On singlet oxygen, photoinhibition, plastoquinone, and their interconnections
Mattila, Heta (2020-12-18)
On singlet oxygen, photoinhibition, plastoquinone, and their interconnections
Mattila, Heta
(18.12.2020)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-8270-7
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-8270-7
Tiivistelmä
In oxygenic photosynthesis light is captured in series by two protein complexes: photosystem II and photosystem I (PSI and PSII). Electron transfer from PSII to PSI is mediated by the plastoquinone (PQ) pool. Despite being the energy source, light also damages the photosynthetic machinery. Singlet oxygen (1O2), an excited state of O2, may be generated when a charge recombination reaction in PSII re-excites the reaction center chlorophylls (P680), producing a triplet state. In this thesis, massspectroscopy- based detection methods for 1O2 were developed further, to understand the role of this reactive oxygen species in photosynthesis. It was shown that even though both O2 and 1O2 are produced in pumpkin thylakoid membranes, most (if not all) of the 1O2 derives from the ambient dissolved O2, not from the nascent O2 produced due to the water splitting activity of PSII. The result shows that the O2 evolving ability of PSII as such does not render PSII vulnerable to oxidative damage.
Nevertheless, light inactivates PSII, and no consensus about the mechanism(s) of the photoinhibitory damage exists. Therefore, the temperature dependence of the rate constant of PSII photoinhibition was measured under various conditions and compared with temperature dependencies of 1O2 production and recombinations. The results show that in plants and cyanobacteria the rate constant of photoinhibition and production of 1O2 increase similarly with temperature as the miss probability of the oxygen evolving complex. Photoinhibition proceeded under anaerobicity, where no 1O2 is produced, and was unaffected by quenchers of 1O2. We suggest that when a miss occurs, but a recombination does not re-reduce the PSII reaction center, P680+ lives long enough to oxidize a vital component of PSII, causing the photodamage.
Plants have also ways to adjust to different light conditions. An initial fluorescence screen and subsequent high-performance liquid chromatography measurements revealed that 470 nm, 560 nm and 660 nm light favors PSII over PSI and reduces 80–90 % of the PQ pool, whereas 440 nm, 520 nm and 690 nm favors PSI and oxidizes 90–100 % of the pool in Arabidopsis thaliana, when moderate light was used. Light state curvilinearly followed the redox state of the PQ pool; state 2 was reached with 50 % reduction. All tested white lights, including light from the Sun, reduced less than 50 % of the PQ pool. This PSI light character of white light enables plants to respond to the intensity of light via the redox state of the PQ pool. Vaikka valo onkin yhteytyksen eli fotosynteesin energianlähde, se myös vahingoittaa yhteyttäviä eliöitä. Happea vapauttavassa yhteytyksessä kaksi proteiinikompleksia, valoreaktiot II ja I (PSII ja PSI), vastaanottavat valoa. Plastokinonivaranto välittää elektroninsiirtoa näiden välillä. Singlettihappi on reaktiivinen happiyhdiste, jota syntyy, kun PSII:n reaktiokeskusklorofylli (P680) siirtyy triplettitilaan elektronin palatessa rekombinaatioreaktioissa takaisin reaktiokeskukselle. Tässä työssä kehitettiin edelleen massaspektrometriamenetelmiä ja havaittiin, että vaikka eristetyt kasvin yhteytyskalvostot tuottavat sekä happea että singlettihappea, suurin osa singlettihapesta on peräisin ympäristöön liuenneesta hapesta eikä PSII:n veden hajotuksessa vastasyntyneestä hapesta. PSII:n kyky vapauttaa happea ei siis itsessään tee PSII:sta herkkää hapettavalle vahingolle.
Valo kuitenkin vaurioittaa erityisesti PSII:ta, eikä valovahingon mekanismista ole yksimielisyyttä. Tästä syystä PSII:n fotoinhibition, singlettihapen tuoton ja rekombinaatioreaktioiden lämpötilavasteet mitattiin kasveista ja syanobakteereista. Sekä fotoinhibitio että singlettihappi lisääntyivät lämpötilan noustessa. Molemmat lämpötilavasteet selvästi muistuttavat PSII:n happea vapauttavan kompleksin “hutien” lämpötilariippuvuutta. Fotoinhibitio ei kuitenkaan vähentynyt, kun yhteytyskalvostoja valotettiin singlettihapen vaimentajien kanssa tai hapettomissa olosuhteissa, jolloin singlettihappea ei synny. Tulosten perusteella muotoiltiin hypoteesi: mikäli huti tapahtuu eli happea vapauttava kompleksi on tilapäisesti kykenemätön luovuttamaan elektronin, eikä rekombinaatiokaan uudelleen pelkistä reaktiokeskusta, P680+:lla on tarpeeksi aikaa hapettaa jokin PSII:n tärkeä osa.
Kasvit kykenevät myös sopeutumaan valo-olosuhteiden muutoksiin. Plastokinonivarannon hapetus-pelkistystila mitattiin nestekromatokrafialla; PSII vastaanotti PSI:tä tehokkaammin 470, 560 ja 660 nm:n aallonpituuksien valoa ja nämä valot pelkistivät 80–90 % plastokinonivarannosta. 440, 520 ja 690 nm:n aallonpituudet sen sijaan suosivat PSI:tä ja hapettivat 90–100 % plastokinonivarannosta, kun kohtalaista valovoimakkuutta käytettiin. Kaikki testatut valkoiset valot, mukaan lukien auringonvalo, suosivat PSI:tä, joten kasvit voivat aistia valon voimakkuutta plastokinonivarannon pelkistyneisyyden avulla
Nevertheless, light inactivates PSII, and no consensus about the mechanism(s) of the photoinhibitory damage exists. Therefore, the temperature dependence of the rate constant of PSII photoinhibition was measured under various conditions and compared with temperature dependencies of 1O2 production and recombinations. The results show that in plants and cyanobacteria the rate constant of photoinhibition and production of 1O2 increase similarly with temperature as the miss probability of the oxygen evolving complex. Photoinhibition proceeded under anaerobicity, where no 1O2 is produced, and was unaffected by quenchers of 1O2. We suggest that when a miss occurs, but a recombination does not re-reduce the PSII reaction center, P680+ lives long enough to oxidize a vital component of PSII, causing the photodamage.
Plants have also ways to adjust to different light conditions. An initial fluorescence screen and subsequent high-performance liquid chromatography measurements revealed that 470 nm, 560 nm and 660 nm light favors PSII over PSI and reduces 80–90 % of the PQ pool, whereas 440 nm, 520 nm and 690 nm favors PSI and oxidizes 90–100 % of the pool in Arabidopsis thaliana, when moderate light was used. Light state curvilinearly followed the redox state of the PQ pool; state 2 was reached with 50 % reduction. All tested white lights, including light from the Sun, reduced less than 50 % of the PQ pool. This PSI light character of white light enables plants to respond to the intensity of light via the redox state of the PQ pool.
Valo kuitenkin vaurioittaa erityisesti PSII:ta, eikä valovahingon mekanismista ole yksimielisyyttä. Tästä syystä PSII:n fotoinhibition, singlettihapen tuoton ja rekombinaatioreaktioiden lämpötilavasteet mitattiin kasveista ja syanobakteereista. Sekä fotoinhibitio että singlettihappi lisääntyivät lämpötilan noustessa. Molemmat lämpötilavasteet selvästi muistuttavat PSII:n happea vapauttavan kompleksin “hutien” lämpötilariippuvuutta. Fotoinhibitio ei kuitenkaan vähentynyt, kun yhteytyskalvostoja valotettiin singlettihapen vaimentajien kanssa tai hapettomissa olosuhteissa, jolloin singlettihappea ei synny. Tulosten perusteella muotoiltiin hypoteesi: mikäli huti tapahtuu eli happea vapauttava kompleksi on tilapäisesti kykenemätön luovuttamaan elektronin, eikä rekombinaatiokaan uudelleen pelkistä reaktiokeskusta, P680+:lla on tarpeeksi aikaa hapettaa jokin PSII:n tärkeä osa.
Kasvit kykenevät myös sopeutumaan valo-olosuhteiden muutoksiin. Plastokinonivarannon hapetus-pelkistystila mitattiin nestekromatokrafialla; PSII vastaanotti PSI:tä tehokkaammin 470, 560 ja 660 nm:n aallonpituuksien valoa ja nämä valot pelkistivät 80–90 % plastokinonivarannosta. 440, 520 ja 690 nm:n aallonpituudet sen sijaan suosivat PSI:tä ja hapettivat 90–100 % plastokinonivarannosta, kun kohtalaista valovoimakkuutta käytettiin. Kaikki testatut valkoiset valot, mukaan lukien auringonvalo, suosivat PSI:tä, joten kasvit voivat aistia valon voimakkuutta plastokinonivarannon pelkistyneisyyden avulla
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2864]