Μελέτη του φωτοσυστήματος II των ανώτερων φυτών με χρήση λανθανιδίων

Abstract

Lanthanide ions compete and replace calcium in its binding sites in PSII. Lanthanide substituted PSII membranes retain all three extrinsic polypeptides 17, 23 and 33 kDa, and the manganese complex. The enzyme which results with lanthanide treatment does not evolve oxygen. In the present study, EPR spectroscopy, thermoluminescence, and optical spectroscopy were used to probe at the oxidizing and reducing site of PSII, and the electron transfer properties of lanthanide treated and calcium depleted HM-cores. In lanthanide treated PSII membranes, the electron tranfer rate from the manganese complex to tyrosine YZ i is slowed, allowing accumulation of YZ i spins. At pH 7,5, the tyrosine YZ i is fully developed with high quantum efficiency, compatible to an inhibitedsystem such as Tris-PSII, which lacks the manganese cluster, and the extrinsic 17, 23, and 33 kDa polypeptides. It was demonstrated by kinetic EPR experiments, using Ln-PSII, that neither the extrinsic polypeptides (17, 23, and 33 kDa), nor the manganese complex block the accessibility of YZ i to exogenous reductants such as benzidine. In addition, it was shown that in the presence of the native manganese complex, exogenous Mn2+ has no access to tyrosine YZ i. At least one lanthanide ion binding site is close to tyrosine YZ as revealed by the power saturation properties of YZ i in the presence of paramagnetic lanthanides. When diamagnetic ions occupy the calcium binding site(s), there was not a magnetic interaction between the tyrosine YZ i and the (Mn)4 cluster. Therefore, in the presence of lanthanide ions, the modified manganese cluster is EPR silent, perhaps in a diamagnetic conformation. In the lanthanide treated PSII membranes the rebinding of 35Cl- ions are prevented. Chloride ions are required for oxygen evolution since they participate in the protolytic chemistry. Thus, an explanation can be given for the lack of oxygen evolution in Ln-PSII membranes. Electron Paramagnetic Resonance spectroscopy at low temperatures, He (l), andthermoluminescence experiments demonstrated that in Ln-PSII membranes, the manganesecluster does not proceed to higher oxidation states. Also, upon NO addition, neither the nonheam Fe2+-NO adduct, nor the Mn(II)-Mn(III), attributed to S0 and S-1 state of the manganese complex are formed. Reconstitution of the extrinsic 17 and 23 kDa polypeptides restored the EPR signal, g=1.84 (Fe2+-QA -). The observed effects on the reducing site are an example of a long range communication of changes introduced at the oxidizing site, and through the protein matrix, extended to the reducing site. At pH 6,0, in Ln-PSII systems, the tyrosine YZ is the intermediate electron carrier between the Mn cluster and the light oxidazable chlorophyll P680+. As detected by kinetic EPR, tyrosine YZ i spins are accumulated slowly, in a low quantum yield, in a manneranalogous to (2 N) NaCl treated and Ca2+ depleted PSII membranes. Time resolved optical spectroscopy showed that tyrosine YZ i in lanthanide treated HM-core, at pH 6,0, reduced P680+, with half life time in the order of microseconds (μsec) as in NaCl/EGTA and Ca2+ depleted systems. It was observed that when a (2 Ν) NaCl treated PSII, at pH 7,5 was exposed toreductants such as HQ, and NH2OH, the (Mn)4 cluster was retained intact at the oxygen evolving complex. On the contrary, when a lanthanide treated PSII sample, at pH 7,5, was exposed to the above reductants the manganese cluster was reduced and released, while incubation with Ca2+ did not protect the manganese cluster. These results support that calcium maintains the structural integrity of the oxygen evolving complex.

Στην παρούσα εργασία τρισθενή ιόντα λανθανιδίων χρησιμοποιήθηκαν για να αντικαταστήσουν το Ca2+ στις θέσεις δέσμευσής του στο PSII των ανωτέρων φυτών. Τα ιόντα λανθανιδίων ανταγωνίζονται και αντικαθιστούν τα ιόντα Ca2+. To ένζυμο που προκύπτει με την κατεργασία ιόντων Ln3+ διατηρεί το σύμπλοκο του (Mn)4, καθώς τις εξωτερικές υδρόφιλες 17, 23, και 33 kDa πρωτεΐνες, αλλά δεν εκλύει οξυγόνο. Η φασματοσκοπία EPR, η θερμοφωταύγεια, καθώς και η οπτική φασματοσκοπία χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθεί η οξειδωτική και η αναγωγική πλευρά του ενζύμου PSII σε κατεργασμένες PSII μεμβράνες, και η ηλεκτρονιακή ροή σε κατεργασμένους πυρήνες HM-core. Σε Ln-PSII μεμβράνες η ηλεκτρονιακή ροή από το σύμπλοκο του μαγγανίου στην τυροσίνη YZi παρεμποδίζεται έτσι ώστε να επιτρέπεται η πλήρης ανάκτηση των spins της YZi. Σε pH 7,5, αυτό επιτυγχάνεται με υψηλή κβαντική απόδοση ανάλογη των Tris-PSII μεμβρανών, από τις οποίες απουσιάζει το σύμπλοκο του Μn και οι εξωτερικές 17, 23, και 33 kDa πρωτεΐνες. Με κινητική φασματοσκοπία EPR αποδείχθηκε ότι στις Ln-PSII μεμβράνες οι εξωτερικές πρωτεΐνες 17, 23 και 33 kDa, και το σύμπλοκο του μαγγανίου δεν προστατεύουν την τυροσίνη YZi από εξωγενή αναγωγικά όπως τη βενζιδίνη. Επίσης, παρουσία του φυσιολογικού συμπλόκου του (Mn)4 δείχθηκε ότι το εξωγενές Mn2+ δεν ανάγει την τυροσίνη YZi. Τουλάχιστον μία θέση δέσμευσης των ιόντων λανθανιδίων βρίσκεται κοντά στην τυροσίνη YZ, όπως έδειξαν οι ιδιότητες κορεσμού του σήματος της ΥΖi παρουσία παραμαγνητικών ιόντων. Όταν διαμαγνητικά ιόντα Ln3+ καταλαμβάνουν τις θέσεις δέσμευσης του Ca2+, δεν παρατηρήθηκε μαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ της ρίζας YZi και του συμπλόκου του Mn, δηλώνοντας ότι το σύμπλοκο του Mn βρίσκεται σε μία τροποποιημένη κατάσταση, η οποία είναι EPR σιωπηλή και πιθανόν σε διαμαγνητική μορφή. Στις κατεργασμένες με λανθανίδια PSII μεμβράνες, εμποδίζεται η επανασύνδεση των ιόντων χλωρίου (35Cl-). Tα ιόντα χλωρίου είναι απαραίτητα για την έκλυση οξυγόνου. Όπως έχει προταθεί, τα χλώρια συμμετέχουν στην πρωτολυτική χημεία του PSII. Η μη επανασύνδεσή τους δικαιολογεί τη μηδενική έκλυση οξυγόνου στις Ln-PSII μεμβράνες. Πειράματα φασματοσκοπίας EPR χαμηλών θερμοκρασιών (He)l, έδειξαν ότι το σύμπλοκο του μαγγανίου, στις Ln-PSII μεμβράνες δεν προάγεται σε ανώτερες οξειδωτικές καταστάσεις . Όταν προστέθηκε NO, δεν δημιουργήθηκε το σύμπλοκο με το μη αιμικό σίδηρο Fe2+-NO, σε τιμή g=4. Επίσης, δεν σχηματίστηκε η κατάσταση του συμπλόκου του Mn, Mn(II)-Mn(III), που αποδίδεται στην S0 ή S-1 κατάσταση. Η επανασύνδεση των εξωτερικών πρωτεϊνών 17 και 23 kDa επανέφερε το σήμα g=1.84, το οποίο οφείλεται στη μαγνητική αλληλεπίδραση του μη αιμικού σιδήρου Fe2+ με τη QA-. Τα παρατηρούμενα αποτελέσματα είναι συνέπεια των αλλαγών στην οξειδωτική πλευρά και τα οποία μέσω της πρωτεϊνικής δομής επικοινωνούν στην αναγωγική πλευρά του PSII. Σε pH 6,0 στις κατεργασμένες με ιόντα λανθανιδίων PSII μεμβράνες, ο δότης ηλεκτρονίων στην οξειδωμένη χλωροφύλλη P680+ είναι η τυροσίνη YZ. Όπως ανιχνεύτηκε με κινητική φασματοσκοπία EPR, τα spins της τυροσίνης YZi συσσωρεύονται αργά ανάλογα με τα δείγματα από τα οποία έχει απομακρυνθεί το Ca2+ με κατεργασία με 2 Ν ΝaCl. Ανάλυση των αποτελεσμάτων οπτικής φασματοσκοπίας έδειξε ότι η αναγωγή της P680+ πραγματοποιείται μέσω της τυροσίνης YZi με χρόνους ημιζωής της τάξεως των μsec, παρόμοια με τις PSII μεμβράνες επεξεργασμένες με 2 Ν NaCl. H αντικατάσταση του Ca2+ από ιόντα Ln3+ αποσταθεροποιεί το σύμπλοκο έκλυσης οξυγόνου, έτσι ώστε προσθήκη ηλεκτρονιοδοτών όπως η υδροξυλαμίνη και η υδροκινόνη, προκαλεί την αναγωγή του μαγγανίου.