Το φωτοσύστημα ΙΙ, είναι μεμβρανικό πολυπρωτεϊνικό συγκρότημα, το οποίο
καταλύει την φωτοεπαγόμενη διάσπαση του Η2Ο. Περιέχει εξειδικευμένες
προσθετικές ομάδες, όπως το σύμπλεγμα χλωροφυλλών Ρ680, μεταφορείς ηλεκτρονίων
και το σύμπλοκο διάσπασης του Η2Ο, Mn4CaΟ5. Ο καταλυτικός κύκλος περιλαμβάνει
τέσσερις οξειδωτικές μεταβάσεις: S0 > S1 > S2 > S3 > (S4) > S0. Κατά την
διάρκεια της σταδιακής απορρόφησης 4 φωτονίων, αφαιρούνται τα 4 e- και Η+ δύο
μορίων Η2Ο, οδηγώντας στον σχηματισμό μοριακού οξυγόνου. Σημαντικό ρόλο παίζει
η TyrΖ, λίγα όμως είναι γνωστά για τον τρόπο που συνεργάζεται με το σύμπλοκο
Mn4CaΟ5 στην διάσπαση του νερού.
Η εργασία επικεντρώθηκε στην διερεύνηση του ρόλου της TyrΖ. Παγιδεύτηκαν και
μελετήθηκαν με φασματοσκοπία EPR ενδιάμεσα των κρίσιμων μεταβάσεων S2 > S3 και
S3 > S0, τα οποία περιλαμβάνουν την ελεύθερη ρίζα TyrΖ σε αλληλεπίδραση με το
σύμπλοκο Mn4CaΟ5. Διαπιστώθηκαν τα εξής: Όταν η κατάσταση S2TyrZ παγιδεύεται
σε θερμοκρασίες > ca 233 K, η απόσπαση του πρωτονίου βρίσκεται σε εξέλιξη, σε
αντίθεση με την παγίδευση σε κρυογενικές θερμοκρασίες, οπότε το πρωτόνιο
παραμένει στην θέση του. Όσον αφορά τον ρόλο της TyrZ και το κανάλι διαφυγής
των πρωτονίων κατά την μετάβαση S2 > S3, τα αποτελέσματα συγκλίνουν μαζί με
αυτά της βιβλιογραφίας, στο ότι η TyrZ αποσπά ταυτόχρονα e- και Η+ από το
Mn4CaO5¬, το δε μονοπάτι διαφυγής του πρωτονίου είναι αυτό της Asn 298. Κατά
την S3 > S0 λειτουργεί το μονοπάτι του Asp 61. Παρουσία μεθανόλης λειτουργεί το
μονοπάτι του Asp 61 κατά την S2 > S3. Για να προχωρήσει το σύμπλοκο στην S3, θα
πρέπει η μεθανόλη να δώσει τη θέση της σε μόριο Η2Ο. Παγιδεύτηκε η κρίσιμη
κατάσταση S3TyrΖ και αυτό ανοίγει ιδιαίτερες προοπτικές στην κατανόηση του
μηχανισμού σχηματισμού οξυγόνου κατά το στάδιο S3 > S0. Πέρα από τα ανωτέρω, η
μεθοδολογία των πειραμάτων, που επιτρέπει την ακινητοποίηση βραχύβιων
μεταβατικών καταστάσεων, προσφέρει σημαντικές προοπτικές για την εφαρμογή
προηγμένων μεθόδων φασματοσκοπίας.
(EL)
Photosystem II is a membrane multi - subunit protein complex, which catalyzes
the photoinduced water oxidation in plants. When a special cluster of
chlorophylls, P680, absorbs a photon, it gives an electron to plastoquinone Q.
The positive charge on P680 is compensated by an electron from a Mn4CaO5
cluster, which binds substrate H2O molecules. When four photons are absorbed,
four electrons have moved from the Mn4CaO5 cluster to quinone and four H+ have
been released to the bulk, then O2 is formed. Therefore, the catalytic cycle of
the Mn4CaO5 cluster undergoes four transitions, called S – transitions: S0 >
S1, S1 > S2, S2 > S3, S3 > (S4) > S0. TyrΖ, a residue near Mn4CaO5, acts as an
intermediate electron carrier between the cluster and P680, and in parallel it
influences H+ removal.
In the present work, low-temperature EPR spectroscopy was employed in order to
trap and study intermediates, including the free radical TyrΖ interacting with
Mn4CaΟ5, during the two critical transitions S2 > S3 and S3 > S0. When S2TyrΖ
is trapped at temperatures > ca 233 K, proton abstraction is in progress, in
constrast to trapping at cryogenic temperature, at which proton remains at its
site. During S2 > S3, TyrZ abstracts simultaneously e- and Η+ from Mn4CaO5 and
the H bond network including Asn 298 is used for proton extraction. At S3 > S0,
the Asp 61 pathway is used. In the presence of methanol, the Asp 61 pathway is
used in S2 > S3. In order to proceed to S3, methanol has to be exchanded with a
Η2Ο molecule. The critical intermediate S3TyrΖ was trapped, and this is
important for understanding O2 formation during S3 > S0. Finally, the
methodology used in the present study will be very useful in the trapping of
unstable intermediates and related studies by advanced spectroscopic
techniques.
(EN)
Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
