Dynamik und Thermodynamik supramolekularer Proteinanordnungen in photosynthetischen Membranpräparationen

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Kirchhoff
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5415841

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In dem Projekt konnte erfolgreich ein experimentelles System etabliert werden, mit dem die Packungsdichte der Proteine in photosynthetischen Granamembranen nahezu stufenlos verringert werden kann. Das zugrunde liegende Protokoll basiert auf einer Fusionierung von isolierten Granamembranen mit unilamellaren Liposomen. Besonderer Wert wurde bei der Optimierung des Protokolls darauf gelegt, dass eine Lipidmischung verwendet wurde, welche auch in den natürlichen Membranen vorkommt. Die Etablierung dieses Fusionierungsprotokolls eröffnete die Möglichkeit den Einfluss der natürlicherweise sehr hohen Proteindichte in Granamembranen auf die Effizienz der Lichtverwertung von Photosystem II und auf laterale Proteinbewegungen in dieser Membran zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass die Proteindichte, wie sie in natürlichen Membranen vorkommt, offenbar optimiert ist, um die Interaktion zwischen Lichtsammelproteinen und Photosystem II zu maximieren, was eine hohe Effizienz der photosynthetische Lichtverwertung sicherstellt. Diese Effizienz sinkt wenn die Proteindichte sowohl höher als auch geringer ist, aus unterschiedlichen Gründen. Bei sehr hohen Packungsdichten werden durch das Fehlen separierender Lipide wahrscheinlich direkte Protein-Protein Assoziationen induziert, die artifizielle Energiesenken schaffen, welche absorbierte Anregungsenergie in Wärme umwandeln, welche nicht mehr photochemisch genutzt werden kann. Ist die Proteindichte zu gering, so trennen sich die Lichtsammelkomplexe vom Photosystem II und können diesem eingefangene Lichtenergie nicht mehr zuführen. Offenbar wurde in der Evolution eine Proteinpackungsdichte selektioniert, welche die Lichtverwertung von Photosystem II optimierte. Im Unterschied hierzu zeigen die Untersuchungen zur lateralen Proteinbewegung, dass diese in den nativen Membranen stark eingeschränkt ist. Durch eine Verdünnung der Proteindichte könnte die Proteindiffusion deutlich verbessert werden, was für die Anpassung, den Umbau und die Reparatur des Photosyntheseapparates vorteilhaft wäre. Dies ist nicht umgesetzt. Es ist jedoch zu beachten, dass auch in den dicht gepackten nativen Membranen eine bestimmte Fraktion von Proteinen sich sehr schnell beweben kann. Diese könnte genügen ,um die Integrität des Photosysntheseapparates in höheren Pflanzen zu gewährleisten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2004) Dynamic interaction between LHCII and PSII in grana membranes fused with liposomes. In: Proceedings of 13th International Congress on Photosynthesis. Allen Press Inc. Lawrence, Kansas (USA)
  S. Haferkamp, S. Wegner, W. Haase, H. Kirchhoff
  
• (2004) Dynamic interaction between LHCII and PSII in grana membranes fused with liposomes. Proceedings of the 13th International Congress of Photosynthesis, Montreal, Canada
  S. Haferkamp, Wegner S, Haase W, Kirchhoff H
  
• (2004) Significance of the protein density for the supramolecular protein organisation in isolated grana thylakoids. Botanikertagung, Braunschweig, Germany
  S. Haferkamp, Haase W, Kirchhoff H
  
• (2004) Supramolecular photosystem II organization in grana thylakoid membranes: Evidence for a structured arrangement. Biochemistry 43, 9204-9213
  H. Kirchhoff, I. Tremmel, W. Haase, U. Kubitscheck
  
• (2005) Relevance of the high protein density for the excitonic coupling between LHCII and PSII in grana membranes. Biophysical and Biochemical Methods in Photosynthesis Research Central-European Conference, Brno, Czech Republic
  S. Haferkamp, Haase W, Kirchhoff H
  
• (2006) Significance of molecular crowding in grana membranes. 3rd Symposium SFB 429, Potsdam, Germany
  S. Haferkamp, Haase W, Kirchhoff H
  
• (2007) Protein diffusion and macromolecular crowding in grana thylakoids. In: Proceedings of 14th International Congress on Photosynthesis. Springer Press
  H. Kirchhoff, S. Haferkamp, J.F. Allen, C.W. Mullineaux
  
• (2007) Significance of molecular crowding for the functional protein organisation in grana membranes. In: Proceedings of 14th International Congress on Photosynthesis. Springer Press
  S. Haferkamp, Haase W, Amerongen van H, Mullineaux CW, Kirchhoff H
  
• (2007) Significance of molecular crowding in grana membranes. 32nd FEBS Congress, Vienna, Austria
  S. Haferkamp, Haase W, Amerongen van H, Mullineaux CW, Kirchhoff H
  
• (2007) Significance of molecular crowding in grana membranes. 7th Young Scientist Forum, Vienna, Austria
  S. Haferkamp, Haase W, Amerongen van H, Mullineaux CW, Kirchhoff H
  
• (2007) Significance of molecular crowding in grana membranes. Botanikertagung in Hamburg, Germany
  S. Haferkamp, Haase W, Amerongen van H, Mullineaux CW, Kirchhoff H
  
• (2007) Structural and functional self-organization of Photosystem II in grana thylakoids. Biochimica et Biophysica Acta-Bioenergetics 1767, 1180-1188
  H. Kirchhoff, W. Haase, S. Haferkamp, T. Schott, M. Borinski, U. Kubitscheck, M. Rögner
  
• (2008) Molecular crowding and order in photosynthetic membranes. Trends in Plant Science 13, 201-207
  H. Kirchhoff
  
• (2008) Significance of macromolecular crowding for protein diffusion in thylakoid membranes of chloroplasts. Plant Physiology 146, 1571-1578
  H. Kirchhoff, S. Haferkamp, J. F. Allen, D. Epstein, C. W. Mullineaux
  
• (2008) Significance of molecular crowding in grana membranes of higher plants for light harvesting by photosystem II. Photosynthesis Research 95, 129-134
  S. Haferkamp, H. Kirchhoff
  
• (2008) Significance of protein crowding, order and mobility for photosynthetic functions. Biochem. Soc.Transactions 36, 967-970
  H. Kirchhoff