic optima does not promote net carboxylation but increases water loss and PSII damage. The more is photoinhibition the more must be the photosystems to be repaired and consequently the energy and dry matter to allocate in this essential activity. Since above the saturation point net photosynthesis is constant while photoinhibition increases it would be interesting to investigate how photodamage costs in terms of tree productivity. An other aspect of pivotal importance to be further widened is the combined influence of light and other environmental parameters, like water status, temperature and nutrition on peach light, water and phtosyntate management.

Pigmentbindung verschiedener Mitglieder der erweiterten Chlorophyll a/b-Proteinfamilie und des wasserlöslichen Chlorophyll-Proteins WSCP

In dieser Arbeit wurde die Pigmentbindung verschiedener Pflanzenproteine untersucht, um daraus Rückschlüsse auf ihre Funktion zu ziehen. PsbS, die S-Untereinheit des Photosystems II, konnte mit Pigmenten isoliert werden. Es wurde kein Hinweis auf eine spezifische Wechselwirkung der Chromophore gefunden, Ergebnisse wie pigmentabhängig stärkere Helixbildung unterstützen jedoch die Vermutung, PsbS fungiere als transienter Pigmentcarrier. Die Sequenzverwandten OHP, Sep1 und Sep2 binden entweder keine Pigmente oder nur so schwach, dass eine Bindung mit den verwendeten Methoden nicht nachweisbar ist.WSCP aus Blumenkohl ist ein wasserlösliches chlorophyllbindendes Protein mit unbekannter Funktion. In dieser Arbeit wurde ein rekombinantes WSCP mit N-terminal angehängtem His-Tag hergestellt und überexprimiert. WSCP-his tetramerisiert pigmentabhängig und bindet Chlorophylle, nicht aber Carotinoide. In seinen biochemischen und spektroskopischen Eigenschaften gleicht das rekombinante dem nativen WSCP und kann als Werkzeug für Untersuchungen zur Funktion herangezogen werden. Rekonstitutionsexperimente mit Chlorophyll-Derivaten zeigten, dass der Phytolrest für die Oligomerisierung des Proteins verantwortlich ist. WSCP bindet außerdem die Chlorophyll-Vorstufen Chlorophyllid und Mg-Protoporphyrin IX. Es könnte sich um ein Carrierprotein handeln, welches die Vorstufen von der Chloroplastenhülle durch das Stroma zur Thylakoidmembran transportiert. Der Fall eines chlorophyllbindenden Pflanzenproteins ohne Carotinoide ist einmalig. Messungen zu Photostabilität und Singulettsauerstoffbildung zeigten, dass es dennoch gebundenes Chlorophyll vor photooxidativer Schädigung schützt.

Zeitaufgelöste Messung der Faltung und Pigmentbindung des Lichtsammlerproteins LHCIIb anhand verschiedener spektroskopischer Monitore

Über die Biogenese des Lichtsammelkomplexes des Photosystems II höherer Pflanzen (LHCII) in der Thylakoidmembran der Chloroplasten existieren wenige Daten. Deswegen soll die Aufklärung des Faltungsmechanismus in vitro anhand von zeitaufgelösten Messungen der Rückfaltung des Komplexes Rückschlüsse auf die Situation in vivo ermöglichen.Zur Beobachtung der Rückfaltung wurden Methoden der Fluoreszenz- und CD-Spektroskopie verwendet. Die Pigmentbindung und die Ausbildung von α-helikaler Sekundärstruktur erfolgt in einem schnelleren und einem langsameren apparenten Schritt (Sekunden und Minuten); beide Vorgänge sind eng gekoppelt und limitiert durch die Bindung der Carotinoide. In der schnelleren Phase ist die Bindung von Chl a und Lutein ausreichend für die Zunahme an α-helikaler Struktur. Ein thermodynamisch stabiler Komplex erfordert die Bindung von Chl b und Carotinoiden. In der schnellen Phase bindet Chl a vor Chl b und Lutein mindestens so schnell wie Chl b; beide Pigmente limitieren die Bindung von Chl b. Chl b ist notwendig für die Ereignisse der langsameren Phase.Bzgl. der Situation in vivo deuten die Daten auf (1) eine aktive Rolle der Pigmentbindung für die Membraninsertion des Proteins, (2) einen Schutz vor Photooxidation der Chlorophylle durch die obligatorische Carotinoidbindung und (3) die Möglichkeit der Umsetzung von LHCII-gebundem Chl a zu Chl b.

Einzelmolekülspektroskopische Studien an Farbstoff-markierten Chlorophyll-a/b-Lichtsammlerkomplexen und Untersuchungen zur Integration der Komplexe in elektrochemische Solarzellen

Die zentrale Funktion des Hauptlichtsammlerkomplexes des Photosystems II, LHCII, besteht in der Absorption von Sonnenlicht und der Bereitstellung von Energie für die photosynthetische Ladungstrennung im Reaktionszentrum des Photosystems. Auch in der Regulation der Photosynthese spielt der LHCII eine wichtige Rolle, da die Energieverteilung zwischen Photosystem I und Photosystem II im Rahmen des sog. „State Transition“-Prozesses über die Verteilung der Lichtsammlerkomplexe zwischen den beiden Photosystemen gesteuert wird. Im Blickfeld des ersten Teils dieser Arbeit stand die konformative Dynamik der N-terminalen Domäne des LHCII, die wahrscheinlich in die Regulation der Lichtsammlung involviert ist. Gemeinsam mit Mitarbeitern des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart wurde an der Etablierung einer Methode zur einzelmolekülspektroskopischen Untersuchung der Dynamik des N-Terminus gearbeitet. Als Messgröße diente der Energietransfer zwischen einem Fluoreszenzfarbstoff, der an die N-terminale Domäne gekoppelt war, und den Chlorophyllen des Komplexes. Die Funktion des LHCII als effiziente Lichtantenne bildete die Grundlage für den zweiten Teil dieser Arbeit. Hier wurde untersucht, in wie weit LHCII als Lichtsammler in eine elektrochemische Solarzelle integriert werden kann. In der potentiellen Solarzelle sollte die Anregungsenergie des LHCII auf Akzeptorfarbstoffe übertragen werden, die in der Folge Elektronen in das Leitungsband einer aus Titandioxid oder Zinndioxid bestehenden porösen Halbleiterelektrode injizierten, auf der Komplexe und Farbstoffe immobilisiert waren.

Zur Struktur und Funktion der Typ-3-Kupferproteine sowie der Lichtsammlerkomplexe LHCI und LHCII

In der vorliegenden Arbeit wurden die bioinformatischen Methoden der Homologie-Modellierung und Molekularen Modellierung dazu benutzt, die dreidimensionalen Strukturen verschiedenster Proteine vorherzusagen und zu analysieren. Experimentelle Befunde aus Laborversuchen wurden dazu benutzt, die Genauigkeit der Homologie-Modelle zu erhöhen. Die Ergebnisse aus den Modellierungen wurden wiederum dazu benutzt, um neue experimentelle Versuche vorzuschlagen. Anhand der erstellten Modelle und bekannten Kristallstrukturen aus der Protein-Datenbank PDB wurde die Struktur-Funktionsbeziehung verschiedener Tyrosinasen untersucht. Dazu gehörten sowohl die Tyrosinase des Bakteriums Streptomyces als auch die Tyrosinase der Hausmaus. Aus den vergleichenden Strukturanalysen der Tyrosinasen resultierten Mechanismen für die Monophenolhydroxylase-Aktivität der Tyrosinasen sowie für den Import der Kupferionen ins aktive Zentrum. Es konnte der Beweis geführt werden, daß die Blockade des CuA-Zentrums tatsächlich der Grund für die unterschiedliche Aktivität von Tyrosinasen und Catecholoxidasen ist. Zum ersten Mal konnte mit der Maus-Tyrosinase ein vollständiges Strukturmodell einer Säugetier-Tyrosinase erstellt werden, das dazu in der Lage ist, die Mechanismen bekannter Albino-Mutationen auf molekularer Ebene zu erklären. Die auf der Basis des ermittelten 3D-Modells gewonnenen Erkenntnisse über die Wichtigkeit bestimmter Aminosäuren für die Funktion wurde durch gerichtete Mutagenese an der rekombinant hergestellten Maus-Tyrosinase getestet und bestätigt. Weiterhin wurde die Struktur der Tyrosinase des Krebses Palinurus elephas durch eine niedrigaufgelöste 3D-Rekonstruktion aus elektronenmikroskopischen Bildern aufgeklärt. Der zweite große Themenkomplex umfasst die Strukturanalyse der Lichtsammlerkomplexe LHCI-730 und LHCII. Im Falle des LHCII konnte der Oligomerisierungszustand der LHCMoleküle mit diskreten Konformationen des N-Terminus korreliert werden. Auch hier kam eine Kombination von Homologie-Modellierung und einer experimentellen Methode, der Elektronen-Spin-Resonanz-Messung, zum Einsatz. Die Änderung des Oligomerisierungszustands des LHCII kontrolliert den Energiezufluß zu den Photosystemen PS I und PS II. Des Weiteren wurde ein vollständiges Modell des LHCI-730 erstellt, um die Auswirkungen gerichteter Mutagenese auf das Dimerisierungsverhalten zu untersuchen. Auf Basis dieses Modells wurden die Wechselwirkungen zwischen den Monomeren Lhca1 und Lhca4 evaluiert und potentielle Bindungspartner identifiziert.

Pflanzlicher Lichtsammler (LHCII) in Hybridkomplexen mit organischen Farbstoffen und anorganischen Halbleiter-Nanokristallen (Quantum dots)

Der Lichtsammelkomplex II (LHCII) höherer Pflanzen ist eines der häufigsten Membranproteine der Welt. Er bindet 14 Chlorophylle und 4 Carotinoide nicht kovalent und fungiert in vivo als Lichtantenne des Photosystems II. Eine optimale Absorption von Licht ist auch bei Solarzellen entscheidend und es liegt nahe hier dasselbe Prinzip zu verwenden. Dafür bietet sich der Einsatz biologischer Komponenten wie des LHCII an. Dieser wurde evolutionär für eine effektive Absorption und Weiterleitung von Sonnenenergie optimiert. Zusätzlich lässt er sich in vitro in rekombinanter Form rekonstituieren. Für eine eventuelle Nutzung des LHCII in technologischen Anwendungen bedarf es der Interaktion mit anderen, vorzugsweise synthetischen Komponenten. Daher wurde die Bindung und der Energietransfer zwischen dem LHCII und organischen Fluoreszenzfarbstoffen sowie anorganischen „Quantum dots“ (QDs) untersucht. rnMit Donorfarbstoffen wurde die Grünlücke des LHCII funktionell geschlossen. Dafür wurden bis zu vier Fluoreszenzfarbstoffe kovalent an den LHCII gebunden. Diese Interaktion erfolgte sowohl mit Maleimiden an Cysteinen als auch mit N-Hydroxysuccinimidylestern an Lysinen. Die Assemblierung, Struktur und Funktion des Pigment-Protein-Komplexes wurde durch die Fluoreszenzfarbstoffe nicht gestört.rnAuf der Suche nach einem Farbstoff, der als Akzeptor die vom LHCII aufgenommene Energie übernimmt und durch Elektronenabgabe in elektrische Energie umwandelt, wurden drei Rylenfarbstoffe, ein Quaterrylen und zwei Terrylene, untersucht. Der LHCII konnte mit allen Farbstoffen erfolgreich markiert werden. Für die Nutzung der Hybridkomplexe ergaben sich allerdings Probleme. Das Quaterrylen beeinträchtigte aufgrund seiner Hydrophobizität die Rekonstitution des Proteins, während bei beiden Terrylenen der Energietransfer ineffizient war.rn Zusätzlich zu den Standard-Verknüpfungen zwischen Farbstoffen und Proteinen wurde in dieser Arbeit die „native chemische Ligation“ etabliert. Hierfür wurde eine LHCII-Mutante mit N-terminalem Cystein hergestellt, markiert und rekonstituiert. Messdaten an diesem Hybridkomplex ließen auf einen Energietransfer zwischen Farbstoff und Protein schließen. rnIn Hybridkomplexen sollen langfristig zur Ladungstrennung fähige Typ II-QDs Anwendung finden, wobei der LHCII als Lichtantenne dienen soll. Bis diese QDs verwendet werden können, wurden grundlegende Fragen der Interaktion beider Materialen an Typ I-QDs mit Energietransfer zum LHCII untersucht. Dabei zeigte sich, dass QDs in wässriger Lösung schnell aggregieren und entsprechende Kontrollen wichtig sind. Weiterführend konnte anhand der Trennung von ungebundenem und QD-gebundenem LHCII die Bindung von LHCII an QDs bestätigt werden. Dabei wurden Unterschiede in der Bindungseffizienz in Abhängigkeit der verwendeten LHCII und QDs festgestellt. Durch Herstellung von Fusionsproteinen aus LHCII und Affinitätspeptiden konnte die Bindung optimiert werden. Ein Energietransfer von QDs zu LHCII war nicht sicher nachzuweisen, da in den Hybridkomplexen zwar die QD- (Donor-) Fluoreszenz gelöscht, aber die LHCII- (Akzeptor-) Fluoreszenz nicht entsprechend stimuliert wurde.rnZusammenfassend wurden in dieser Arbeit einige Hybridkomplexe hergestellt, die in weiterführenden Ansätzen Verwendung finden können. Auf die hier gewonnenen Erkenntnisse über Interaktionen zwischen LHCII und synthetischen Materialien kann jetzt weiter aufgebaut werden.

Einzelmolekül-Untersuchungen zu Faltung und Zusammenbau des Lichtsammelkomplexes LHCII

Zusammenfassungrn Der Faltungsprozess des Hauptlichtsammelkomplexes des Photosystems II aus höheren Pflanzen (light harvesting complex II, LHCII) wurde bereits mehrfach untersucht, die Experimente hierzu fanden stets im Ensemble statt. Anhand der bislang veröffentlichten Faltungskinetiken des LHCII aus höheren Pflanzen lassen sich aber keine eindeutigen Aussagen bezüglich der Diversität der Faltungswege treffen. Daher sollten im Rahmen dieser Arbeit Faltungskinetiken einzelner LHCII-Moleküle während der Komplexbildung aufgenommen werden, um weitergehende Informationen zum Faltungsmechanismus zu erhalten und zur Frage, ob hier mehrere unterschiedliche Wege eingeschlagen werden.rnHierfür war zunächst die Etablierung einer Oberflächenimmobilisierung mit Glas als Trägermaterial notwendig. Nachdem Versuche, diese Immobilisierung über einen His6-tag oder über einen heterobifunktionellen Linker zu bewerkstelligen, nicht zum Erfolg geführt haben, konnte eine Immobilisierung des Biotin-markierten Proteins an Oberflächen-gebundenes Avidin erreicht werden. Die Qualität dieser Immobilisierung wurde hierbei sowohl über Bindungsversuche mit fluoreszenzfarbstoffmarkiertem Protein als auch über eine direkte Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit mittels Rasterkraftmikroskopie überprüft. Die für die folgenden Versuche optimale Belegungsdichte wurde im konfokalen Fluoreszenzmikroskop ermittelt. Zudem wurde sichergestellt, dass die Proteine vereinzelt auf der Oberfläche immobilisiert vorliegen.rnAuf dieser Basis wurden LHCII-Komplexe, die zuvor in vitro rekonstituiert wurden, immobilisiert und Versuche zur kontrollierten Denaturierung unternommen, um Zerfalls-kinetiken im Verfahren der internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (total internal reflection fluorescence, TIRF) aufnehmen zu können. Hierbei traten Schwierigkeiten bezüglich der Lebensdauer der Komplexe unter Laser-Belichtung auf, da sich die Löschung der Fluoreszenz durch Zerstrahlung der Pigmente einerseits oder Dissoziation der LHCII andererseits nicht unterscheiden ließen. Auch durch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer konnte diese nicht in dem Maße gesteigert werden, wie es experimentell notwendig gewesen wäre.rnFür das eigentliche Hauptziel dieser Arbeit – die Aufzeichnung von Einzelmolekül-Faltungskinetiken – war die Entwicklung einer Methode zur Rekonstitution oberflächen-immobilisierter LHCII-Apoproteine notwendig. Dieses Ziel wurde mithilfe einer Detergenzmisch-Rekonstitution erreicht. Der Erfolg der Rekonstitution konnte experimentell sowohl im Fluorimeter anhand des komplexinternen Energietransfers auf einen kovalent an das Protein gebundenen Infrarot-Fluorophor als auch im TIRF-Verfahren direkt beobachtet werden. Auch hier konnte nach ca. 80 Sekunden ein Ausbleichen der Komplexe während der Belichtung durch den Anregungs-Laser beobachtet werden.rnIn Versuchen zur Beobachtung des Komplexbildungsvorganges zeigte sich, dass die Rekonstitution offenbar durch die Belichtung massiv gestört wird. Ein weiteres Problem war eine sehr starke Hintergrundfluoreszenz, ausgelöst durch die zur Rekonstitution notwendige Pigmentlösung, die trotz der TIRF-Anregung von ausschließlich oberflächengebundenem Material die Fluoreszenz der Komplexe überlagerte. Somit konnte die Rekonstitution oberflächenimmobilisierter LHCII-Proteine zwar in Vorher-Nachher-Aufnahmen gezeigt werden, der Faltungsprozess an sich konnte dagegen im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgezeichnet werden.