Photosynthetic Oxygen Evolution - EPR studies of the manganese cluster of photosystem II

Abstract: Popular Abstract in Swedish Fotosyntesen är den mest grundläggande förutsättningen för människans överlevnad. Genom att absorbera solenergi och omvandla den till kemiskt bunden energi i form av energirika organiska molekyler, står fotosyntesen för nästan all tillförsel av energi till vårt ekosystem. Energin utnyttjas som mat, till oss och till djuren vi beror av, och som bränsle, fossilt eller färskt. Som en biprodukt av denna fantastiska process produceras syrgas. De fotosyntetiserande växterna är vår enda källa till syrgas, och även detta är avgörande för vår överlevnad. Om jordens gröna växter inte omvandlade solenergi till kemisk energi, skulle vi inte existera. På två viktiga sätt är vi alltså beroende av växterna. Det omvända förhållandet gäller inte. Växterna var här långt före oss, och om vi dör ut kommer de att leva vidare. Att uppnå förståelse av en process som vi så fullständigt beror av är såklart av hög relevans. Förutom den allmänna nyfikenhet som driver forskningen framåt och vidgar den mänskliga kunskapsbanken, kan man identifiera två viktiga mål för fotosyntesforskning. Det ena målet är att förstå hur växterna fungerar, så att vi kan förstå problemen när jordens stora skogar dör, och kunna hejda det. Det andra målet är att när vi förstår hur växterna gör för att fånga energi med hjälp av bara sol och vatten, kanske vi kan härma det. Kemiska celler kapabla av högeffektiv energiupptagning, med vatten som utgångsmaterial för bränsleproduktion, vore lösningen på många problem. I tider av försurning och avskogning och andra negativa effekter av bristande respekt för jorden och de stora ekosystemen, i kombination med en snabbt ökande befolkning, är de här målen högst relevanta. Fotosyntesforskning De fotosyntetiska processerna är i stora drag kända. På molekylär och atomär nivå råder däremot mindre säkerhet. Fotosyntesen består av ett stort antal molekylära mekanismer, och flera av dessa är mycket komplexa. En viktig mekanism som ännu inte är helt klarlagd är oxidationen av vatten som leder till syrgasutveckling. Denna process utspelar sig i "the oxygen-evolving complex", OEC, som ingår i enzymet fotosystem II, PSII. Funktionen och strukturen av OEC kan studeras med hjälp av spektroskopi. När man gör ett spekrtoskopiskt experiment utsätter man sitt prov för elektromagnetisk strålning av olika våglängder. Proven som studerats i det här arbetet innehåller PSII-enzymer, framrenade ur spenatblad. Provet absorberar elektromagnetisk strålning av vissa våglängder, och strålningen som absorberats ger upphov till en spektroskopisk signal, som innehåller information om provet. Det finns ett stort antal spektroskopiska metoder, som alla extraherar olika sorts information ur ett prov. I den här studien har EPR-spektroskopi använts för att studera fotosyntetisk syrgasutveckling. Det är en metod som ger information om radikaler och övergångsmetaller, vilka ofta finns i enzymers aktiva säten. Syftet med denna avhandling Syftet med arbetet som presenterats här var att undersöka fotosyntetisk vattenoxidation på en molekylär och atomär nivå, genom att studera de magnetiska egenskaperna i hela vattenspjälkningscykeln. Jag har arbetat med PSII-prover frusna i de olika semistabila intermediärerna i vattenspjälkningscykeln, och studerat de magnetiska egenskaperna hos dessa intermediärer. Jag presenterar här en ny EPR-signal från OEC, och en noggrann karakterisering av OEC som bygger på denna signal. Jag har upptäkt viktiga skillnader mellan de olika intermediärerna, beträffande spinntillstånd, oxidationstillstånd och magnetiska relaxationsegenskaper. Det är min förhoppning att informationen som blottlagts i denna avhandling kommer att bidra till den fullständiga förståelsen av de livgivande processerna fotosyntes och syrgasutveckling.