Examensarbete i kemi, naturvetenskapliga fakulteten, Lunds universitet
Inbindning av Kadmium till Fotosystem II och Kalciums tävlande effekt
Kajsa Sigfridsson
Fotosyntesen, en komplex process där solens energi fångas in och omvandlas till kemiskt
bunden energi. Den fångade energin används till att driva cellulära processer. Fotosyntes kan
göras av många typer av organismer såsom fotosyntetiska bakterier, alger och högre växter.
Den fotosyntetiska processen hos våra gröna växter sker i kloroplasterna och kan delas in i en
ljus och en mörker (ljusoberoende) reaktion. Ljusreaktionen, där elektroner transporteras från
vatten för att bilda de energirika molekylerna NADPH och ATP, sker i thylakoidmembranet.
Mörkerreaktionen, där NADPH och ATP används för att via Calvin cykeln reducera koldioxid
till olika kolhydrater, sker i stroma (kloroplasternas cytoplasma). Ljus fångas av pigment
belägna i fotosystem II och I med intilliggande antennkomplex. Detta leder till att ett speciellt
par av klorofyllmolekyler exiteras P680 och P700 i fotosystem II respektive I. Energin i det
absorberade ljuset fångas in av laddningsseparation. I detta arbete undersöktes egenskaper hos
fotosystem II (FS II), vilket är det proteinkomplex där vattenoxidationen drivs. Idén var att
undersöka effekten av kadmium på fotosystem II och se om kalcium kan häva
kadmiumeffekten.
Kadmium likt andra tungmetaller inhiberar fotosyntetisk funktion. Kadmium jonen och
kalcium jonen är lika både till laddning och storlek (divalenta katjoner med jonradie 0.97 Å
respektive 0.99 Å). Därför har ofta kadmium jonen (Cd2+) använts vid undersökning av
inbindningsställen för kalcium (Ca2+), eftersom Cd2+ är ofta lättare att detektera. Kalcium är
nödvändigt för oxidation av vatten och ingår i det syrgasutvecklande komplexet som består av
4 manganjoner (Mn), 1 Ca2+ och minst en kloridjon Cl-).
Vid inbindning av kadmium till fotosystem II hämmas syrgasutvecklingen. Med hjälp av en
sygaselektrod undersöktes tillsatser (0-10 mM) Cd2+ till en FS II preparation. Detta
resulterade i en tvåfasig inhiberingskurva, vilket kan tolkas som att kadmium påverkar minst
två olika inbindningsställen i FS II i olika koncentrationsinterval. Den första fasen ligger
mellan 10 µM och 1 mM och benämns av mig som ”mikromolar sitet”. Den andra mindre
branta fasen ligger mellan 1 mM och 10 mM och benämns ”millimolar sitet”.
Vilken effekt har då kalcium på kadmiuminhiberingen? För att undersöka kadmiums
eventuella inbindning till egentliga inbindningsställen för kalcium gjordes Cd2+experimenten i närvaro av olika fixa koncentrationer av Ca2+ i bufferten. Det visade sig att
cirka 5 mM Ca2+ i provet hävde effekten av Cd2+ i ”mikromolar sitet”. Vidare analys av data
indikerade att Ca2+ och Cd2+ binder in kompetitivt (tävlande) till detta inbindningsställe.
För att undersöka bindningsaffiniteten gjordes en tvättstudie. Överskott av Cd2+ tvättades
bort tillsammans med eventuellt löst bundet Cd2+. Resultatet från denna studie visar på att
Cd2+ binder in hårdare till ”mikromolar sitet” och lösare till ”millimolar sitet”.
Sammanfattningsvis:
Kadmium binder in till minst två ställen i Fotosystem II.
Cd2+ binder med hög affinitet i koncentrationsintervallet 5µM-1 mM, ”mikromolar sitet”.
och med låg affinitet i koncentrationsintervallet 1-10mM, millimolar sitet”.
Ca2+ och Cd2+ tävlar om inbindningen till ”mikromolar sitet”.
Swedish official title: Inbindning av Kadmium till Fotosystem II och Kalciums tävlande
effekt
Swedish credits: 20p
E-mail address of first author: [email protected]
Supervisor: Stenbjörn Styring, Biochemistry
Submission date/time: 2002-11-12
Examensarbete i kemi, naturvetenskapliga fakulteten, Lunds universitet
Cadmium Binding to Photosystem II and the Competitive Effect of
Calcium
Kajsa Sigfridsson
Chemistry, Biochemistry
Autumn 2002
Abstract in English
Cadmium is a heavy metal. Similarly to other heavy metal ions Cd2+ can inhibit
photosynthetic function. In this work the effects of Cd2+ on photosystem II from higher
plants were examined. By addition of cadmium to spinach PS II the steady state oxygen
evolution in sample was inhibited in different extent, depending on the Cd2+ concentration.
When 1 mM Cd2+ was added to intact PS II membranes, the oxygen evolution yield
decreased by about 20 %. Repeating the measurements in salt-washed PS II (-17-23 kDa) the
same relative (20 %) inhibition was reached after adding only 10µM Cd2+. The oxygen
evolution rate was further decreased when higher concentrations of cadmium are added. In
both intact and salt-washed PS II the first 20 % decrease of the oxygen evolution could be
restored by addition of CaCl2 to the Cd-treated sample.
The results in this work indicate that Cd2+ binds to at least two sites in PS II, one of the sites
was a high affinity site, which could be reached by Cd2+ in the micromolar concentration
range. The other site is a low affinity site, affected by Cd2+ in the millimolar concentration
range. In the high affinity site Ca2+ can replace the bound Cd2+.
