A gránum szerkezete és flexibilitása, szerepe regulációs folyamatokban = Granum: structure, flexibility, role in regulatory processes

Electrontomográfiás vizsgálatokkal bizonyítottuk, hogy a gránumos kloroplasztiszokban a sztróma tilakoidok helikálisan csatlakoznak a gránumokhoz. Vizsgáltuk a gránumos szerkezet flexibilitását. Kisszögű röngenszórással (SAXS), kisszögű neutronszórással (SANS), valamint röngenmikroszkóp (XRM) segítségével vizsgáltuk a membránrendszernek a fényre, valamint ozmotikus és ionösszetételre bekövetkezett szerkezeti változásait. Ezek segitségével bizonyíthatóvá vált a különbüző stresszhatásokra történt szerkezetváltozás, Cirkuláris dikroizmus segitségével kimutattuk, hogy a 2. fotoszisztémához tartozó fénybegyüjtő komplex fontos szerepet tölt be ebben a fényadaptációs és fotoprotekciós regulációs folyamatokban. Kimutattuk, hogy különböző mikroszkópikus biológiai részecskék (kloroplasztisz, gránum partikulumok, izolált LHCII lamelláris aggregátumai, kromoszóma) jól orientálhatóak lineárisan poláros lézer csipesz segitségével. Vizsgáltuk az egysejtű diatom Phaeodactylum tricornutum fénybegyüjtő pigment-protein antenna komplexek makroszerveződését és annak szerkezeti flexibilitását. | With the help of electron tomography we proved that the stroma thylakoids are helically wound around the granaum thylakoids. We studied the flexibility of granal structure using SAXS, SANS and XRM methods. The results show that the light, osmotic and ionic stresses cause structural changes. Circular dicroism shows that the light harvesting complex of photosystem II plays an important role in the light adaptation and protects from the excess light. We have shown that different biological particles (like chloroplasts, granal particles, isolated LHCII lamellar aggregates and chromosomes) can be oriented with linearly polarized laser tweezers. We have studied the structurally flexible macro-organization of the pigment-protein complexes of the diatom Phaeodactylum tricornutum

Termo-optikai szerkezetváltozások fotoszintetikus rendszerekben = Termo-optically induced structural changes in photosynthetic systems

Kutatásaink feltárták a korábban a laboratóriumunkban elsőként leírt biológiai termo-optikai effektus fizikai/molekuláris hátterének fontos sajátságait és az ezzel a mechanizmussal indukálható szerkezetváltozások természetét és fiziológiai jelentőségét valamint ezek szerkezeti hátterének fontos elemeit különböző fotoszintetikus fénybegyűjtő antenna rendszerekben ill. membránokban. Meghatároztuk a gerjesztési energia disszipációjából származó hőcsomagok szétoszlásának ultragyors kinetikáját. Megállapítottuk, hogy termo-optikailag kiváltható szerkezetváltozások több, egymástól jelentősen eltérő felépítésű antennarendszerben is megfigyelhetők. Eredményeink megerősítették azt a korábbi feltételezésünket, hogy a termo-optikai szerkezetváltozások fontos szerepet játszanak fényadaptációs és fotoprotektív regulációs mechanizmusokban. Feltártuk - a Bioszféra legelterjedtebb membrárendszerének - gránumos tilakoid membránoknak a 3 dimenziós szerkezetét. Vizsgálataink elsőként derítettek fényt arra, hogy intakt, funkcionális tilakoid membránok lipid fázis viselkedése egyetlen, kettősréteg struktúrával nem írható le, ami alapvetően befolyásolhatja a tilakoid membrán dinamikai sajátságait. | We have elucidated important elements of the physical/molecular basis of the biological thermo-optic effect, which had been described first in our laboratory, and revealed the nature, physiological significance and structural background of thermo-optically inducible reorhganizations in different photosynthetic light harvesting antennae and membranes. We have determined the 'spreading' kinetics of the heat-package induced by the dissipation of excess excitation energies. We have shown that thermo-optically induced reorganizations occur in different antenna systems with different molecular organizations. We have confirmed our assumption that these reorganizations play important roles in the regulatory processes of light adaptation and photoprotection of plants. We have revealed the 3 dimensional membrane organization of the granal thylakoid membranes, the most abundant membrane system of the Biosphere. We have shown, for the first time, that the lipid phase behavior of intact functional thylakoid membranes cannot be described by assuming a single phase, the bilyer organization of the lipids; this might have improtant consequences on the dynamic features of thyalkoid membranes

Ultragyors lineáris és nemlineáris optikai folyamatok makromolekulákon = Ultrafast linear and nonlinear optical processes on macromolecules

Mérőrendszerünkhöz új tükörkészletet és diszperzió szabályozó egységet fejlesztettünk ki, széles hullámhossz tartományban lehetővé téve (akár 40 fs-nál rövidebb) stabil fényimpulzusok keltését. Félvezető alapú telítődő abszorbens (SESAM) mintákon meghatároztuk a a fs-ps időtartományba eső tranziens abszorpció időállandóit. A kinetikai adatok kiértékelésére kidolgoztunk egy modellfüggetlen, nemparametrikus dekonvolúciós eljárást. Fotoszinetikus fénybegyűjtő komplexeken jellemeztük a fénykárosodást kivédő hődisszipáció ps-os kinetikáját. A fényenergia hasznosító bakteriorodopszin (bR) fehérjéből készített natív és módosított szárított mintákon megállapítottuk a gerjesztett állapot valamint az ultragyors intermedierek abszorpciókinetikai paramétereit. 10 fs időfelbontású koherens infravörös emissziós kísérletek alapján jellemeztük a bR retinál kromofórjának gerjesztése során létrejövő dipólmomentum változást, és az azt követő koherens vibrációs folyamatokat. Elsőként mutattuk ki és jellemeztük a bR mintából származó terahertzes emisszó jelenségét, megállapítva, hogy az részben a retinál molekula gerjesztett állapotú elektronmozgásából, részben pedig - a feltehetően ez által keltett - kezdeti funkcionális protonmozgásból származik. Kidolgoztunk egy kvantumelektrodinamikai leírást, melynek keretében a retinál gerjesztése során fellépő másodrendű optikai folyamatok egységesen tárgyalhatók. | A new mirror set and a dispersion control unit was developed for our measuring system, making possible to generate stable light pulses (of even shorter than 40 fs) in a wide range of wavelength. The fs-ps transient absorption time-constants of semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) samples were determined. A model-independent nonparametric deconvolution procedure was elaborated for the analysis of the kinetic data. Photosynthetic light-harvesting complexes were characterized by their ps kinetics of heat dissipation process, protecting them from light-induced damages. The absorption kinetic parameters describing the excited state and the ultrafast intermediers in native and modified dried samples of bacteriorhodopsin (bR) protein - utilizing light energy - were determined. By coherent infrared emission experiments the dipole moment change upon the excitation of the retinal chromophore of bR, as well as the subsequent coherent vibration processes were characterized. The phenomenon of terahertz emission from a bR sample was demonstrated and characterized for the first time, showing that it originates both from the excited-state electron motion of the retinal molecule and the functional early proton movement, probably generated by the former process. A theoretical description was derived from quantum electrodynamics for a unified description of the second order optical processes occurring on the excitation of retinal

To boil an egg: substrate binding affects critical stability in thermal unfolding of proteins

Thermal unfolding of proteins is used extensively in screening of drug candidates because molecular interactions with ligands and substrates affect strongly protein stability, transition temperature, and cooperativity. We use synchrotron radiation circular dichroism to monitor the thermal evolution of secondary structure in proteins as they approach the melting point and the impact of substrate on their thermal behavior. Using Landau free energy expansion, we quantify transition strength and proximity to a critical point through the relative separation τ+ between the transition temperature Tm and the spinodal T+, obtained from the equation of state. The weakest transition was observed in lysozyme with τ+ = −0.0167 followed by holo albumin with τ+ = −0.0208 with the strongest transition in monomeric apo albumin τ+ = − 0.0242. A structural transition at 45 °C in apo albumin leads to a noncooperative melt with τ+ = −0.00532 and amyloidogenic increase in beta content

Anisotropic Circular Dichroism of Light-Harvesting Complex II in Oriented Lipid Bilayers: Theory Meets Experiment

Anisotropic circular dichroism (ACD) spectroscopy of macroscopically aligned molecules reveals additional information about their excited states that is lost in the CD of randomly oriented solutions. ACD spectra of light-harvesting complex II (LHCII)-the main peripheral antenna of photosystem II in plants-in oriented lipid bilayers were recorded from the far-UV to the visible wavelength region. ACD spectra show a drastically enhanced magnitude and level of detail compared to the isotropic CD spectra, resolving a greater number of bands and weak optical transitions. Exciton calculations show that the spectral features in the chlorophyll Q y region are well-reproduced by an existing Hamiltonian for LHCII, providing further evidence for the identity of energy sinks at chlorophylls a603 and a610 in the stromal layer and chlorophylls a604 and a613 in the lumina] layer. We propose ACD spectroscopy to be a valuable tool linking the three-dimensional structure and the photophysical properties of pigment-protein complexes

Facile method for spectroscopic examination of radical ions of hydrophilic carotenoids

Hydrophilic carotenoids, unusual members of an intrinsically hydrophobic family, and their radical ions are important reactants. An all-optical method for generating singly charged radical ions of a hydrophilic carotenoid (Car) is described. It relies on photolyzing an aqueous mixture of Car and a photoionizable auxiliary solute (A), and making conditions conducive to the capture, by Car, of the hydrated electron (e−aq) or the positive hole in A·+ or both. When A is Trolox (TOH), only e−aq can be captured, since TOH·+ deprotonates too rapidly to be a hole donor; when A is Trolox methyl ether (TOMe), both Car·− and Car·+ are formed, since TOMe·+ lives long enough to transfer its positive hole to Car; formation of Car·− is prevented under aerobic conditions.This work was funded by the Research Council of Norway (Project No. 191102) and the Spanish Ministry of Science and Education (Grant No. BFU2007-68107-C02-02/BMC).Peer reviewe

The negatively charged amino acids in the lumenal loop influence the pigment binding and conformation of the major lightharvesting chlorophyll a/b complex of photosystem II. Biochimica et biophysica acta

a b s t r a c t a r t i c l e i n f o The major chlorophyll (Chl) a/b complexes of photosystem II (LHCIIb), in addition to their primary lightharvesting function, play key roles in the organization of the granal ultrastructure of the thylakoid membranes and in various regulatory processes. These functions depend on the structural stability and flexibility of the complexes. The lumenal side of LHCIIb is exposed to broadly variable pH environments, due to the build-up and decay of the pH gradient during photosynthesis. Therefore, the negatively charged amino acids in the lumenal loop might be of paramount importance for adjusting the structure and functions of LHCIIb. In order to clarify the structural roles of these residues, we investigated the pigment stoichiometries, absorption, linear and circular dichroism spectra of the reconstituted LHCIIb complexes, in which the negatively charged amino acids in the lumenal loop were exchanged to neutral ones (E94G, E107V and D111V). The mutations influenced the pigment binding and the molecular architecture of the complexes. Exchanging E94 to G destabilized the 3 10 helix in the lumenal loop structure and led to an acquired pH sensitivity of the LHCIIb structure. We conclude that these amino acids are important not only for pigment binding in the complexes, but also in stabilizing the conformation of LHCIIb at different pHs