The Oxygen Evolving cycle in Photosystem II studied with EPR Spectroscopy at different pH and Temperature

Abstract: Popular Abstract in Swedish Fotosyntesen är nödvändig för vårt liv på jordklotet. Fotosyntes utförs huvudsakligen av gröna växter och dessutom av vissa bakterier. Dessa organismer absorberar energin i solljuset och omvandlar den till kemisk energi i form av till exempel kolhydrater och fett som vi människor och djur sedan kan förbränna och utvinna energi ifrån. Fotosyntesen utförs av ett flertal proteinkomplex eller enzymer som alla har var sin uppgift i processen att med hjälp av energin i solljus omvandla vatten och koldioxid till komplicerade organiska molekyler och syrgas. Syrgasen är nödvändig för att vi ska kunna andas och förbränna vår mat. En annan viktigt funktion som syrgasen har för livet på jorden är i ozon skiktet, som absorberar farlig ultra violet strålning från solen och därmed skyddar oss, växterna, djuren och alla andra organismer på jorden.Vi forskare vill försöka förstå hur fotosyntesen går till i stor detalj - på det molekylära planet - för att sedan kunna tillämpa kunskapen på en mängd olika sätt, inom allt från energiförsörjning till jord och skogsbruk. En av de absolut viktigaste komponenterna i fotosyntesen är proteinkomplexet Fotosystem II (förkortas ofta PSII) som binder och oxiderar vatten molekylen till syrgas med hjälp av energi från solljuset. PSII innehåller, förutom flera olika protein, också fyra mangan joner som bildar ett kluster som kallas Mn-C, en calcium-jon och en eller flera kloridjoner, två redox aktiva tyrosin amino syror som kallas YZ och YD, reactions centret P680 som består av två klorofyll molekyler, två pheophytin molekyler, en järn-jon och kinoner. MnC ochYz bildar det aktiva sätet där vattnen molekylerna binds in och där syrgas molekylen bildas. Sol energin absorberas först i en antenn som består av flera tio tal klorofyll molekyler och skickas sedan till P680. Excitation av P680 leder till laddnings separation, kinon reduceras och ett ?elektron hål? uppstår i P680+ som sedan fylls med elektroner från Mn-C som i sin tur tar dem från vatten molekylen. Efter 4 sådana reaktioner bildas en molekyl syrgas. Vi vet att detta sker, men vi vet inte hur reaktions mekanismen för vatten oxidation och syrgas bildning ser ut i detalj. I min avhandling har jag studerat hur pH och temperatur påverkar PSII, särskilt då Mn4Ca och YZs funktion. Man visste sedan tidigare att PSII fungerar sämre vid extremt pH och onormala temperaturer, men man visste inte exakt hur det gick till eller vilken/vilka komponenter i PSII som drabbades. För att kunna följa vad som händer i PSII använder vi elektronparamagnetisk resonans (EPR) - en teknik som gör det möjligt att studera redox reaktioner på elektron-nivå. Genom att excitera PSII med laserblixtar istället för solljus, och genom att använda en särskild nedkylningsteknik kan vi frysa fem olika oxidationstillstånd hos mangan-klustret Mn4Ca-C som kallas för S0-, S1-, S2-, S3- och S4- tillstånden som vi sedan kan studera med EPR. Det visade sig att båda i alkaliskt och sur pH Mn4Ca cluster function nersattes kraftigt runt pK 4.5 och pK8. Detta är på ground av Mn4Ca-C oxidation Si-state övergång blockeras med dessa pK värdena. Efter flera laserblixtar ser man ofta att en del Mn4Ca-C i provet missar något S-tillstånd och så småningom blir därför hela reaktionen mer och mer osynkroniserad. Här visade sig temperaturen vara viktig; färre missar uppstod vid 2-10 ?C jämfört med vid högre temperatur och om missar ändå uppstod skedde det huvudsakligen vid övergång från S2 tillS3 och från S3 till S0 - det vill säga vid högre oxidation tillstånds hos Mn4Ca-C. Sammantaget drar vi slutsatsen att pH och temperatur påverkar PSIIs funktion redan vid det redox-aktiva mangan-klustret.