Measuring and Modeling Excitation Dynamics in Photosystem I

0\. Titel 1\. Einleitung 6 2\. Experimentelle Methoden 33 3\. Messungen 51 4\. Modellierungen 79 5\. Dynamik angeregter Zustände in Photosystem I 121 6\. Zusammenfassung 142 7\. Literatur 146In der vorliegenden Arbeit wird die Dynamik von Transfer und Abbau der Anregungsenergie in einem cyanobakteriellen PS I Kernantenne-RZ-Komplex aus Synechococcus el. untersucht durch Kombination von Fluoreszenzinduktion mit ps-zeitaufgelösten Fluoreszenzmessungen bei Temperaturen zwischen 5 K und 300 K unter besonderer Beachtung des Redoxzustandes des primären Donators P700. Das gemessene Fluoreszenzverhalten wird durch Simulation der Anregungsenergiedynamik auf der Grundlage struktureller and spektraler Daten modelliert. Erstmalig wurde ein Unterschied in der Löscheffizienz des PS I Kernantenne-RZ- Komplexes mit offenem bzw. geschlossenem RZ sowohl durch Fluoreszenzinduktion und ps- Fluoreszenz als auch durch quasistationäre Spektroskopie aufgelöst. Der Unterschied in der Fluoreszenzausbeute von 12± 5 % ist nicht auf spektrale Unterschiede zwischen offenem und geschlossenem System zurückzuführen, sondern auf eine ~3 ps Differenz in der Lebensdauer des Anregungszustandes. Damit ist im geschlossenen PS I die Löschung etwas langsamer als im offenen. Mittels zeitaufgelöster Fluoreszenz wurden nicht-konservative Transferspektren sowohl für ZT als auch für 5 K gefunden, folglich ist der gelöschte Zustand nicht völlig thermisch equilibriert, was eine Trap- Limitierung der Anregungsdynamik ausschließt. Aus der Lebensdauer der Anregung bei 5 K in geschlossenem PS I kann ein A720-P700 Abstand von ~3,5 nm abgeschätzt werden. Der beobachtete Austausch von Anregungen zwischen unterschiedlichen Monomeren kann durch Lokalisierung einiger A720 Pigmente in der Verbindungsdomäne des Trimers erklärt werden. Struktur/spektral gestützte Simulation der Anregungsdynamik erweist die Notwendigkeit, einige A708 Pigmente unmittelbar am RZ zu plazieren, um die transiente Population von P700 zu erhöhen. Auf der Grundlage dieser Anordnung der roten Pigmente ergibt die kinetische Modellierung optimale Parameterwerte von (0.5 ps)-1 intrinsischer Ladungstrennungsrate und 7,3 nm Försterradius für die Reproduktion der gemessenen Fluoreszenz. Weiterhin zeigt die Simulation eine Störung des thermischen Gleichgewichts im roten Spektralbereich und die entscheidende Rolle der roten Pigmente. Die Dynamik von geschlossenem PS I kann durch schnelle Löschung mittels interner Konversion beschrieben werden, wenn das nicht-oxidierte P700 Chl maximal bei 685 nm absorbiert. Ein Test des Einflusses der verschiedenen Parameter zeigt, daß für offenes PS I der Anregungszerfall durch ausgewogene Kinetik statt limitierender Fälle beschrieben wird.In this work, dynamics of excitation energy transfer and decay in a cyanobacterial PS I core antenna-RC-complex from Synechococcus el. is studied combining fluorescence induction techniques with picosecond fluorescence lifetime measurements at temperatures between 5 K and 300 K with special attention to the oxidation state of the primary donor P700. The measured fluorescence behaviour is modeled by simulations of the excited state transfer and decay based on structral and spectral information. For the first time, a difference in the quenching efficiency of the PS I core- antenna-RC-complex with open vs. closed RC was resolved both by fluorescence induction and ps- fluorescence as well as by quasi steady state spectroscopy. As the form of the steady state spectra at RT is (nearly) identical, the found difference of 12± 5 % in fluorescence yield is not due to spectral differences between the open and closed RC states but to a ~3 ps difference in the overall excitation decay lifetime. Thus, in closed PS I the excited state is quenched slightly worse than in open PS I. Time-resolved fluorescence could resolve non-conservative transfer spectra both at RT and at 5 K, indicating that the quenched state of the complex is not fully equilibrated. As a consequence, trap limitation of the excited state kinetics can be excluded. From the excited state lifetime at 5 K in closed PS I complexes a A720-P700 distance of ~3.5 nm is calculated. The observed inter-monomer exchange of excitation energy suggests the localization of some A720 pigments in the connecting domain of the trimeric unit. Structural/spectral information based simulation of the excited state dynamics reveales the necessiety for some A708 pigments to be placed next to the RC domain to increase the transient population of P700. The kinetics observed on a model with such arrangement of the red pigments yields optimal parameters as an intrinsic charge separation rate constant of (0.5 ps)-1 and a Förster radius of 7.3 nm for the reproduction of the measured fluorescence. Above that, the simulation shows an equilibration pertubation over the whole red wing of the emission and the determining influence of the red pigments. The kinetics in closed PS I can be described by fast quenching via internal conversion if the non-oxidized P700 Chl is set to maximal absorption at 685 nm. Testing the influence of the various parameters leads to the conclusion that for open PS I, the observable excited state decay is characterized by well-balanced kinetics rather than limiting cases