Photosystem I (PSI) aus dem thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus ist ein transmembraner Protein-Pigment-Superkomplex der photosynthetischen Elektronentransportkette. Er wandelt die Energie des Lichts in elektrische Energie mit einer Quanteneffizienz von nahezu 100 % um. Dazu uberträgt PSI Elektronen von Plastocyanin bzw. Cytochrom c6 (Cyt c6) auf Ferredoxin. Die Struktur des PSI wurde bereits 2001 mit einer Auflösung von 2,5 Å beschrieben (Jordan et al. 2001). Es lässt sich zur Generierung von Photoströmen auf Elektrodenoberflächen assemblieren und zur Produktion von Biokraftstoffen mit Enzymen koppeln. Die elektrische Kontaktierung des PSI mit Elektrodenoberflächen kann durch Komplexierung mit dem mitochondrialem Cytochrom c aus Pferdeherz (Cyt cHH) erhöht werden. Aufgrund der Nutzbarkeit dieses Proteinkomplexes sollte geklärt werden, wie PSI und Cyt cHH wechselwirken und wie sich die Interaktion von der des nativen PSI-Cyt c6-Komplexes unterscheidet. Deshalb lag der Fokus meiner Arbeit darauf, die Bindung des Cyt c6 und seines Analogons Cyt cHH an PSI mit kinetischen, kalorimetrischen, theoretischen und strukturellen Methoden zu untersuchen. Das Cyt c6 bindet im reduzierten Zustand an PSI und verringert nach erfolgtem Elektronentransfer seine Affinität. Das Cyt cHH bindet dagegen sowohl im reduzierten als auch im oxidierten Zustand an PSI. Mit Hilfe der kinetischen Messungen habe ich Bedingungen identifiziert, unter denen PSI mit dem jeweiligen Cytochrom c einen stabilen Komplex eingeht. Mit Hilfe eines rigid-body dockings wurden potenzielle Bindungsstellen der beiden Cytochrome berechnet. Fur Cyt c6 ergab sich eine spezifische Bindungsstelle, die eine gute Übereinstimmung mit den von mir gemessenen Kinetiken sowie mit weiteren Literaturdaten zeigt. Diese Bindungsstelle korreliert mit der veröffentlichten Kostruktur des bakteriellen Reaktionszentrums mit Cyt c2 aus Rhodobacter sphaeroides. Demgegenüber sind mehrere Cyt cHH-Bindungsstellen ... / Photosystem I (PSI) from the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus
elongatus is a membrane-bound, multipigment protein supercomplex. It converts light
to electrochemical energy with a quantum efficiency of almost 100 %. It reduces the
luminal proteins plastocyanin and cytochrome c6 (Cyt c6) to oxidize the stromal
protein Ferredoxin. The structure of PSI has been solved in 2001 at a resolution of
2,5 Å (Jordan et al. 2001). PSI can be assembled on an electrode surface to produce
photocurrents and the generated electrons can be used for the production of biofuels.
The mitochondrial cytochrome c from horse heart (Cyt cHH) binds strongly to both,
PSI and the electrode surface, and can therefore be applied to improve the electrical
coupling. Due to the practical use of the PSI-Cyt c complex, the aim of my thesis is
to characterize the interaction of PSI with Cyt c6 and the analog Cyt cHH. To this
end, the binding of both cytochromes to PSI was analyzed by kinetic, calorimetric,
theory-based and structural methods.
Cyt c6 binds to PSI while being reduced and decreases its affinity after transferring
its electron. In contrast, Cyt cHH binds to PSI in both oxidation states, reduced and
oxidized, with identical affinity. By means of kinetic measurements, I identified conditions in which PSI forms a stable complex with either of the two cytochromes. The positions of the cytochrome binding sites at PSI were calculated by a rigid-body docking.
For the calculation with Cyt c6, the majority of the potential binding sites are located
at the luminal side of PSI, close to P700. The theoretic properties of one of these binding
sites are in good agreement with my own kinetic measurements and literature data.
The position and orientation of Cyt c6 in this theoretic binding site is almost identical to the localization of Cyt c2 in cocrystals with the bacterial reaction center from
Rhodobacter sphaeroides. The potential Cyt cHH binding sites are uniformly distributed over
...
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/22618 |
| Date | 14 September 2020 |
| Creators | Kölsch, Adrian |
| Contributors | Zouni, Athina, Leimkühler, Silke, Reber, Simone |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY 4.0) Attribution 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| Relation | 10.1074/jbc.RA117.000953, 10.1007/s11120-017-0342-6, 10.1039/C6NR00097E |
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