Informacije

D6. Oksidacija vode - Kokov ciklus - Biologija

D6. Oksidacija vode - Kokov ciklus - Biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mehanizam kojim se voda oksidira odvija se kroz petostepeni Kok ciklus koji je ilustrovan u nastavku?

Slika: Kok ciklus

Stanja Sn u Kok dijagramu označavaju različita diskretna oksidaciona stanja gdje je n broj oksidativnog “ekvivalenta” pohranjenog u OEC tokom progresije ciklusa.

Šta se dešava sa ionima Mn u OEC-u tokom ciklusa? Šta je potrebno za pokretanje sljedeće faze ciklusa počevši od So? Koja je uloga Y161.+, aminokiselina u PS2 koja je vrlo bliska OEC-u kao što je prikazano na slici ispod?

Slika: Y 161 i OEC

Predložen je novi mehanizam zasnovan na nedavnoj kristalnoj strukturi. Mogući model za S3 je prikazan ispod sa iskrivljenom kubanskom strukturom i sa oksi i oksil ligandima. Dodajte zakrivljenu strelicu da pokažete kako se stvara veza kiseonik-kiseonik.

Slika: Model za S3 ciklusa Kok

S obzirom na maksimalno pakiranje liganada (uključujući vodu) oko OEC-a, mora postojati način da voda uđe u mjesto i da se protoni koji se uklone udalje od kompleksa prema lumenu gdje bi doprinijeli razvoju protonski gradijent.

Tyr 161 je kritična aminokiselina koja se nalazi proksimalno i od OEC-a i od izvora elektrona koji redukuju vodu. Slika ispod prikazuje neposredno okruženje oko Y161 i OEC-a. Opišite ulogu grupa prikazanih na donjoj slici. Prošireni prikaz OEC-a i dijela proteina prikazan je desno. Tyr 137 leži blizu luminalnog interfejsa proteinskog kompleksa. Opišite sliku ispod i prikazanu ulogu grupa.

Slika: Okruženje Y161 u OEC-u T. vulcanus

Saradnici

  • Henry Jakubowski (Koledž St. Benedict/St. John's University)

Period četiri oscilacije intermedijara S stanja oksidacionog kompleksa vode u fotosistemu II (PSII) se obično analizira pomoću Kok parametara. Važan faktor promašaja određuje efikasnost za svaki S prelaz. Obično se u analizi koristi faktor jednakog promašaja. Koristili smo EPR signale koji ispituju sva S stanja u istom uzorku tokom napredovanja S ciklusa. Ovo omogućava, po prvi put, direktno mjerenje parametra promašaja za svaki prijelaz S stanja. Eksperimenti su izvedeni u PSII membranskim preparatima iz spanaća u prisustvu akceptora elektrona na 1°C i 20°C. Podaci pokazuju da je parametar promašaja različit u različitim prijelazima i pokazuje različitu temperaturnu ovisnost. Nismo pronašli promašaje na 1 °C i 10% promašaja na 20 °C tokom S1→S2 tranzicija. Najveći faktor promašaja pronađen je u S2→S3 prelaz koji se smanjio sa 23% na 16% sa porastom temperature. Za S3→S0 tranzicija parametar promašaja je 7% na 1 °C i smanjen na 3% na 20 °C. Za S0→S1 tranzicije parametar promašaja je bio približno 10% na obje temperature. Raspravlja se o doprinosu akceptorske strane u obliku reakcija rekombinacije kao i sa strane donora PSII neujednačenim promašajima. Predlaže se da različita efikasnost tranzicije u svakom S prijelazu dijelom odražava hemiju na CaMn4O5 klaster. To posljedično doprinosi neujednačenim promašajima tokom obrtanja S ciklusa u PSII.

Ovaj rad podržali su Švedsko istraživačko vijeće, Švedska energetska agencija i Knut i Alice Wallenberg fondacija.


D6. Oksidacija vode - Kokov ciklus - Biologija

Proizvodnja vodonika cijepanjem vode može biti privlačno rješenje za buduće energetske potrebe. Da bi se vodik efikasno evoluirao na održiv način, potrebno je prvo sintetizirati ono što možemo nazvati 'super katalizatorom' za oksidaciju vode, što je izazovnija polureakcija cijepanja vode. Efikasan sistem za oksidaciju vode postoji u kompleksu za oksidaciju vode u cijanobakterijama, algama i biljkama. Nadalje, nedavno objavljeni podaci o klasteru mangan-kalcijum dali su detalje o mehanizmu i strukturi oksidacionog kompleksa vode. Ovdje smo ukratko pregledali karakteristike prirodnog sistema sa stanovišta onoga što bismo mogli naučiti iz njega da proizvedemo efikasan vještački sistem. Ukratko, da bismo dizajnirali efikasan kompleks za oksidaciju vode za umjetnu fotosintezu, moramo naučiti i mudro koristiti znanje o oksidaciji vode i kompleksu za oksidaciju vode u prirodnom sistemu. Ovaj članak je dio posebnog izdanja pod naslovom: Istraživanje fotosinteze za održivost: od prirodnog do umjetnog.


Rezultati i diskusija

Nedavno smo bili u mogućnosti da pomirimo naizgled različita eksperimentalna zapažanja o oksidaciji vode rutenijum plavim dimerom opsežnim nizom eksperimenata hemijskog mešanja sa spektralnim i elektrohemijskim praćenjem. Ova zapažanja su otkrila složen mehanizam koji uključuje niz pH zavisnih intermedijara (21). Sa ovim uvidom u ruci, sada izvještavamo o strategiji za poboljšanje katalitičkih brzina zasnovanu na dodanim redoks medijatorima koji povećavaju stope katalize oksidacije vode plavim dimerom poboljšavajući spori korak u ukupnom katalitičkom ciklusu.

Moćna metoda za proučavanje mehanizma oksidacije plavog dimera je spektrofotometrijsko praćenje promjena apsorpcije otopine nakon dodavanja snažnog hemijskog oksidansa Ce(IV) sa E°′[Ce(IV/III)] = 1,74V u odnosu na normalnu vodikova elektroda (NHE) u 1,0 M HClO4. Dimer i njegova različita oksidaciona stanja snažno apsorbiraju svjetlost u vidljivom dijelu zbog kombinacije Ru–O–Ru apsorpcija na bazi mosta i prijenosa naboja (21). Upotreba Ce(IV) je ograničena na jako kisele otopine kako bi se izbjegle kompleksne hidrolize koje se javljaju iznad pH = 1 (30).

Dodatak 1 ekv. Ce(IV) otopinama koje sadrže ((bpy)2(H2O)Ru III ORu III (OH2)(bpy)2) 4+ ((H2O)Ru III ORu III (OH2) 4+ ) u 0,1 M HNO3 daje [(bpy)2(HO)Ru IV ORu III (OH2)(bpy)2] 4+ ((HO)Ru IV ORu III (OH2) 4+ ) (Eq. 1), sa λmax = 495 i 1,173 nm. Dodatak još 2 ekv. Ce(IV) (Eq. 2) daje prethodno karakterizirani [(bpy)2(O)Ru V ORu IV (O)(bpy)2] 3+ ((O)Ru V ORu IV (O) 3+ ), sa λmax = 488 i 710 nm. Ova reakcija se odvija u dva koraka sa k(298 K, 0,1 M HNO3) = 4,5 × 10 3 M −1 ·s −1 za prvi korak dajući međuproizvod Ru IV –O–Ru IV . Nestabilan je u odnosu na disproporcionalnost i podvrgava se daljoj, brzoj oksidaciji dajući (O)Ru V ORu IV (O) 3+ (21). Označavanje lokaliziranih oksidacijskih stanja u ovom i srodnim intermedijarima miješane valentnosti je pogodno. Postoje dokazi za jaku elektronsku spregu preko μ-okso mosta, a oksidaciona stanja mogu biti delokalizovana, (O)Ru 4,5 Ru 4,5 (O) 3+ (31, 32).

Oksidacija preko (O)Ru V ORu IV (O) 3+ sa 1 ekv. dodanog Ce(IV) daje intermedijer (I) sa λmax = 482 i 850 nm. Isti intermedijer se pojavljuje nakon dodavanja 3 ekv. Ce(IV) u (HO)Ru IV ORu III (OH2) 4+ . Redox titracije sa dodatkom Fe 2+ kao redukcionog agensa pokazuju da dodavanje 4 ekv. Fe 2+ dovodi do kvantitativne redukcije I do (H2O)Ru III ORu III (OH2) 4+ . Povećanje koncentracije kiseline na 1,0 M HNO3 rezultira spektralnim pomacima apsorpcije na λmax = 451 i 750 nm. Promjene apsorpcije s koncentracijom kiseline su reverzibilne i konzistentne sa kiselinsko-baznom ravnotežom između I i drugi, protonirani oblik (II) prikazano u jednadžbi. 5 sa 0 < pKa < 1.

Izgled intermedijera na λmax = 482 i 850 nm nastaje brzo nakon jednoelektronske oksidacije (O)Ru V ORu IV (O) 3+ u (O)Ru V ORu V (O) 4+ . Potonji se ne stvara kao vidljivi prolazni proces, već je zarobljen kao nestabilni crni ClO4 − sol u ledeno hladnom 1,0 M HClO4 (17).

U Eq. 5 intermedijer je formuliran kao terminalni peroksid, (HO2)Ru III ORu V (O) 3+ . Ova formulacija je u skladu s rezultatima redoks titracije i kiselinsko-bazne ravnoteže u jednadžbi. 5. To je također u skladu s rezultatima DFT proračuna Yanga i Baika (29), koji predviđaju peroksidni intermedijer. Raspodjela oksidacijskog stanja u deprotoniranom obliku I je nepoznat, ali je u skladu sa gubitkom protona i stabilizacijom formiranjem okso u Ru V = O (33).

Nakon dodavanja 30 eq Ce(IV), peroksidni intermedijer je dominantan oblik u katalitičkom stabilnom stanju, kao što je pokazano mjerenjima vidljive apsorpcije. Pod ovim uslovima, gubitak Ce(IV), praćen na 360 nm, je prvog reda u srednjem i prvog reda u Ce(IV) sa k(298 K, 0,1 M HNO3) = 183 M −1 ·s −1 . Ova zapažanja ukazuju na oksidaciju koja ograničava brzinu (HO2)Ru III ORu V (O) 3+ praćeno brzim O2 evolucija (jednad. 6 i 7) kao završni koraci u ciklusu oksidacije. Na kraju ciklusa kada je Ce(IV) uveliko iscrpljen, korak koji ograničava brzinu se mijenja u Ce(IV) oksidaciju (O)Ru V ORu IV (O) 3+, što pokazuje njegovo nakupljanje u otopini na λmax = 488 i 710 nm.

Na osnovu ovog mehaničkog uvida, osmislili smo strategiju za poboljšanje katalitičke oksidacije vode dodavanjem kinetički lakih medijatora za prijenos elektrona, Ru(bpy)2(L-L) 2+ [L-L je bpy, 2,2′-bipirimidin (bpm) i 2,2′-bipirazin (bpz)] i [Ru(bpm)3] 2+ . Sa ovim varijacijama liganda, redukcijski potencijali za odgovarajuće Ru(III/II) parove (E°′ u odnosu na NHE) variraju sistematski: 1,27, 1,40, 1,49 i 1,69 V, respektivno. Oksidacija u njihove Ru(III) oblike pomoću Ce(IV) je spontana ili skoro spontana sa E°′(Ce(IV/III) = 1,60 V u 1 M HNO3. Ovi parovi prolaze kroz lagani prijenos elektrona sa konstantama brzine samorazmjene između Ru(bpy)2(L) 3+ i Ru(bpy)2(L) 2+ se formira reda veličine od 10 8 do 10 9 s −1, dok je konstanta brzine samorazmjene za Ce(IV/III) par sporija za redove veličine (34).

Rezultati dobijeni spektrofotometrijskim praćenjem gubitka Ce(IV) na 360 nm pod katalitičkim uslovima sa 30 ekv. dodatog Ce(IV) i dodatog medijatora sumirani su u tabeli 1. Pod ovim uslovima peroksidni intermedijer, kao I ili II ovisno o kiselosti, i dalje dominira u katalitičkom stabilnom stanju (sl. 2 i 3). Podaci u Tabeli 1 pokazuju povećanje brzine oksidacije vode faktorima do ≈30 kao rezultat posredovane oksidacije peroksidnog intermedijera (Eq. 8 i 9). Poboljšanja brzine se mogu pripisati međudjelovanju između oksidacije RuL-a koja ograničava brzinu3 2+ (jednak. 8) i oksidaciju peroksidnog intermedijera koja ograničava brzinu (Eq. 9). Na primjer, konstanta brzine oksidacije [Ru(phen)3] 2+ sa Ce(IV) u 0,1 M HNO3 (≈10 5 M −1 ·s −1 vidi ref. 35) je ≈500 puta brža od oksidacije (HO2)Ru III ORu V (O) 3+ od [Ru(bpy)3] 3+ (≈1,9 × 10 3 M −1 ·s −1 ). S druge strane, nema katalize pomoću [Ru(bpy)2(bpz)] 2+ u 0,1 M HNO3 (Tablica 1) zbog spore oksidacije RuL-a3 2+ od Ce(IV).

Uočene konstante brzine gubitka Ce(IV) oksidacijom peroksido intermedijera I (0,1 M HNO3) ili II (1,0 M HNO3) na 298 K


U fotosintezi kiseonika, sunčeva energija pokreće oksidaciju vode koju katalizira Mn4Ca kompleks vezan za proteine ​​fotosistema II. Četiri protona se oslobađaju tokom jednog obrta ciklusa oksidacije vode (ciklus S-stanja), što implicira termodinamička ograničenja pri niskom pH. Za koncentracije protona u rasponu od 1 nm (pH 9) do 1 mm (pH 3), okarakterizirali smo ograničenja niskog pH koristeći novi eksperimentalni pristup: specifičan protokol skoka pH vrijednosti u kombinaciji sa mjerenjem odložene fluorescencije klorofila s vremenskim razlučivanjem. nakon nanosekundne ekscitacije blica. Efektivno strK Određene su vrijednosti za inhibiciju s niskim pH tranzicije S-stanja izazvane svjetlom: strK1 = 3,3 ± 0,3, strK2 = 3,5 ± 0,2 i strK3 ≈ strK4 = 4,6 ± 0,2. Alkalna inhibicija nije uočena. Proširenje klasičnog Kokovog modela olakšalo je dodjeljivanje ove četiri strK vrijednosti za specifične korake deprotonacije u ciklusu reakcije. Naši rezultati pružaju značajnu podršku modelu proširenog ciklusa S-stanja i kriterijumima potrebnim za procenu kvantnih hemijskih proračuna mehanizma oksidacije vode. Oni također impliciraju da, u intaktnim organizmima, pH u odjeljku lumena teško može pasti ispod 5, čime se ograničava doprinos ΔpH pokretačkoj sili sinteze ATP-a.

Ovaj rad je djelimično podržan od strane Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 498, Berlin), UniCat klastera izvrsnosti (Ujedinjujući koncepti u katalizi, Berlin), njemačkog Ministarstva obrazovanja i istraživanja (Bio-H2, 03SF0318C i H2 Design Cell, 03SF0355D) i Europska unija (SOLAR-H2 516510).

Podržan od strane stipendije Alexander-von-Humboldt fondacije.


D7. Hlorofili i reakcioni centar

  • Priložio Henry Jakubowski
  • Profesor (hemija) na College of St. Benedict/St. John's University

Fotosintetske bakterije i biljke imaju obilje molekula koje stupaju u interakciju s vidljivom svjetlošću. Glavni pronađen u PS2 je hlorofil a čija je struktura prikazana u nastavku.

U PS2 postoji 35 hlorofila. Njih sedam koristi vodu kao ligand za Mg ion, dok ostali koriste His (kao što je prikazano u primjeru iznad). Zašto bi moglo biti toliko hlorofila u PS2? Hlorofili (Chl) su raspoređeni u vrlo specifičnom rasporedu kao što je prikazano u nastavku.

Slika: PS2 reakcioni centar i antene hlorfili - pregled

Dva posebna hlorofila, ChlD 1 i ChlD 2 , praćen partnerskim hlorofilima, P D1 i P D2 koji su komplanarni svakom, nalaze se u blizini OEC-a i ključni su klorofili koji pretvaraju OEC u dovoljno moćan oksidans da oksidira H 2 O. Ova 4 hlorofila se nazivaju reakcioni centar. Koja bi mogla biti uloga klorofila u &ldquoantennae&rdquo podjedinici &ldquoaktivirajući&rdquo reakcioni centar?

Sada ćemo razmotriti ključni proces: kako reakcioni centar hlorofil postaje prirodni i najmoćniji oksidans.

Slika: Reakcioni centar T. vulcanus

Zašto bi molekul &ldquob&rdquo mogao imati nižu energiju pobuđenog stanja? Prikažite dodavanjem strelica i pomeranjem datih elektrona u gornjem dijagramu kako ekscitacija molekule a može dovesti do konačnog stanja prikazanog desno. Koliki bi bio naboj na molekuli &ldquoa&rdquo? Molekul &ldquob&rdquo? Koji bi mogao biti moćan oksidans?

Zatim moramo razmotriti kako oksidans napravljen u reakcionom centru, označen kao P680 .+ dovodi do promjena u OEC-u kao što je ilustrovano na S 0-4 oksidativni intermedijeri u Kok ciklusu.

Slika: Y161 Radikalna formacija

Na osnovu gornjih slika, koji hlorofil u reakcionom centru, ChlD 1 ili ChlD 2 predstavlja molekul &ldquoa&rdquo na gornjoj lijevoj slici? Molekul &ldquob&rdquo? Koja bi mogla biti uloga komplanarnih partnerskih molekula P D1 i P D2 ?

U stvarnosti, kvantnomehanički proračuni pokazuju spregu između ChlD1 ili ChlD2 tako da se 80% pozitivnog naboja i karaktera radikala nalazi na ChlD1, a 20% na ChlD2.) Kako Y161 .+ dovodi do sekvencijalnog prijenosa &ldquooksidirajućih&rdquo ekvivalenata na OEC? Kako se Y161 regeneriše tako da se kataliza nastavi?

Posljednja karakteristika koju treba razmotriti je sudbina drugog člana reakcionog para predstavljenog molekulom &ldquob&rdquo desno. Takođe se mora regenerisati. Šta se mora izgubiti da bi se regenerisalo?

Kofaktori vezani u reakcionom centru omogućavaju put za protok elektrona. To uključuje feofitine (PHE) i plastokinone A i B. Feofitini su molekule hlorofila a bez centralnog Mg jona. Struktura plastokinona je prikazana iznad. Pratite vjerovatnu putanju protoka elektrona od molekula &ldquob&rdquo do Phe, PQA i zatim do PQB (sa spoznajom da se kvantno mehaničko spajanje i tuneliranje javljaju u ovom procesu tako da je proces povezan).


Abstract

Fotosintetička oksidacija vode odvija se u centru za oksidaciju vode (WOC) fotosistema II (PSII). Da bi se razjasnio mehanizam oksidacije vode, od suštinskog je značaja otkrivanje molekula vode u WOC-u i praćenje njihovih reakcija na molekularnom nivou. U ovoj studiji po prvi put smo otkrili DOD vibracije savijanja funkcionalnog D2O molekule tokom ciklusa S-stanja WOC-a pomoću infracrvene (FTIR) diferencijalne spektroskopije Fourier transformacije. Fleš-inducirani FTIR diferencijalni spektri nakon prijelaza u S-stanje mjereni su korištenjem kompleksa jezgre PSII iz Thermosynechococcus elongatus umjereno deuterisan sa D2 16 O i D2 18 O. D2 16 O-minus-D2 Spektri 18 O dvostruke razlike na pojedinačnim prijelazima S-stanja pokazuju šest do osam pikova koji proizlaze iz D 16 OD/D 18 OD vibracija savijanja u području 1250-1150 cm -1. Ovo zapažanje ukazuje da najmanje dva molekula vode, ne u bilo kakvom deprotoniranom obliku, učestvuju u reakciji pri svakom prijelazu u S-stanje tokom ciklusa. Većina pikova je pokazala jasne kontra pikove sa suprotnim predznacima na različitim prijelazima, odražavajući seriju reakcija molekula vode na katalitičkom mjestu. Nasuprot tome, negativne trake na ∼1240 cm -1 u S2 → S3, S3 → S0, a moguće i S0 → S1 tranzicije, za koje nisu pronađeni jasni kontra pikovi u drugim prijelazima, mogu se tumačiti kao umetanje vode supstrata u WOC iz vodenog klastera u proteinima. Karakteristike slabo D-vezanih OD traka rastezanja bile su u skladu sa umetanjem supstrata iz unutrašnjih molekula vode u S2 → S3 i S3 → S0 tranzicije. Rezultati ove studije pokazuju da je FTIR detekcija vibracija savijanja DOD moćna metoda za istraživanje molekularnog mehanizma fotosintetske oksidacije vode, kao i drugih enzimskih reakcija koje uključuju funkcionalne molekule vode.


Naslov: Da li je deprotonacija kompleksa fotosistema II koji evoluira kiseonik tokom S 1 → S 2 Tranzicija potisnuta protonskom kvantnom delokalizacijom?

Mi se bavimo protonacijskim stanjem liganada dobijenih iz vode u kompleksu koji evoluira kiseonik (OEC) fotosistema II (PSII), pripremljenog u S2 stanje Kokovog ciklusa. Vršimo proračune kvantne mehanike/molekularne mehanike konstanti hiperfine izotropne sprege protona, uz direktna poređenja sa eksperimentalnim podacima iz dvodimenzionalne hiperfine korelacione spektroskopije (HYSCORE) i proširene fine strukture apsorpcije X-zraka (EXAFS). Pronalazimo vodoničnu vezu niske barijere sa značajnom delokalizacijom protona koji dijeli ligand koji potiče iz vode, W1, i ostatak asparaginske kiseline D1-D61 polipeptida D1. Smanjenje energije nulte tačke zajedničkog protona zbog kvantne delokalizacije onemogućava njegovo oslobađanje u lumen tokom S1→ S2 tranzicija. Zadržavanje protona olakšava kretanje protona tokom izomerizacije tetranuklearnog mangan–kalcijum–okso (Mn4Ca-oxo) klaster, od "otvorene" do "zatvorene" konformacije, korak za koji se iz prethodnih studija sugerira da je neophodan za evoluciju kisika. Naši nalazi sugeriraju da kvantno-delokalizirani protoni, stabilizirani vodoničnim vezama niske barijere u modelnim katalitičkim sistemima, mogu olakšati akumulaciju višestrukih oksidirajućih ekvivalenata na niskim prepotencijalima.


REZULTATI

EPR sonde za S ciklus

The S1 stanje je stabilno u mraku i prisutno je u 100% PSII centara nakon primjene postupka predbljeskanja (15, 28, 35, 36). S2, S3, i S0 stanja dominiraju u uzorcima nakon primjene jednog, dva ili tri zasićujuća laserska bljeska, respektivno. Zamrzavanje fleširanih PSII uzoraka unutar 1𠄲 s nakon posljednjeg bljeska zadržava redoks konfiguraciju WOC-a u odgovarajućem S stanju i omogućava dalja spektroskopska istraživanja.

Slika 2 prikazuje EPR signale koje smo koristili za pristup ovim S stanjima. Split S1 (A), Split S3 (C), i Split S0 (D) signali su indukovani osvjetljenjem na 5 K i korišteni su za analizu S1, S3, i S0 država, respektivno. S2 višelinijski signal stanja, formiran neposredno nakon jednog bljeska (slika 2 B) korišten je za analizu S2 stanje. Uzeti zajedno, ovi signali su nam omogućili da imamo potpunu sliku distribucije S stanja u PSII u svakom uzorku.

Kvantifikacija distribucije stanja S nakon primjene bljeskova prometa

Sinhronizovani PSII uzorci dobili su nula do šest zasićenih bljeskova na frekvenciji od 1,25 Hz. Slika 3 prikazuje EPR spektre snimljene u uzorcima koji su bljeskali na 1 ଌ. Raspodjela S stanja određena je EPR spektroskopijom i prikazana je u Tabeli 1. U našim uzorcima prilagođenim tami (nula bljeskova, spektri a) promatrali smo samo Split S1 EPR spektar (slika 3 A, spektar a). Ovo predstavlja 100% PSII centara (36). Nije bilo zadržavanja (nakon predbljeska) S2 stanje u ovom uzorku o čemu svjedoči nedostatak S2 višelinijski signal stanja (slika 3 B, spektar a). Nakon jednog bljeska (spektri b), S2 formiran je višelinijski signal stanja (slika 3 B, spektar b) dok je splitska S1 signal je potpuno nestao (slika 3 A, spektar b). Ovo ukazuje na 100% efikasnost u S1 do S2 stanje prometa na 1 ଌ i naši uslovi treperenja (Tabele 1 i ​ i 2) 2) kao što smo mi ranije prijavili (36). U istoj publikaciji vrlo mali osnovni signal, vidljiv na slici 3 A, spektar b, pokazalo se da ne potiče od S1 stanje (36).

EPR spektri koji se koriste za kvantifikaciju udjela PSII centara u različitim S stanjima nakon nula do šest zasićenih bljeskova sa frekvencijom bljeska od 1,25 Hz pri 1 ଌ (spektri a–g, odnosno). A, oscilacija zavisna od bljeska Splita S1 (strelice), S3 (zvijezde), i S0 (barovi) EPR signali inducirani osvjetljenjem vidljivom svjetlošću u trajanju od 4 min na 5 K. Spektri su svjetlosni minus tamni različiti spektri. Spectra d i e in tačkasta linija predstavljaju dekonvoluirani Split S0 i Split S1 spektri, odnosno, dobijeni kako je opisano u Ref. 36. B, oscilacija S zavisna od blica2 višelinijski EPR signal. Veliki intenzitet iz YD • u centru svakog spektra je uklonjen radi jasnoće (isprekidana linija). C, oscilacija zavisna od bljeska Splita S3 (zvijezde) EPR signal induciran osvjetljenjem NIR svjetlom u trajanju od 10 min na 5 K. Prikazani spektri su svjetlo minus tamni različiti spektri. Vrhovi koji se koriste za kvantifikaciju EPR signala su označeni sa strelice (S1, A), barovi (S0, A i S2, B), i zvijezde (S3, A i C). EPR uslovi: za A i C, mikrovalna snaga 25 mW, mikrovalna frekvencija 9,27 GHz, amplituda modulacije 10 G, T 5 K za B, mikrovalna snaga 10 mW, mikrovalna frekvencija 9,27 GHz, amplituda modulacije 20 G, T 10 K.

TABELA 1

Distribucija različitih S stanja (postotak ukupnog PSII) u PSII uzorcima nakon primjene nula do šest obrtnih bljeskova datih na frekvenciji od 1,25 Hz pri 1 ଌ i 20 ଌ

Frakcija Si stanje je određeno iz EPR spektra kako je opisano pod “Rezultati.”

Temperatura i blic br.S1S2S3S0S1 (2.) S2 (2.) S3 (2.) Ukupno
%%%%%%%%
1 ଌ
   𠀰100 100
   𠀱 100 100
   𠀲 23 ± 177 100
   𠀳 523 ± 172 100
   𠀴 2 ± 27 ± 12365 97
   𠀵 310 ± 12266 ± 2 101
   𠀶 3 ± 18355399
20 ଌ
   𠀰100 100
   𠀱1090 100
   𠀲 23 ± 176 99
   𠀳 522 ± 174 101
   𠀴 4722 ± 366 99
   𠀵 392461 ± 2 97
   𠀶 4937 ± 252102

TABELA 2

Parametri promašaja u svakom S prijelazu određeni iz rezultata u Tabeli 1 (frekvencija bljeskanja od 1,25 Hz)

Faktor promašaja je dat u procentima ukupnog PSII u odgovarajućem S stanju prije blica.

TemperaturaS1→S2S2→S3S3→S0S0→S1S1→S2 (2.) aS2→S3 (2.) aUkupno bProsjek c
%%%%%%%%
1 ଌ0237100204010
20 ଌ10163118154010

a Promašaj parametara prijelaza drugog obrta S ciklusa.

b Zbir promašaja za sve S prelaze prvog obrtaja S ciklusa.

c Prosječan promašaj za svaki prijelaz prvog okreta S ciklusa.

Nakon dva okreta trepće S3 država je formirana u većini centara. 23% PSII centara nije napredovalo u S3 stanje (Tabela 1) kako se može utvrditi iz S2 stanje višelinijskog signala koji je ostao nakon dva treptaja (slika 3 B, spektar c). Preostalih 77% PSII napredovalo je u S3 stanje. Iz tih centara nastao je veliki Split S3 EPR signal (slika 3, A i C, spektri c) pod vidljivim i NIR osvjetljenjem na 5 K. Tako je uočen promašaj koji uključuje 23% PSII u S2S3 prelaz na 1 ଌ (Tabela 2).

Primjena tri bljeska (slika 3, spektri d) rezultiralo je uzorcima u kojima je S0 država je dominirala (72%, tabela 1). 5% PSII je ostalo u S2 stanje (slika 3 B, spektar d, mali S2 višelinijski doprinos) i 23% u S3 stanje (slika 3 C, spektar d prikazuje prilično veliki Split S3 signal Tabela 1). The S0 stanje je u korelaciji s indukcijom splitskog S0 EPR signal (slika 3 A, spektar d) kao što je ranije opisano (36). 4 Dakle, u S3S0 tranzicije, tokom koraka formiranja i oslobađanja kiseonika, faktor promašaja od 7% je uočen na 1 ଌ (Tabela 2).

Na sličan način smo secirali S0S1 prelaz stanja u uzorcima podvrgnutim četiri bljeska na 1 ଌ. EPR spektri su prikazani na slici 3 (spektri e). Osvjetljenje uzoraka vidljivom svjetlošću rezultiralo je formiranjem pretežno Split S1 EPR signal s nekim doprinosom Split S0 signal (slika 3 A, spektar e). Tragovi splitskog S3 Uočen je i EPR signal, dok je S2 višelinijski signal je bio odsutan. Potpuni nestanak S2 višelinijski EPR signal nakon tri ili četiri treptaja (slika 3 B, Tabela 1 ) ukazuje na odsustvo populacije PSII centara koja je “zaglavljena” u S2 stanje u našim pripremama (30, 31). Split S3 procijenjeno je da signal odgovara 7% ukupne količine PSII centara (slika 3, A i C, spektri e). 23% centara je i dalje ostalo u S0 država dok je većina centara (65%) napredovala u S1 stanje. Ovo je predstavljeno tačkasti spektar e na sl. 3 A splitskog S1 signal dobiven nakon oduzimanja odgovarajućih frakcija Split S3 i Split S0 signali (36). Iz ovoga proizlazi faktor promašaja u S0S1 tranzicija je izračunata na 10% na 1 ଌ (Tabela 2).

Primjena pet ili šest bljeskova unaprijedila je naše PSII uzorke do, dominantno, S2 i S3 države drugog prometa PSII, respektivno. To je ilustrovano ponovnim pojavljivanjem S2 stanje višelinijsko (slika 3 B, spektar f) i Split S3 EPR signali (slika 3, A i C, spektri g). Analiza ovih spektra otkrila je raspodjelu S stanja u uzorcima PSII nakon primjene pet i šest bljeskova (Tabela 1). Faktori promašaja druge lopte S1S2 i S2S3 Utvrđeno je da su prijelazi stanja gotovo identični odgovarajućim faktorima promašaja u prvom obrtu WOC-a (Tabela 2).

Poznato je da prijelazi S stanja jako zavise od temperature (18, 23, 41). Gore opisani eksperimenti izvedeni su na 1 ଌ. Izveli smo sličan skup eksperimenata i na 20 ଌ. Rezultati su prikazani u tabelama 1 i ​ i 2. 2 . Tačna vrijednost faktora promašaja (α) određena je na isti način kao što je gore opisano, direktno iz udjela PSII centara koji nisu prešli u sljedeće S stanje nakon bljeska okretanja.

Nismo primijetili promašaje u S1S2 prelaz na 1 ଌ. Na 20 ଌ, ovaj prelaz nije bio tako efikasan. 10% PSII centara nije napredovalo u S2 stanje na 20 ଌ (tabele 1 i ​ i 2 2 ).

The S2S3 tranzicija je bila drugačija. Najveći faktor promašaja pronađen je za ovaj prijelaz također na 20 ଌ. Kod 1 ଌ faktor promašaja je utvrđen na 23%. Temperaturna zavisnost je bila suprotna u poređenju sa S1S2 tranzicije, a efikasnost prijelaza se povećavala s povećanjem temperature (smanjena na 16% promašaja na 20 ଌ tabele 1 i ​ i 2 2 ).

Efikasnost S3S0 i S0S1 tranzicije su također donekle ovisile o temperaturi (Tabele 1 i ​ i 2). 2 ). Faktori promašaja za ove prelaze bili su 7 i 10% na 1 ଌ i ostali su skoro isti (11%) sa povećanjem temperature za S0S1 tranzicije i smanjen na 3% za S3S0 prelaz na 20 ଌ (tabele 1 i ​ i 2 2).

Učešće donatora sporednog puta

U S2S3 tranzicije smo našli veliki promašaj na obje temperature. Moguće je da bi tako veliki promašaj mogao biti praćen mjerljivom oksidacijom donora bočnih puteva umjesto WOC-a. Stoga smo istraživali oksidaciju ChlZ i Cyt b559 nakon jednog i dva treptaja na 1 ଌ prema EPR mjerenjima. Ni u jednom slučaju nije ChlZ ili Cyt b559 oksidira do bilo koje vidljive mjere (podaci nisu prikazani). Ovo ukazuje da veliki promašaji u prometu WOC-a nisu uključivali konkurenciju karotenoida/Chl-Cyt b559 put.


Priznanja

Posebno se zahvaljujemo prof. Michael Russell (Univ. of Glasgow) i Robert Blankenship (Arizona State Univ.) na pažljivom čitanju rukopisa i odličnim prijedlozima za njegovo poboljšanje. Također smo imali koristi od razgovora sa prof. Garyjem Brudvigom (Yale Univ.), Prof. G. Charlesom Dismukesom (Princeton Univ.), Dr. Peterom Sauerom (Indiana Univ.) i Prof. Jeffreyjem Longom (Univ. Kalifornije, Berkeley). Eric Tulsky je bio od najveće pomoći u lociranju izvora kristalografskih podataka za mineralne strukture. Zahvaljujemo dr. Heinzu Freiu (Lawrence Berkeley National Laboratory) što nam je skrenuo pažnju na ovu temu i dr. Roehl Cinco, Henk Visser, Junko Yano i Uwe Bergmann iz Nacionalne laboratorije Lawrence Berkeley za korisne diskusije. Ovo istraživanje podržali su Grant Nacionalnog instituta za zdravlje GM-55302 i direktor Kancelarije za nauku, Kancelarije za osnovne energetske nauke, Odeljenja za energetske bionauke Ministarstva energetike SAD prema ugovoru DE-AC03-76SF00098.


Pogledajte video: Krebsov ciklus (Februar 2023).