Fotosyntéza. Ondřej Prášil

Transkript

1 Fotosyntéza 9 Ondřej Prášil prasil@alga.cz

2 Antény Pigmentová anténa mechanismus pro akumulaci kvant ve slabém světle. Zvýší efektivní absorbční průřez RC více než 100 x. Kombinací různých pigmentů se využije světlo různých vlnových délek. Mechanismus ekologické adaptace na prostředí.

3 Univerzální architektura antén: pigment - proteinové komplexy Vnitřní- u reakčního centra, pevné, neměnné, někdy přímo spojené s reakčním centrem Vnější- plastické, přizpůsobení prostředí Vnější periferní - vněmembránové zelené sirné bakterie,sinice, ruduchy, skrytěnky integrální - vnitromembránové hydrofobní alfa šroubovice purpurové fotosyntetické bakterie, řasy (kromě ruduch a skrytěnek), vyšší rostliny.

4 Antenna Complexes Extreme diversity of antenna systems strongly suggests multiple independent evolutionary origins

5 Nejjednodušší systémy - rhodopsiny

6

7 Prokaryota

8 Photosynthetic Prokaryotes Diverse classes of antenna, reaction center and electron transfer complexes Martin Hohmann-Marriott

9 Antény u fotosyntetických prokaryot

10 Purpurové bakterie Světlosběrné (Light-harvesting) komplexy LH1, LH2 LH1 okolo RC, pevné LH2 plastické, vnější Oba jsou oligomery základních jednotek - hydrofobní bílkoviny a Váží 2-3 bakteriochlorofyly a 1-2 karotenoidy

11 Purpurové bakterie

12 Purpurové bakterie základní heterodimer a podjednotek;oligomer LH 1: 16xdimer, LH2 9x His31 His30

13

14 LH 2 komplex Bchl a Bchla 850 Bchla 800

15

16 Faktory, které určují Polohu Qy pásu: 18 Bchla 850 hydrofóbní prostředí Dexterův přenos excitonová interakce Delokalizace excitace Deformace makrocyklu Přítomnost nábojů Rotace C3 acetyl. sk. Vodíkové vazby na C3 acetylu a C13-keto skupiny 9 Bchla 800 koordinace? N-terminální Asp Försterův přenos rezonanční interakce Individuální molekuly

17 Přenos energie bchla car Karotenoid rhodopin glukosid Slabé van der Waalsovy interakce strukturní integrita Ochrana zhášení tripletů

18 High-resolution topograph of a high-light adapted Rsp. photometricum chromatophore

19 Přenos energie v LH Přenos energie ~ 100 ps 95% účinnost

20

21

22 Zastoupení pigmentů v anténách a jejich evoluce

23 Photosynthetic Prokaryotes Diverse classes of antenna, reaction center and electron transfer complexes

24 Chlorosome Antenna System of Green Sulfur Bacteria Efficient, ultrafast energy collection system Low intensity--one photon absorbed per pigment every eight hours! Unique pigment organization pigment oligomers instead of pigment-proteins Redox-activated modulation of energy transfer hv * * FMO * * * * * * FMO Cytoplasm Periplasm

25

26 Electron tomography Cells contain ~100 chlorosomes appressed to the cytoplasmic membrane Connected via a complex internal structural network. Each chlorosome contains ~200,000 molecules of BChl c.

27 FMO protein Fenna-Matthews- Olson trimer 3x7 bhcla

28

29 Photosynthetic Prokaryotes Diverse classes of antenna, reaction center and electron transfer complexes Martin Hohmann-Marriott

30 Fykobiliproteiny sinice, ruduchy, (skrytěnky) 1 fykobilisom na 2 RC PSII, 50x30x12 nm

31 Fykobilisomy několik různých druhů, až 50% rozpustných proteinů v buňce polokruhové fykobilisomy: biliproteiny + linkery, trychýřovitý přenos energie úloha linkerů chromatická adaptace kovalentní vazba bilinů Fykoerythrin (fykoerythrobilin, fykourobilin) Fykocyanin (fykocyanobilin) Allofykocyanin (fykocyanobilin)

32 Stavba fykobiliproteinů podjednotky kda cyklické hexamery

33

34 Zastoupení pigmentů v anténách a jejich evoluce

35

36

37 Absorption of the light harvesting antenna of Trichodesmium Transmission of the filters applied for measurement Car PUB PE PC APC Chl RC

38 Synechococcus Cells Display a Wide Variety of Pigmentation 1 2 3a 3b 3c => 3 main pigment types and several subtypes Six et al., Genome Biology, 2007

39 Pigment Type 1 1 1,6 infrared Relative absorbance (AU) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Col Type 8 vs 1 (WH5701) Col 9 Col 8 vs Col 11 Col 8 vs Col 13 Col 8 vs Col 15 Col 8 vs Col 17 Phycocyanin 0, Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007

40 Pigment Type 1 C-Phycocyanin Allophycocyanin Photo: Chisholm et al. (1988) Rod Core Rod PCB: Blue chromophore Six et al., Genome Biology, 2007

41 Pigment Type 2 2 Relative absorbance (AU) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Phycoerythrin-I infrared Col 8 vs Col 9 Col Type 8 vs 2 (WH7805) Col 11 Col 8 vs Col 13 Col 8 vs Col 15 Col 8 vs Col 17 0, Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007

42 Pigment Type 2 C-Phycocyanin or R-PCIII Phycoerythrin-I Allophycocyanin Photo: Chisholm et al. (1988) Rod Core Rod PCB: Blue chromophore PEB: pink chromophore Six et al., Genome Biology, 2007

43 Pigment Type 3 Subtype a 3a Relative absorbance (AU) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Phycoerythrin-II Phycourobilin Phycoerythrobilin (PEB) infrared Col 8 vs Col 9 Col 8 vs Col 11 Col Type 8 vs 3a Col (WH7803) 13 Col 8 vs Col 15 Col 8 vs Col 17 Whole cell PUB:PEB fluorescence excitation ratio (PUB) 0.4<F 495 nm :F 550 nm <0.5 (Em:580 nm) 0, Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007

44 Pigment Type 3 Subtype b 3b Relative absorbance (AU) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Phycoerythrin-II PUB PEB infrared Col 8 vs Col 9 Col 8 vs Col 11 Col 8 vs Col 13 Col Type 8 vs 3b Col (RCC307) 15 Col 8 vs Col 17 Whole cell PUB:PEB fluorescence excitation ratio 0.6<F 495 nm :F 550 nm <0.8 (Em:580 nm) 0, Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007

45 Pigment Type 3 Subtype c 3c Relative absorbance (AU) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Phycoerythrin-II PUB PEB infrared Col 8 vs Col 9 Col 8 vs Col 11 Col 8 vs Col 13 Col 8 vs Col 15 Col 8 vs Col 17 Type 3c (WH8102) Whole cell PUB:PEB fluorescence excitation ratio 1.6<F 495 nm :F 550 nm <2.2 (Em:580 nm) 0, Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007

46 Pigment Type 3 Subtype d = Type IV Chromatic Adapter 3d Relative absorbance (AU) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 White or green light (GL) PUB PEB Blue light (BL) Col 8 vs Col 9 Col 8 vs Col 11 Col 8 vs Col 13 Col 8 vs Col 15 Col 8 vs Col 17 3d = chromatic adapter infrared Whole cell PUB:PEB fluorescence excitation ratio GL : 0.6<F 495 nm :F 550 nm <0.8 BL : 1.6<F 495 nm :F 550 nm <1.9 0, Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007

47 Pigment Type 3 R-Phycocyanin-II or V Phycoerythrin-I Phycoerythrin-II Photo: Chisholm et al. (1988) Allophycocyanin Rod Core Rod 3 a 3 b 3c - PEI : PUB:PEB 0:5 - PEII: PUB:PEB 1:5 - PEI : PUB:PEB 2:3 - PEII: PUB:PEB 2:4 - PEI : PUB:PEB 2:3 - PEII: PUB:PEB 4:2 GL or WL BL 3d PCB: Blue chromophore PEB: Pink chromophore PUB: Orange chromophore Everroad, Six et al., J. Bact 2006 Six et al., Genome Biology, 2007

48 Pigmentation and Light Quality Niches Oligotrophic Mesotrophic Coastal 0 m Nutrients 50 m 100 m 150 m This wide variety of pigmentation likely allows Synechococcus cells to colonize all available marine environments reached by light, explaining the remarkable ubiquity of this genus The dominant pigmentation in the oligotrophic waters is high-pub (e.g. Olson et al. 1990, L&O) But are these cells belonging to pigment type 3c or are they blue light-adapted forms of chromatic adapters?

49

50 Proteiny typu CP43 PSII Core Complex CP43, CP47 u PSII Pcb u prochlorofyt N terminální PSI isia 6 helixů

51

52 isia z CP43 CP47 most divergent

53 Fotosystém I

54 CP43 a CP47 vnitřní antény PSII chla, β- karoten

55 Prochlorofyta Prochlorococcus, Prochlorothrix, Prochloron Pcb váží (dv)chl a/b Pcb proteiny u Prochlorothrix

56 Pcb proteiny o Prochlorococcus

57 IsiA váže pouze chla 18 jednotek okolo PSI stres nedostatkem Fe

58

59

60

61

62 LHC antény Asi 15 různých chlorofyl vážících bílkovin u PSI a PSII. Všechny jsou kódovány v jádře. Geny se označují Lhca1 Lhcb1 nebo cab. Proteiny Lhca1 nebo CP. Dohromady tvoří komplex LHCI nebo LHCII.

63 Lhc 50% všech proteinů thylakoidu kda 3 transmembránové šroubovice + 1 malá paralelní Lhcb: 12 chlorofylů (7chl a+ 5chl b) 2 luteiny strukturní funkce

64

65 LHCII v rozlišení 2.5 A

66

67

68

69

70 Chromofyta a dinofyta: chla, chlc, xanthofyly FCP fucoxanthin PCP - peridinin

71

72