Quenching of chlorophyll fluorescence in the major light-harvesting complex of photosystem II: a systematic study of the effect of carotenoid structure.

The role of carotenoids in quenching of chlorophyll fluorescence in the major light-harvesting complex of photosystem II has been studied with a view to understanding the molecular basis of the control of photoprotective nonradiative energy dissipation by the xanthophyll cycle in vivo. The control of chlorophyll fluorescence quenching in the isolated complex has been investigated in terms of the number of the conjugated double bonds for a series of carotenoids ranging from n = 5-19, giving an estimated first excited singlet state energy from 20,700 cm-1 to 10,120 cm-1. At pH 7.8 the addition of exogenous carotenoids with >=10 conjugated double bonds (including zeaxanthin) stimulated fluorescence quenching relative to the control with no added carotenoid, whereas those with n the light-harvesting complex of photosystem II was induced by a lowering of pH to 5.5, carotenoids with n of fluorescence quenching relative to the control. Of the 10 carotenoids tested, quenching induced by the addition of the tertiary amine compound, dibucaine, to isolated light-harvesting complex of photosystem II could only be reversed by violaxanthin. These results are discussed in terms of the two theories developed to explain the role of zeaxanthin and violaxanthin in nonphotochemical quenching of chlorophyll fluorescence.

高等植物光系统II大量捕光色素蛋白复合体的稳定性研究

光合作用是地球上最重要的化学反应，它主要发生在叶绿体的类囊体膜上。光能是整个光合作用反应的驱动力，因此光能的捕获和传递过程将会直接影响整个生物体的光合作用表现。在高等植物中，光系统II（PSII）的大量捕光色素蛋白复合体（LHCIIb）作为最主要的、含量最多的光能捕获和传递器官，在光合作用过程中发挥着极其重要的作用。经过数十年的研究，认为LHCIIb主要的功能有以下四个方面：捕获和传递光能、光保护和过剩能量耗散、调节光能在两个光系统中分配和维持类囊体膜的结构。同时对其空间结构也在2.72Å的水平上进行了解析，发现每个单体含有14个叶绿素分子（Chl），其中8个叶绿素 a（Chl a）和6个叶绿素 b（Chl b），2个黄体素（Lut），一个新黄质（Neo）和一个紫黄质（Vio），3个跨膜α-螺旋和2个双亲α-螺旋。尽管目前对其空间结构和基本功能有了初步的了解，但以往研究均是对LHCIIb的三个色素蛋白复合体（Lhcb1、Lhcb2和Lhcb3）的混合研究，而关于Lhcb1、Lhcb2和Lhcb3各自的氨基酸组成、色素组成、各种光谱性质和稳定性研究还处于起步阶段。对Lhcb1、Lhcb2和Lhcb3各自的特性研究可以使我们更加深刻地理解LHCIIb的结构和功能。 本论文首先利用RT-PCR技术从豌豆（Pisum sativum L.）中提取了编码大量捕光色素蛋白复合体的三个脱辅基蛋白基因，分析了它们编码蛋白的氨基酸序列，并系统地研究了三个蛋白与其他物种中的三个蛋白之间的亲缘关系;然后在体外进行了成功的表达和与色素重组，进而对重组LHCIIb的色素组成及光谱特征进行了系统地对比和研究。实验结果表明，Lhcb1和Lhcb3的保守性高于Lhcb2，且Lhcb3最高，Lhcb1和Lhcb2的蛋白序列相似程度高于Lhcb3;Lhcb1同质三聚体的Neo含量和α-螺旋含量高于Lhcb1单体，Lhcb2单体和Lhcb3单体的α-螺旋含量高于Lhcb1单体;与Lhcb1单体和Lhcb2单体相比，Lhcb1同质三聚体和Lhcb3单体的荧光发射光谱明显红移，与核心复合物的光谱特征更加接近，这一区别可能更加有利于能量向核心传递;吸收光谱中表明，Lhcb1和Lhcb2存在两个Chl a吸收峰，根据分析超快吸收得到的模型（Amerongen & Grondelle，2001），这两个吸收峰可能代表Chl a的两个吸收中心。 在对LHCIIb各种基本特性研究的基础之上，本论文使用三氟乙酸（TFA）、离液剂尿素、离子性去污剂SDS、非离子型去污剂Triton X-100对Lhcb1单体进行了处理，使用不同温度对Lhcb1单体和同质三聚体、Lhcb2单体和Lhcb3单体进行处理。研究了它们在不同条件下的稳定性，主要结果如下： 1) 低浓度的尿素不能使Lhcb1变性，但可以影响色素之间的能量传递效率和相互作用。尽管SDS可以使Lhcb1解体，但解体后的蛋白仍旧保留了部分α-螺旋结构。TFA和非离子型去污剂Triton X-100可以使Lhcb1完全解体，并且可以完全破坏蛋白α-螺旋结构，TFA主要是通过影响色素结构和增加蛋白内部的分子间排斥力来破坏Lhcb1，而Triton X-100主要是通过破坏疏水作用力来破坏Lhcb1。高温可以使LHCIIb解体，但不能使蛋白二级结构完全消失。 2) 尿素、温度和Triton X-100均不引起色素本身的破坏，SDS和三氟乙酸使氢置换叶绿素卟啉环所螯合的镁离子，产生去镁叶绿素，造成色素本身结构的严重破坏。 3) 随着温度的升高，色素蛋白复合体的结构和功能会遭到破坏。在Lhcb1和Lhcb2中首先被破坏的是长波长吸收的Chl a。 4) .就功能而言，Lhcb1同质三聚体最为稳定，其次为：Lhcb1单体 > Lhcb3单体 > Lhcb2单体;.就结构而言，Lhcb1单体和Lhcb1同质三聚体相似，稍微较Lhcb2和Lhcb3稳定。 5) 不同处理方式均发现色素蛋白复合体的变性过程依次为：以Chl a为主的相互作用消失，其后依次为以Chl b为主的相互作用消失，以类胡萝卜素为主的相互作用，最后消失的是蛋白的二级结构。在结构受到破坏的同时，能量传递最先受到影响。 6) 解体过程并不是折叠过程的逆过程。

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.

Terrylendiimide als Biolabel und funktionelle Farbstoffe

In dieser Arbeit werden neue Rylenimide und Anwendungsmöglichkeiten für diese Farbstoffklasse beschrieben, die sich durch hohe Photostabilitäten und hohe Fluoreszenzquantenausbeute auszeichnet. Ziel dieser Arbeit war es, durch systematische Wahl der Substituenten in den Imidstrukturen und/oder den bay-Regionen von Rylendiimidfarbstoffen vollkommen neue Produkteigenschaften zu verwirklichen, Reaktionen bzw. Anwendungen zu ermöglichen und den Aufbau von komplexeren Chromophorarchitekturen zu gestatten. Das Strukturmotiv des Terrylendiimids nahm dabei die zentrale Rolle ein. Die Arbeit wurde in vier Kapitel aufgeteilt. Das Ziel des ersten Kapitels war es, wasserlösliche Terrylendiimide zur Untersuchung von biologischen Proben im Wellenlängenbereich über 600 nm einzusetzen. Ein wasserlösliches Terrylendiimid erwies sich dabei als deutlich photostabiler als zwei weitverbreitete Fluoreszenzfarbstoffe. Eine erste Proteinmarkierung mit monofunktionellem Farbstoff wurde an Proteinmolekülen erfolgreich durchgeführt. Durch gezielte Modifikationen konnten zwei Terrylendiimide hergestellt werden, die sich noch deutlich besser zum Abbilden von Zellstrukturen eignen. In dem zweiten Kapitel spielte die Löslichkeit von Rylendiimiden in organischen Lösungsmitteln eine zentrale Rolle. Es wurde eine Rylendiimidserie hergestellt, deren löslichkeitssteigernde Gruppen eine Organisation der Moleküle in ausgedehnten Stapelstrukturen nicht verhindern. Mit dieser Serie konnte das flüssigkristalline Verhalten und die Selbstorganisation in der Rylendiimidreihe untersucht werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde die Selbstorganisation der Diimide in Donor-Akzeptor Gemischen untersucht. In STM-Experimenten konnten für alle drei Diimide selbstorganisierte Monoschichten mit dem Rastertunnelmikroskop mit molekularer Auflösung abgebildet werden. Darüber hinaus wurden in diesem Kapitel die ersten organischen Feldeffekttransistoren (OFET) auf der Basis des synthetisierten Terrylendiimids beschrieben. Im Rahmen eines Projektes in dem die elektronische Energieübertragung in Donor-Akzeptor-Diaden mit Hilfe von Einzelmolekülspektroskopie untersucht wird, wurde eine Perylendiimid-Terrylediimid Diade hergestellt. Die geringere Photostabilität des Donors ermöglichte zeitaufgelöste Einzelmolekül-messungen der Akzeptoremission mit und ohne Energietransfer vom Donor auf den Akzeptor. Durch diese Messungen konnten die Zeitkonstanten des Energietransfers für einzelne Diaden ermittelt werden. Ein weiterer Chromophor aus diesem Donor-Akzeptor-Paar soll die Möglichkeit eröffnen, den Energiefluß im Molekül gezielt zu manipulieren. Dazu wurde ein Donorchromophor mit zwei Akzeptoren in einem Multichromophor kombiniert. Im Rahmen der Synthesen dieser Arbeit wurden Terrylendiimide hergestellt, die in einer Imidstruktur eine Halogenfunktion trugen. Diese waren wichtige Synthesebausteine zum Aufbau von komplexen Chromophorarchitekturen. Ziel eines weiteren Kapitels war es, ein Terrylendiimid herzustellen, das als Sensibilisatorfarbstoff gemeinsam mit dem Haupt-Antennenkomplex von höheren Pflanzen LHCII in einer photoelektrochemischen Farbstoff-Solarzelle integriert werden konnte. Das hergestellte Terrylendiimid mit Carbonsäuregruppe eignete sich für Farbstoffsolarzellen auf Zinndioxidbasis.

In vitro reconstitution of the photosystem I light-harvesting complex LHCI-730: Heterodimerization is required for antenna pigment organization

Here we describe the in vitro reconstitution of photosystem I light-harvesting complexes with pigments and proteins (Lhca1 and Lhca4) obtained by overexpression of tomato Lhca genes in Escherichia coli. Using Lhca1 and Lhca4 individually for reconstitution results in monomeric pigment-proteins, whereas a combination thereof yields a dimeric complex. Interactions of the apoproteins is highly specific, as reconstitution of either of the two constituent proteins in combination with a light-harvesting protein of photosystem II does not result in dimerization. The reconstituted Lhca1/4, but not complexes obtained with either Lhca1 or Lhca4 alone, closely resembles the native LHCI-730 dimer from tomato leaves with regard to spectroscopic properties, pigment composition, and stoichiometry. Monomeric complexes of Lhca1 or Lhca4 possess lower pigment/protein ratios, indicating that interactions of the two subunits not only facilitates pigment reorganization but also recruitment of additional pigments. In addition to higher averages of chlorophyll a/b ratios in monomeric complexes than in LHCI-730, comparative fluorescence and CD spectra demonstrate that heterodimerization involves preferential ligation of more chlorophyll b.

Models of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II

In the five chapters that follow, I delineate my efforts over the last five years to synthesize structurally and chemically relevant models of the Oxygen Evolving Complex (OEC) of Photosystem II. The OEC is nature’s only water oxidation catalyst, in that it forms the dioxygen in our atmosphere necessary for oxygenic life. Therefore understanding its structure and function is of deep fundamental interest and could provide design elements for artificial photosynthesis and manmade water oxidation catalysts. Synthetic endeavors towards OEC mimics have been an active area of research since the mid 1970s and have mutually evolved alongside biochemical and spectroscopic studies, affording ever-refined proposals for the structure of the OEC and the mechanism of water oxidation. This research has culminated in the most recent proposal: a low symmetry Mn₄CaO₅ cluster with a distorted Mn₃CaO₄ cubane bridged to a fourth, dangling Mn. To give context for how my graduate work fits into this rich history of OEC research, Chapter 1 provides a historical timeline of proposals for OEC structure, emphasizing the role that synthetic Mn and MnCa clusters have played, and ending with our Mn₃CaO₄ heterometallic cubane complexes.

In Chapter 2, the triarylbenzene ligand framework used throughout my work is introduced, and trinuclear clusters of Mn, Co, and Ni are discussed. The ligand scaffold consistently coordinates three metals in close proximity while leaving coordination sites open for further modification through ancillary ligand binding. The ligands coordinated could be varied, with a range of carboxylates and some less coordinating anions studied. These complexes’ structures, magnetic behavior, and redox properties are discussed.

Chapter 3 explores the redox chemistry of the trimanganese system more thoroughly in the presence of a fourth Mn equivalent, finding a range of oxidation states and oxide incorporation dependent on oxidant, solvent, and Mn salt. Oxidation states from Mn^II₄ to Mn^IIIMn^IV₃ were observed, with 1-4 O^2– ligands incorporated, modeling the photoactivation of the OEC. These complexes were studied by X-ray diffraction, EPR, XAS, magnetometry, and CV.

As Ca²⁺ is a necessary component of the OEC, Chapter 4 discusses synthetic strategies for making highly structurally accurate models of the OEC containing both Mn and Ca in the Mn₃CaO₄ cubane + dangling Mn geometry. Structural and electrochemical characterization of the first Mn₃CaO₄ heterometallic cubane complex— and comparison to an all-Mn Mn₄O₄ analog—suggests a role for Ca²⁺ in the OEC. Modification of the Mn₃CaO₄ system by ligand substitution affords low symmetry Mn₃CaO₄ complexes that are the most accurate models of the OEC to date.

Finally, in Chapter 5 the reactivity of the Mn₃CaO₄ cubane complexes toward O- atom transfer is discussed. The metal M strongly affects the reactivity. The mechanisms of O-atom transfer and water incorporation from and into Mn₄O₄ and Mn₄O₃ clusters, respectively, are studied through computation and ¹⁸O-labeling studies. The μ3-oxos of the Mn₄O₄ system prove fluxional, lending support for proposals of O^2– fluxionality within the OEC.

Bicarbonate is an essential constituent of the water-oxidizing complex of photosystem II

It is shown that restoration of photoinduced electron flow and O2 evolution with Mn2+ in Mn-depleted photosystem II (PSII) membrane fragments isolated from spinach chloroplasts is considerably increased with bicarbonate in the region pH 5.0–8.0 in bicarbonate-depleted medium. In buffered solutions equilibrated with the atmosphere (nondepleted of bicarbonate), the bicarbonate effect is observed only at pH lower than the pK of H2CO3 dissociation (6.4), which indicates that HCO3− is the essential species for the restoration effect. The addition of just 2 Mn2+ atoms per one PSII reaction center is enough for the maximal reactivation when bicarbonate is present in the medium. Analysis of bicarbonate concentration dependence of the restoration effect reveals two binding sites for bicarbonate with apparent dissociation constant (Kd) of ≈2.5 μM and 20–34 μM when 2,6-dichloro-p-benzoquinone is used as electron acceptor, while in the presence of silicomolybdate only the latter one remains. Similar bicarbonate concentration dependence of O2 evolution was obtained in untreated Mn-containing PSII membrane fragments. It is suggested that the Kd of 20–34 μM is associated with the donor side of PSII while the location of the lower Kd binding site is not quite clear. The conclusion is made that bicarbonate is an essential constituent of the water-oxidizing complex of PSII, important for its assembly and maintenance in the functionally active state.

Studying the diurnal and seasonal acclimation of photosystem Ii using chlorophyll-a fluorescence

A small fraction of the energy absorbed in the light reactions of photosynthesis is re-emitted as chlorophyll-a fluorescence. Chlorophyll-a fluorescence and photochemistry compete for excitation energy in photosystem II (PSII). Therefore, changes in the photochemical capacity can be detected through analysis of chlorophyll fluorescence. Chlorophyll fluorescence techniques have been widely used to follow the diurnal (fast), and the seasonal (slow) acclimation in the energy partitioning between photochemical and non-photochemical processes in PSII. Energy partitioning in PSII estimated through chlorophyll fluorescence can be used as a proxy of the plant physiological status, and measured at different spatial and temporal scales. However, a number of technical and theoretical limitations still limit the use of chlorophyll fluorescence data for the study of the acclimation of PSII. The aim of this Thesis was to study the diurnal and seasonal acclimation of PSII in field conditions through the development and testing of new chlorophyll fluorescence-based tools, overcoming these limitations. A new model capable of following the fast acclimation of PSII to rapid fluctuations in light intensity was developed. The model was used to study the rapid acclimation in the electron transport rate under fluctuating light. Additionally, new chlorophyll fluorescence parameters were developed for estimating the seasonal acclimation in the sustained rate constant of thermal energy dissipation and photochemistry. The parameters were used to quantitatively evaluate the effect of light and temperature on the seasonal acclimation of PSII. The results indicated that light environment not only affected the degree but also the kinetics of response of the acclimation to temperature, which was attributed to differences in the structural organization of PSII during seasonal acclimation. Furthermore, zeaxanthin-facilitated thermal dissipation appeared to be the main mechanisms modulating the fraction of absorbed energy being dissipated thermally during winter in field Scots pine. Finally, the integration between diurnal and seasonal acclimation mechanisms was studied using a recently developed instrument MONI-PAM (Walz GmbH, Germany) capable of continuously monitoring the energy partitioning in PSII.