Fotosyntéza. Ondřej Prášil

Transkript

1 Fotosyntéza 10 Ondřej Prášil

2 Čtyři fáze procesu přeměny energie ve fotosyntéze 1. absorbce světla a přenos energie v anténních systémech 2. primární rozdělení nábojů a přenos elektronů v reakčních centrech 3. stabilizace energie v sekundárních procesech 4. syntéza a export stabilních produktů

3 Reakční centra A 2 A 3 n PA h P * A h A P P + A - D p D + PAA 2 - P primární donor, D sekundární donor, A akceptor elektronů

4 Chemické vlastnosti pigmentů v excitovaném stavu jsou odlišné od molekuly v základním stavu redoxní potenciál excitovaného stavu je jiný než stavu základního LUMO HOMO

5 Principy stabilizace nábojů v RC

6 Kinetika přenosu elektronů a rekombinace v RC rekombinace je >50x pomalejší než přenos elektronů

7 Střední redoxní potenciál excitovaného stavu E m (P + /P*) = E m (P + /P) - E(P/P*) E(P/P*) je rozdíl energie mezi excitovaným a základním stavem

8 Obecné vlastnosti reakčních center integrální membránové pigment-proteinové komplexy vektoriální orientace v membráně světlem indukované přenosy elektronů, rozdělení nábojů některá RC pumpují protony

9

10 Dva typy RC: chinonové (vysokopotenciálové) FeS (redukční) RC II RC I

11 Zastoupení typů RC u prokaryot Bacteria

12 Fotosyntetická membrána purpurových bakterií chromatofory ve vnitřní cytoplasmatické membráně cytoplasma periplasma

13

14 L & M podjednotky: 5 transmembránových šroubovic, které tvoří hydrofóbní aminokyseliny Pseudo-dvoučetná symetrie L a M podjednotky jen 30% sekvenční identita

15 Hans Deisenhofer Robert Huber Hartmut Michel C M L Nobelova cena 1988 H

16 Redoxní kofaktory BRC elektronový transport jen po větvi A P865 maxima absorbce bakteriochlorofylu a

17 Primární procesy v BRC Elektron oxidovanému P870 + je dodán cytochromem ~ 100 sec

18 Kinetická absorbce procesy s rychlostí od ps do ms

19 Chinony

20 Dvouelektronová brána a protonace chinonů

21

22 Detailní struktury obou fotosystémů u sinic jsou známy s rozlišením Å, u rostlin pouze PSI s rozlišením 3.4 Å T. elongatus, Dimer, 3.8 Å, Zouni et al, Nature 409, (2001), 1FE1 3.5 Å, Ferreira et al, Science 303, (2004),1S5L 3.0 Å, Loll et al, Nature 438, (2005), 2AXT P. laminosus: Dimer, 3.0 Å, Kurisu et al, Science 302, (2003), 1VF5 C. reinhardtii: Dimer, 3.1 Å, Stroebel et al, Nature 426, (2003), 1Q90 T. elongatus Trimer,2.5 Å, Jordan et al, Nature 411, (2001), 1JBO Pea, Monomer, 4.4 Å, Ben- Shem, et al. Nature 426, (2003), 1QZV; 3.4 Å Nature (May 2007)

23 Purple bacterial reaction center Photosystem 2 reaction center

24 Fotosystém II 2H 2 O + 2PQ O 2 + 2PQH 2 - z hlediska enzymové aktivity je to voda:plastochinon oxidoreduktáza - složitější než BRC, PSII má až 30 podjednotek (nutnost regulace a ochrany před kyslíkem?) h 43 CP43 Q A e - Pheo D1 e - Y Z Fe P680 Q B Y D CP47 Pheo D2 2H 2 O 33kDa oxygen evolving complex O 2 + 4H +

25 Velké proteinové podjednotky fotosystému II - u fotosystému II váží pigmenty reakčního centra homologní membránové podjednotky D1 a D2, zatímco anténní pigmenty jsou vázány symetricky vázanými proteiny CP47 a CP43

26 Struktura fotosystému II z Thermosynechococcus elongatus s rozlišením 3.0 Å (Kern et al., Nature 2005) I PsbX PsbH CP47 d PsbY c Cyt b-559 PsbZ ycf12 PsbJ PsbK D2 PsbL PsbM PsbT e a d c b c d f e a b CP43 PsbI D1 b a c d e f b a II Oligomerní stav, velikost: dimer, 750 kda Počet podjednotek na monomer : 20 obsahující 36 TMH Počet kofaktorů na monomer : 89 z toho: 35 Chla, 12 Car, 25 lipidů, 3 PQ, 2 hem, 2 Pheo, 1 bicarbonát, Fe 2+, Mn 4 Ca, Cl -, 2 Ca +2 (a 7 DM)

27 Na lumenální straně fotosystému II je vázán kyslík vyvíjející Mn clastr s 3 stabilizujícími proteiny PsbO, PsbV a PsbU

28

29 Elektron-transportní řetězec fotosystému II (Kern et al., Nature 2005) Fe 2+ Fe 2+ Q A Q B Q B Cyt b-559 Pheo Pheo D1 D1 Pheo Pheo D2 D2 Chlz D1 Chlz D2 Car D2 Chl Chl D1 D1 Chl Chl D2 D2 Car D1 Tyr Z P D1/D2 D1/D2 Tyr D Protektivní větev Distances Mn 44 Ca cluster Aktivní větev Cyt c-550

30 Na separaci nábojů se podílí multimer molekul chlorofylu P680

31 Struktura Q B kapsy: kromě chinonu Q B i vazba dalšího chinonu Q C Q pocket B cytoplasm lumen 2 kanály spojují Q B kapsu s membránou, v jednom je Q B, v druhém Q C přístup ke Q B kapse z cytoplazmy je blokován lipidy

32 Vývoj kyslíku v PSII 2H 2 O O 2 + 4H + +4e - E m = V P680 + E m = V

33 4 e - ale jen 1 foton?? P.Joliot a B.Kok, 1970 S stavy

34 Struktura klastru Mn 4 Ca a jeho vazba ve fotosystému II CP43-Arg 357 Gln 165 Tyr Z Asp 170 Ala 344 CP43-Glu Ca Glu Asp 61 Glu 333 Asp 342 His 332 His 337

35 Srovnání termodynamické účinnosti BRC a PSII 68% 35%

36 Vektoriální přenos elektronů a protonů

37 Komplex cyt b6/f dimer: cyt bf, Rieske Fe-S + ~5 proteins

38 Rieske 2Fe-2S protein Antony Crofts Fe.2S iron sulfur center from Rieske protein of the bc 1 -complex 2Fe2S ==> 2Fe2S + + e - Midpoint redox potential: E m, ph 7 = 290 mv

39 The structures of two types of iron-sulfur centers. (A) A center of the 2Fe2S type. (B) A center of the 4Fe4S type. Although they contain multiple iron atoms, each iron-sulfur center can carry only one electron at a time. There are more than six different iron-sulfur centers in the respiratory chain.

40 Hemy integrální součást cytochromů

41 The structure of the heme group attached covalently to cytochrome c. The porphyrin ring is shown in blue. There are five different cytochromes in the respiratory chain. Because the hemes in different cytochromes have slightly different structures and are held by their respective proteins in different ways, each of the cytochromes has a different affinity for an electron.

42 Cytochromes Position of α - band cyt a ~ 600 nm cyt b ~ 560 nm cyt c ~ 550 nm

43 Cytochrome f c - type cytochrome, transfers electrons to plastocyanin Heme c, with two cysteine ligands ferrocytochrome c ==> ferricytochrome c + + e- Midpoint redox potential: E m, ph 7 = 350mV

44 Komplex cyt b6/f dimer: cyt bf, Rieske Fe-S + ~5 bílkovin

45 cyt b6/f cyt bc

46 Q cyklus

47 Q cyklus přenosu elektronů v cytb 6 /f

48 Q cyklus přenosu elektronů v cytb 6 /f

49 Plastocyanin (cytochrome c) Cu center of plastocyanin Cu 2+ => Cu 3+ + e - Midpoint redox potential: E m, ph 7 = 360 mv

50

51 - z hlediska enzymové aktivity je to plastocyanin:ferredoxin oxidoreduktáza Fotosystém I

52 Fotosystém I 12 podjednotek 127 kofaktorů 97 chl 3 Fe 4 S 4 centra 2 fylochinony 22 karotenoidy 4 lipidy

53 Velké membránové proteiny fotosystému I - velké membránové podjednotky PSI označované jako PsaA a PsaB váží jak pigmenty reakčního centra, tak světlosběrné pigmenty

54 Struktura komplexu fotosystému I z Thermosynechococcus elongatus s rozlišením 2.5 Å (Jordan et al., Nature 2001) Oligomerní stav, velikost: trimer, 1150 kda Počet podjednotek na monomer : 12, celkem 32 TMH Počet kofaktorů na monomer: 128 z toho: 96 Chla, 22 Car, 4 lipidy (3 PG +1 MGDG), 2 fylochinony, 3 klastry 4Fe4S, 1 Ca +2

55 Fotosystém I silný reduktant, slabý oxidant..

56 Uphill electron transfer 127 cofactors: 97 chl 3 Fe 4 S 4 centers 2 phylloquinons 22 carotenoids 4 lipids Parallel electron transfer Chl a isomer C13

57 Elektron-transportní řetězec fotosystému I: obě větve funkční (Jordan et al., Nature 2001) A 1 A 1 A 0 A 0 P700 P700

58 sinice trimér rostliny - monomér

59 Uspořádání molekul chlorofylu v PSI: na periferii dvě vrstvy pigmentů, v centrální části také velký počet anténních molekul (25) plus pigmenty RC P700 a A 0 (Jordan et al., Nature 2001)

60 Struktura komplexu fotosystému I z Pisum sativum s rozlišením 3.4 Å (Amunts et al., Nature 2007) Oligomerní stav, velikost: monomer, 525 kda Počet podjednotek na monomer : 12+4 LHCI, celkem 45 TMH Oproti sinicovému PSII: obsahuje PsaG, PsaH a dlouhou smyčku PsaF Počet kofaktorů na monomer: 172 z toho: 167 Chl, 2 fylochinony, 3 klastry 4Fe4S

61 Proteiny fotosystému II - velké membránové podjednotky PSII D1, D2, CP47 a CP43 lze získat hypotetickým rozštěpením obou velkých podjednotek fotosystému I PsaA a PsaB

62 Location of primary acceptors in RCI and RCII Fe Q A 28 P 680

63

64 Ferredoxin (Flavodoxin) Antony Crofts 1996 Plant like 2Fe.2S iron sulfur centers ferredoxin 2Fe2S => 2Fe2S + + e - Midpoint redox potential: E m, ph 7 = to - 400mV

65 RC II RC I

66 RC II RC I E m

67 Vztah mezi hlavními podjednotkami RC různých fotosyntetických RC naznačuje společného prapředka

68 Monomeric Reaction Center Evolutionary change Homodimeric Reaction Center Gene duplication Divergence Heterodimeric Reaction Center

69 RC II RC I Purple bacteria Photosystem I Photosystem II Green sulfur bacteria

70 Purpurové bakterie

71 Zelené sirné bakterie

72 Konec