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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-65744
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6574/


Groß, Christine

Entstehung von Singulettsauerstoff und Superoxid am Photosystem II

Production of singlet oxygen and superoxide by photosystem II

Dokument1.pdf (7.031 KB) (md5sum: 90c028c161995755785a1e29b538546d)

Kurzfassung in Deutsch

In der vorliegenden Arbeit wurde die Produktion von Singulettsauerstoff und Superoxid am Photosystem II unter Starklichtbedingungen untersucht. Singulettsauerstoff spielt beim Abbau des Reaktionszentrumsproteins D1 eine entscheidende Rolle. In dieser Arbeit wurde erstmals für ein thermophiles Cyanobakterium, Thermosynechococcus elongatus, dessen PSII-Kristallstruktur
seit 2001 bekannt ist, das Mittelpunktspotential von QA/QA- bestimmt und gezeigt, dass eine Mutation in unmittelbarer Nähe von QA das Redoxpotential beeinflussen kann. Für die Mutante A249S wurde im Vergleich zum Wildtyp ein negativeres Potential bestimmt und eine höhere Singulettsauerstoffproduktion als im Wildtyp gemessen. Eine Erniedrigung des Redoxpotentials von
QA führt zu einer verstärkten Ladungsrekombination über das primäre Radikalpaar, das wiederum in den Triplettzustand von Chlorophyll rekombinieren kann. Triplettchlorophyll reagiert mit Sauerstoff zu Singulettsauerstoff. Zusätzlich wurde gezeigt, dass QA bei Verlust des Manganclusters auf der Donorseite in eine ca. 170 mV positivere ’High Potential’ Form übergeht.
Dieser Mechanismus der zwei unterschiedlichen QA-Potentialformen wurde bereits für Spinat und die Grünalge Scenedesmus obliquus gezeigt, so dass es sich um ein universelles Prinzip zu handeln scheint. Ein höheres QA-Potential reduziert die Wahrscheinlichkeit der Singulettsauerstoffproduktion und trägt damit zum Schutz des Photosystems gegen Photoinhibition bei, wenn kein Vorwärtselektronentransport betrieben werden kann.

Unter Starklichtbedingungen kommt es aufgrund eines Mangels an Elektronenakzeptoren zu einem vollständig reduzierten Plastochinonpool, und es wurde vermutet, dass analog zum Photosystem I auch am Photosystem II Sauerstoff als alternativer Elektronenakzeptor fungieren kann. In dieser Arbeit wurde mittels ESR-Spintrapping gezeigt, dass auf der Akzeptorseite
von PSII Superoxid entsteht und der Elektronentransfer unter Beteiligung von QB verläuft. Die Superoxidproduktion wurde über den O2-Verbrauch von Thylakoiden und PSII-Präparationen (genannt: BBYs) und durch Spintrapping-Experimente mit POBN, das Hydroxylradikale detektiert, und EMPO, das Superoxid und Hydroxlradikale detektiert, nachgewiesen. In BBYs, denen ein Plastochinonpool weitgehend fehlt, wurde nur ca. 10 % des in Thylakoiden gebildeten Superoxids detektiert (gemessen als O2-Verbrauch bzw. Hydroxylradikalproduktion). Die Produktion der in BBYs detektierten Hydroxylradikale wurde außerdem nur geringfügig durch DCMU, ein in die QB-Bindetasche bindendes Herbizid, gehemmt, woraus geschlossen wurde, dass für diesen kleinen Teil der Superoxidproduktion in PSII QA- der Elektronendonor ist. Die in Thylakoiden detektierte Superoxidproduktion war hingegen von DCMU und somit vom Plastochinonpool abhängig. Zusätzlich hatte die Potentialform des Cytochroms b559 einen Einfluss auf die Rate. Befand sich Cytochrom b559 in der ’Low Potential’ Form, war die Rate ca. zwei- bis dreimal größer als mit Cyt b559 in der ’High Potential’ Form. Daraus wurde geschlossen, dass für den Hauptanteil der Superoxidproduktion in PSII ein Elektronentransfer von reduziertem Plastochinol über die QB-Bindetasche und Cyt b559 (’Low Potential’) oder QB- auf Sauerstoff stattfindet. Diese Vermutung wurde durch Studien mit einer Cyt b559-Mutante bestätigt. Der Plastochinonpool dieser Mutante ist stärker reduziert als im Wildtyp und die im Starklicht gemessene DCMU-abhängige Superoxidproduktion bzw. O2-Verbrauch des Wildtyps war in der Mutante abwesend. Die Mutante zeigte außerdem eine erhöhte Lichtempfindlichkeit, die durch den stärker reduzierten PQ-Pool zustande kommen könnte. Es wurde geprüft, ob außer Cyt b559 die in Stromalamellen lokalisierte plastidäre alternative Oxidase einen Einfluss auf die Oxidation des Plastochinonpools hat. Mit Hilfe einer Überexpressionsmutante konnte gezeigt werden, dass das überexprimierte Protein zu einer höheren Lichtempfindlichkeit der Pflanze führt, was gegen die postulierte Schutzfunktion dieses Enzyms und eine Beteiligung an der Oxidation des Plastochinonpools spricht.


Kurzfassung in Englisch

The production of singlet oxygen and superoxide by photosystem II was studied under high light conditions. In the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus the midpoint potential of QA was determined by titration. It was found that it can be changed by mutation. In the mutant A249S the midpoint potential of QA/QA- was found to be more negative compared to the wildtype, leading to a higher singlet oxygen production. This can be explained by an enhanced charge recombination via the primary radical pair which can lead to formation of triplet chlorophyll. Triplet chlorophyll reacts with oxygen, forming highly reactive singlet oxygen. In addition it was shown that loss of the manganese cluster leads to an about 170 mV more positive high potential form.
Further, under high light conditions the plastoquinone pool becomes fully reduced and oxygen is supposed to serve as alternative electron acceptor. By EPR (electron paramagnetic resonance) spectroscopy and the spin trapping technique it was shown that superoxide is produced at the acceptor side of photosystem II and that QB participates in the electron transfer. It was shown that the plastoquinone pool as well as the low potential form of cytochrome b559 are important for this reaction.


SWD-Schlagwörter: Singulettsauerstoff , Photosynthetisches Reaktionszentrum , Oxidativer Stress , Rekombination
Freie Schlagwörter (deutsch): Photoinhibition , Cytochrom b559
Freie Schlagwörter (englisch): photosynthesis , light stress , oxidative damage , photoinhibition , cytochrome b559
Institut: Institut für Biologie 2
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Liszkay, Anja (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.04.2009
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 16.06.2009
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