Wojciech Giera

„Rozdział ładunku w fotosystemie I. Badania z użyciem metod
ultraszybkiej spektroskopii optycznej”
Wojciech Giera
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Fotosystem I (PSI) to duży białkowo-barwnikowy kompleks wbudowany w błonę
tylakoidową, który wykorzystuje energię świetlną do napędzania transbłonowego transportu
elektronu. Składa się z rdzenia i peryferyjnych kompleksów zbierających światło (LHCI).
Rdzeń PSI posiada swój własny układ antenowy (Ant) złożony z ok. 90 cząsteczek chlorofilu
a wbudowanych w matrycę białkową. Centralna część rdzenia PSI, zwana centrum reakcji
(CR), jest wyposażona w dwie kwazisymetryczne gałęzie przenośników elektronu (A i B).
Zadaniem chlorofili antenowych jest absorbowanie światła i przekazywanie jego energii
do CR, gdzie inicjowany jest transport elektronu. W klasycznym modelu pierwotnym donorem
elektronu jest dimer chlorofili, zwany P700, umiejscowiony na jednym ze wspólnych końców
obu gałęzi. Jednakże ostatnio zaproponowano, że prawdziwym pierwotnym donorem
elektronu jest chlorofil pomocniczy (A) położony pomiędzy dimerem P700 a chlorofilem
będącym pierwotnym akceptorem elektronu (A0). Sugerowano również, że
pierwotny
rozdział ładunku w PSI jest procesem odwracalnym, tzn. że rekombinacja w pierwotnej parze
donor-akceptor (A+A0-) może prowadzić do odbudowania stanu wzbudzonego centrum
reakcji (CR*). Ponadto wiele grup badawczych obserwowało efektywne wygaszanie
wzbudzenia antenowego przez tzw. zamknięte centra reakcji tj. centra reakcji z P700
w stanie utlenionym (P700+). Mechanizm tego procesu pozostaje jednak wciąż
niewyjaśniony.
Celem pracy doktorskiej były: (1) weryfikacja istniejących modeli rozdziału ładunku
w fotosystemie I, (2) sprawdzenie czy rozdział ładunku jest inicjowany w obu gałęziach
przenośników elektronu czy tylko w jednej z nich, a jeśli w obu to z jakim
prawdopodobieństwem,
(3)
zaproponowanie
konkretnego
mechanizmu
wygaszania
wzbudzenia przez zamknięte centra reakcji. Pułapkowanie energii przez centra reakcji
oraz rozdział ładunku są procesami zachodzącymi w pikosekundowej skali czasu. Dlatego
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
jako narzędzie badawcze odpowiednie do rozwiązania wymienionych problemów wybrano
ultraszybką spektroskopię optyczną, absorpcyjną i fluorescencyjną. Materiałem badanym
były, wyizolowane z zielonego glonu Chlamydomonas reinhardtii, kompleksy rdzenia
fotosystemu I dzikiego szczepu (WT) oraz mutantów, w których metionina, ligand
pierwotnego akceptora elektronu A0, zastąpiona była histydyną lub seryną selektywnie
w gałęzi A lub B. Czasowo-rozdzielcze pomiary fluorescencyjne zostały przeprowadzone
dla PSI z centrami reakcji zarówno w stanie otwartym jak i zamkniętym.
Sygnał absorpcji przejściowej zmierzony przy 390 nm dla długich opóźnień
czasowych (~3 ns), charakterystyczny dla A1- osiąga w przypadku WT wyraźnie dodatnią
wartość, ulega natomiast redukcji o połowę w przypadku mutacji w gałęzi A lub B. Sugeruje
to jednakowe zaangażowanie obu gałęzi (A i B) w transport elektronu do A1 [Giera i wsp.,
Phys. Chem. Chem. Phys, 11, 5186-5191, 2009]. Z kolei sygnał fluorescencji zmierzony
dla dzikiego szczepu i mutantów zanika dwufazowo z czasami ~7 ps i ~25 ps, zarówno
w przypadku centrów reakcji otwartych jak i zamkniętych. Mutacje punktowe przy A0 oraz
ładunek na P700+ modulują jedynie względne amplitudy obu faz. Szybsza faza może być
przypisana procesowi dochodzenia do równowagi pomiędzy stanem wzbudzonym (Ant/CR*)
a pierwotnym stanem z rozdzielonymi ładunkami, natomiast faza wolniejsza – zanikowi tego
stanu równowagowego na skutek kolejnego kroku transportu elektronu. Wyniki te sugerują,
że (1) do rozdziału ładunku dochodzi zarówno w otwartych jak i zamkniętych centrach
reakcji, (2) rozdział ładunku jest procesem odwracalnym, (3) pierwotnym donorem elektronu
jest chlorofil pomocniczy A, a nie jak wcześniej sądzono P700. Jako mechanizm wygaszania
wzbudzenia przez zamknięte centra reakcji zaproponowano więc rozdział ładunku, po którym
następuje szybka rekombinacja do stanu podstawowego [Giera i wsp., Biochimica
et Biophysica Acta – Bioenergetics 1797, 106-112, 2010].
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego