Role reaktivních forem kyslíku v oxidativním poškození a strukturální změny PSII-LHCII superkomplexu

Ravindra KALE

Doctoral thesis

Production and scavenging of reactive oxygen species by photosystem II as monitored by electron paramagnetic resonance spin-trapping spectroscopy.

Abstract:

This thesis characterizes the role of reactive oxygen species on the structural and functional changes occurring within the photosystem II - light-harvesting complex II (PSII-LHCII) suprecomplex under high light stress. Goal of the study is focused on 1) the role of free oxygen radicals in the oxidative damage of PSII proteins, 2) characterization of a high resolution 3D structure of the PSII-LHCII supercomplex from Arabidopsis, and 3) singlet oxygen formation under leaf wounding. The oxidation of specific amino acid residues of D1 and D2 proteins was shown to nearby to the site of hydroxyl radical formation at both the Mn4O5Ca cluster and the non-heme iron. Using cryo-electron microscopy and single particle analysis, evidence was provided on the coordination of chlorophylls to the protein subunits of PSII-LHCII supercomplex. Based on the structural data, energy transfer pathway from the Lhcb proteins to the PSII core complex was proposed. Apart to well described singlet oxygen formation by triplet-triplet energy transfer from triplet excited chlorophyll to molecular oxygen under high light, singlet oxygen was shown to be formed by triplet-triplet energy transfer from triplet excited carbonyl to molecular oxygen formed by lipid peroxidation.

Abstract:

Disertační práce popisuje vliv reaktivních forem kyslíku na strukturální a funkční změny v PSII-LHCII (fotosystém II s navázanými světlosběrnými komplexy fotosystému II) superkomplexu za působení vysoké ozářenosti. Cílem studie bylo studovat 1) roli volných kyslíkových radikálů na oxidativní poškození PSII, 2) 3D strukturu PSII-LHCII superkomplexu u huseníčku a 3) tvorbu singletního kyslíku během poškození listu. K oxidaci aminokyselin D1 a D2 proteinů dochází v místě tvorby hydroxylového radikálu v blízkosti Mn4O5Ca komplexu a nehemového železa. Charakterizace aminokyselin oxidovaných hydroxylovým radikálem umožní pochopit mechanismus poškození centrálních proteiůn reakčního centra PSII. Pomocí elektronové mikroskopie a jednočásticová analýzy byla charakterizována koordinace chloropfylů na proteiny jednotlivých proteinových komplexů LHCII-PSII superkomplexu. Pomocí těchto strukturálních dat byl navržen možný přenos excitační energie z Lhcb do jádra PSII. Dále je popsána nový mechanismus tvorby singletního kyslíku triplet-tripletním přenosem excitační energie z tripletního karbonylu na molekulární kyslík, který vzniká během lipidové peroxidace při poškození listu.

Keywords

reaktivní formy kyslíku, fotosystém II, PSII-LHCII superkomplex, oxidativní stres, fotoinhibice, elektronová paramagnetická rezonanční spektroskopie, konfokální laserová skenovací mikroskopie, hmotnostní spektroskopie, CN-PAGE, elektronová mikroskopie.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 10. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 13. 12. 2017
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Pospíšil, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics