Struktur und Funktion des Lichtsammelkomplexes LHC-II der höheren Pflanzen

Der Lichtsammelkomplex II (LHC­II) dient als Lichtantenne für das photosynthetische Reaktionszentrum II der höheren Pflanzen. Seine Trimere stellen das häufigste Protein in der Thylakoidmembran dar. Ungefähr die Hälfte des Chlorophylls der Pflanze befindet sich in diesem Komplex. Der LHC­II ist ein integrales Membranprotein und bindet neben Chlorophyll a und b auch verschiedene Carotinoide. Seine Pigmente absorbieren Licht und geben die dadurch aufgenommene Energie an die photosynthetischen Reaktionszentren weiter, wo sie ausgehend von einer Ladungstrennung chemisch konserviert wird. Die Weiterleitung der Anregungsenergie im LHC­II geschieht über spezifische Pfade und mit ultraschneller Kinetik im Femtosekundenbereich. Der LHC­II ist das einzige Antennenprotein der höheren Pflanzen, dessen dreidimensionale Struktur bei einer fast atomaren Auflösung von 3.4Å gelöst wurde. Bei dieser Auflösung war es jedoch nicht möglich, den Unterschied zwischen Chlorophyll a und b zu bestimmen, außerdem waren nur zwei der insgesamt drei bis vier gebundenen Carotinoide sichtbar. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die einzelnen Pigmente, deren Positionen aus der Struktur bekannt waren, nach ihrer chemischen Natur zuzuordnen. Hierzu wurden mutierte Komplexe untersucht, bei denen jeweils ein bestimmtes Chlorophyllmolekül fehlte. Dies wurde durch Punktmutationen im Polypeptid erreicht, bei denen diejenige Aminosäure ausgetauscht war, an die ein bestimmtes Chlorophyllmolekül über das zentrale Mg 2 Atom gebunden war. Die veränderten Proteine wurden durch ortsgerichtete Mutagenese und Überexpression des Polypeptids in E. coli hergestellt, wo sie ohne die Pigmente aggregiert in Einschlusskörpern vorlagen. Die Rückfaltung in Gegenwart von Pigmenten und Detergenzien erfolgte auf einer Nickel­Affinitätssäule, an die das LHC Protein mittels einer Hexa­Histidinmarkierung gebunden war. So konnte in einem biochemischen Schritt das Protein gefaltet, die Pigmente inkorporiert und die native, trimere Form gebildet werden. Die Rückfaltung von histidinmarkierten Proteinen auf Metallaffinitätssäulen kann als generelle Methode auch für andere, schwierig zu faltende, lösliche und Membranproteine angewandt werden. Der native Zustand des rückgefalteten LHC­II wurde folgendermaßen bewiesen: Der Pigmentgehalt, der durch HPLC Analyse bestimmt worden war, war identisch zum nativ isolierten Protein. Auch ein Absorptionsspektrum zeigte bei 4K die charakteristische Aufspaltung in mehrere Chlorophyllmaxima. Es konnte gezeigt werden, dass in einem Fluoreszenzexperiment die Anregungsenergie, die bei kurzwelligem Chlorophyll b eingestrahlt wurde, im Komplex komplett auf das langwelligste Chlorophyll a übertragen wurde. Schließlich wurden aus dem rekombinanten Protein zwei­dimensionale Kristalle erzeugt, deren elektronenmikroskopische Projektionsbilder identisch zu denen des Nativproteins waren. Der Austausch der Chlorophylle an einigen Bindungsstellen durch Chlorophyllderivate, die entweder im Zentralatom oder in der Porphyrinringstruktur verändert waren, zeigte, dass das Zentralatom den entscheidenden Faktor zur Stabilisierung der Chlorophyllbindung darstellt. Es wurden neun Mutanten erzeugt, bei denen jeweils derjenige Aminosäurerest ausgetauscht war, von dem aus der Struktur bekannt war, dass er den fünften Liganden für das zentrale Mg 2 Atom eines bestimmten Chlorophylls darstellt. Die HPLC Analyse ihrer Pigmente zeigte, dass die Mutanten tatsächlich jeweils ungefähr ein Chlorophyllmolekül verloren hatten; dies diente dazu, die jeweilige Bindungstasche zu Chl a oder Chl b zuzuordnen. Nur sechs Mutanten bildeten Trimere, ihre biochemischen Daten zeigten, dass die in der Struktur vorgenommene Zuordnung bis auf das Chl b3 korrekt war. Einige Chlorophyllmutanten waren auch in ihrem Gehalt an Neoxanthin reduziert, daraus konnte die ungefähre Lage des Neoxanthins in der Nähe der Helix C abgeleitet werden. Die mutierten Proteine lieferten nicht nur die Zuordnung einer Bindungstasche zu einem bestimmten Chlorophylltyp, sondern es konnte aus den Differenzspektren im Vergleich zum Wildtyp auch die Wellenlänge eines bestimmten Chlorophylls abgeleitet werden. Um eine höhere spektrale Auflösung zu erzielen, wurden die Spektren bei 4K aufgenommen. Die Zuordnung einzelner spektraler Banden zu bestimmten Chlorophyllen zeigte, dass in einer bestimmten Bindungstasche nur entweder Chlorophyll a oder Chlorophyll b gebunden war, da sich nur eine einzige Differenzbande im Spektrum ergab. Weiterhin implizieren die gefundenen Einzelbanden, dass die Pigmente keiner starken excitonischen Kopplung unterliegen, wie dies zum Beispiel im B850 Ring des bakteriellen Lichtsammelkomplexes der Fall ist. Bei LHC­II Komplexen, die nur mit Chlorophyll b rückgefaltet worden waren, zeigte sich eine ungewöhnlich langwellige Fluoreszenz bei 77K. Dies könnte auf eine räumlich limitierte Kopplung eines einzelnen Chlorpohyllpaars hinweisen. Bei der Mutante der Chl a2 Bindungsstelle zeigte sich, dass dies das langwelligste der untersuchten Pigmente war. Der zugehörige Koomplex war auch der einzige, bei dem die Fluoreszenz ins Kürzerwellige verschoben war. Die Lage des Chlorophylls a2 an der Außenseite des Proteins ist prädestiniert für die Energieübertragung zum photosynthetischen Reaktionszentrum oder zu benachbarten LHC Komplexen

The system thorium-palladium-boron: A DFT study on the stability and properties of Th2Pd15B5

International audiencePhase relations in the Th-Pd-B system were determined via electron microprobe and X-ray powder diffraction analyses of similar to 20 ternary alloys. Phase equilibria are dominated by the two high-melting thorium borides ThB4, Th1-yB6 and one ternary compound, namely tau(1)-Th2Pd14+xB5, with a structure deriving from the Sc4Ni29B10-type. Th1-yB6 is the binary starting point of a continuous solid solution up to ThPd0.53B4.28 closely corresponding to the superconducting phase Th1-yPdxB6-2x (x <= 0.65; 0 <= y <= 0.22 at x = 0; T-C = 21 K), which was described by Zandbergen et al. in 1995 for x = 0.65 from high resolution electron microscopy. All thorium-rich palladium compounds from 0 to 75 at.% Pd form stable two-phase equilibria with ThB4 without any significant mutual solid solubilities. The solubility of Th in beta B has been determined for the first time from a single crystal X-ray study of ThB99 Th atoms occupy sites A1 (occ. = 13%), D (occ. = 11%), and a rather small amount of 2.9% resides in site 18f (D-d-hole). To shed light on the physical properties of the ternary compound, DFT (density functional theory) calculations were performed for two idealized representatives of the tau(1)-phase, namely for Th2Pd14B5 and Th2Pd15B4. The calculations cover ionic relaxation, electron density of states, band structure and Fermi surfaces, elastic constants (computed via the linear response method) and the phonon density of states. Furthermore the thermodynamic stability (energy of formation) as well as the phonon contribution of the thermodynamic properties, such as the specific heat have been calculated clearly indicating Th2Pd15B4 as the composition thermodynamically more stable than Th2Pd14B5. At the Fermi energy the Pd-d contribution is dominant for both structures, but the number of states is higher for Th2Pd15B4 with DOS(E-F) = 13 states/eV/f.u. than for Th2Pd14B5 with DOS(E-F) = 8.5 states/eV/f.u. The corresponding Sommerfeld constants, gamma(e) = DOS(E-F)kappa(B)pi(2)/3 = 30.55 mJ/molK(2) for Th(2)Pd(15)B(4 )and 19.98 mJ/molK(2) for Th2Pd14B5, clearly indicate metallic behavior of the tau(1)-phase. In addition, mechanical properties were measured for Th2Pd15B4 and compared with calculated values and data from the literature. Th2Pd15B4 on account of its high content of Pd is only slightly harder than the rather soft and almost ductile binary Pd-borides. (C) 2019 Elsevier B.V. All rights reserved

Determination of relative chlorophyll binding affinities in the major light-harvesting chlorophyll a/b complex

The major light-harvesting complex (LHCIIb) of photosystem H can be reconstituted in vitro from its recombinant apoprotein in the presence of a mixture of carotenoids and chlorophylls a and b. By varying the chlorophyll a/b ratio in the reconstitution mixture, the relative amounts of chlorophyll a and chlorophyll b bound to LHCIIb can be changed. We have analyzed the chlorophyll stoichiometry in recombinant wild type and mutant LHCIIb reconstituted at different chlorophyll a/b ratios in order to assess relative affinities of the chlorophyll-binding sites. This approach reveals five sites that exclusively bind chlorophyll b. Another site exhibits a slight preference of chlorophyll b over chlorophyll a. The remaining six sites are filled preferentially with chlorophyll a but also tolerate chlorophyll b when this is offered at a large excess. Three of these chlorophyll a-affine sites could be assigned to distinct positions defined by the three-dimensional LHCIIb structure. Exclusive chlorophyll b sites complemented by chlorophyll a sites that are selective only to a certain extent are consistent with the observation that chlorophyll b but not chlorophyll a is essential for reconstituting stable LHCIIb. These data offer an explanation why a rather constant chlorophyll a/b ratio is observed in native LHCIIb despite the apparent promiscuity of some binding sites