Μελέτη του φωτοσυστήματος II των ανώτερων φυτών με χρήση λανθανιδίων
Authors: Χρόνη Σταματία 
Published: August 2021

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.