A fotoszintetikus fénybegyűjtő antennarendszer (makro-)szerveződése és szerkezeti flexibilitása
Önszerveződő stabilis, hatékonyságukban és szerkezetükben flexibilis struktúrák
Garab Győző, Ortvay Kollokvium, 2011
- A fotoszintézis – globális hatások - A fotoszintézis ‘blokksémája’ - Miért van szükség antennára? - Milyen antennára van szükség? - Az antennák általános tulajdonságai - Főbb antenna típusok Az antenna és a membránszerkezet stabilitás/flexibilitás (termo-optikai mechanizmus)
Fotoszintézis: Molekuláris Mechanizmusok – Globális Hatások
1970-es kép: egy átlag amerikai család az egy év alatt felhasznált olajmennyiséggel. Mostanra a fogyasztás 40%-kal magasabb.
A ‘Vostok Ice Core’ az elmúlt 420 000 év rekordja
________2008
WDCP/IPCC nyomán
Nagyon hosszú időállandók A CO2 koncentráció, a hőmérséklet és a tengerszint még sokáig emelkedik a kibocsájtás csökkentése után is! Egyensúly eléréséhez szükséges idő
Tengerszint-növekedés a jég olvadása miatt: pár ezer év
Feltételezett CO2 kibocsájtási csúcs közeljövőben
Felmelegedés/hőtágulás miatt tengerszintnövekedés: száztól ezer év Hőmérsékletstabilizálódás: pár száz év CO2 mennyiség stabilizálódása: 100-300 év
CO2 kibocsájtás
Intergovernmental Panel on Climate Change
A fényenergia hasznosítása alapfolyamatok, ‘blokkséma’
Heldt: Plant Phyisol
The fate of excitation in molecular assemblies
Energy transfer: D* + A D + A* (usually) depends on the distance (R-6) and the mutual orientation of the pigment dipoles Sybesma, Biophysics
Funnel concept concept Funnel
Blankenship: Molecular mechanisms of photosynthesis
Irányított energiavándorlás The Light Reactions, Barber, ed.
H+ pH +
Block diagram of photosynthesis Photophysics Light absorption energy migration
~ 10-15 – 10-9 s
complexes
Photochemistry
Biochemistry
Physiology
charge separation redox chain NADPH, ATP, O2
CO2 ‘fixation’, Signal transduction Short-term regulation
synthesis, self-assembly repair transport Regulation
~ 10-12 – 10-2 s
membrane
~ 10-3 – 103 s
chloroplast
~ 102 – 106 s
Ontogeny Ecology Evolution
~ 105 – 1017 s
cell, plant, ecosystem, biosphere
Antennák és reakciócentrumok
Ordered array of transition dipoles in LH2
R. Cogdell
Light harvesting complexes and reaction center in purple bacterial membranes 100 nm
Model Cogdell’s structure
AFM image of the native membrane
Hunter and coworkers, Nature, 2004
Antenna Complexes
Extreme diversity of antenna systems strongly suggests multiple independent evolutionary origins
A kloroszóma
100 nm
Kloroszómák a Chlorobium tepidum sejtjeiben Frigaard et al. (2003) Photosynth Res
►Főleg zöld kénbaktériumokban fordul elő ►A leghatékonyabb fénybegyűjtő antenna – extrém alacsony fényintenzitáson, mélytengerekben ►Bakterioklorofill aggregátumokat tartalmaz
►pigmentösszetétele: 250,000 BChl c 20,000 karotenoid
van Rossum et al (2001) Biochemistry 40: 1587
Steensgaard et al. (2000) J Phys Chem 104: 10379 The double layer model providing ~10 nm rods The single layer model providing ~5 nm rods.
Holzwarth and Schaffner (1994) Photosynth Res 41: 225
Porphyrin nanorods LD (in dichrograph) & FDLD (in DP-LSM) H3C
OH CH 3
(CH3)3C
C(CH3)3
N
N
Zn (CH3)3C
N
N
C(CH3)3
13 COCH3
Orientation of transition dipoles w respect to the rod axis: Qx 43°±8 Qy 37°±7 Bx 39°±4
Steinbach, Zupcanova, Pomozi, Garab, Balaban et al. (2011)
PSII reaction center and core complexes
Barber and coworkers, Science, 2004
Chromophores of PSII ReCe & core
Photosystem I : ReCe& LH antennae
Nelson and coworkers, 2003, Nature
45 transmembrane helices
A fotoszintetikus energiaátalakító rendszer fő alkotói a növényekben
~ 70% protein, 30% lipid
http://plantphys.info/plant_physiology/photoeco.shtml
Az antenna rendszer általános tulajdonságai • Nagyszámú, széles spektrum tartományt lefedő pigmenteket tartalmaznak – molekuláris rend, irányított gerjesztési energia-’vándorlás’ • Beépített védekező funkciók (pl. karotenoidok) • Pigment–protein komplexek - de kloroszóma • Rendkívül változatos forma és összetétel – de mindig nagyfokú ‘makro’-rendezettség • ~100% kvantumhatásfok – de regulálható • Önszerveződő – membrán-asszociált komplexek, domináns, a struktúrát meghatározó komponensek
Az antennarendszer és a membránszerkezet stabilitása és flexibilitása
“So right away I found out something about biology: it was very easy to find a question that was very interesting, and that nobody knew the answer to.” Surely You’re Joking, Mr. Feynman!
Mustárdy & Garab, 2003 Trends Plant Sci. Mustárdy et al. 2008, Plant Cell
Peak 310
sötét
fény
Repeat Distance (Å)
300
290
280
270
260
250 0
100
200
300
Time (s)
Nagy G., Ünnep R. et al.
400
500
600
SANS: effect of cations on the membrane organization + cations
Nagy et al., unpublished
- cations
Origins of CD bands of Chls and carotenoids in different, hierarchically coupled structural organizations
-3
Circular dichroism, x10
3
2
intrinsic excitonic psi-type
1
0
-1 400
500
Garab and van Amerongen, 2009 Photosynth Res
600
Wavelength, nm
700
800
Boekema&Dekker; Barber
3
5.5
-3
Circular dichroism, x10
Circular dichroism x10-4
Light-induced reversible reorganizations in the chiral macrodomains of thylakoid membranes
5.0 4.5 4.0 3.5
2
intrinsic excitonic psi-type
1
0
-1
3.0
400
500
600
Wavelength, nm 2.5 2.0 1.5 0
1
2
3 4 Time, min
Barzda et al. 1996 Biochemistry
5
6
7
700
800
Quasi-linear light intensity dependence of the CD changes in thylakoids
Light intensity Wm-2 Barzda et al. 1996, Biochemistry
LHCII ___
microcrystals and
___
lamellae lamellae microcrystals
LHCII monomer
0,0005
0,0000
CD
-0,0005
-0,0010
-0,0015
trimer
-0,0020
-0,0025 400
500
600
nm Simidjiev et al. 1997 Anal Biochem
700
800
LHCII microcrystals (STEM)
Miloslavina et al., 2011, Photosynth. Res.
Light-induced reversible reorganizations in the longrange chiral order of lamellar aggregates of LHCII
Simidjiev et al. 1997 Anal. Biochem, Cseh et al. 2005 Photosynth Res.
Temperature-dependences of the macrodomain reorganizations Thylakoids
LHCII
0.4
10 °C
0.0
CD (rel. units)
15 °C
-0.4
25 °C
-0.8 -1.2 35 °C
-1.6 -2.0 -60 0 60 120 180 240 300 360 420
Time (sec) Cseh et al., 2005 Photosynth Res
STEM of LHCII in the dark
Garab and Hind, unpublished
STEM of LHCII after preillumination (3 min 2000 E)
STEM of LHCII in the re-dark (10 min after preillumination)
Garab, Hind et al, unpublished
Termo-optikai mechanizmus
Schematic illustration of the thermo-optic effect in liquid crystals
Long-range order (irreversibly) dismantled by heat Long-range order reversibly perturbed by dissipation of photon energy (fast local thermal transients)
0,004
0,003
Control: thylakoids incubated in the dark at different temperatures 10/4/00
0
Control 25 C 0 35 C 0 45 C 0 55 C 0 60 C 0 65 C 0 70 C
Circulardichroism
0,002
0,001
0,000
-0,001
-0,002 400
500
600 Wavelength,nm
700
800
Thermal stabilty of thylakoids in the light 10/4/00
0,0030 0,0025
Circulardichroism
0,0020 0,0015
0
Control 25 C 0 35 C 0 45 C 0 55 C 0 60 C 0 65 C 0 70 C
0,0010 0,0005 0,0000 -0,0005 -0,0010 400
500
600 Wavelength,nm
700
800
Sensitivity of macrodomains in thylakoids 0,005 Dark Control light
CD (690-670 nm)
0,004
0,003
0,002
0,001
0,000 10
20
30
40
50
60 0
Temperature, C Cseh et al., 2000, Biochemistry
70
80
Thermal transients near the site of dissipation
8 7
Distance from the dissipating cell = 1 Distance from the dissipating cell = 2 Distance from the dissipating cell = 3
T (K)
6 5 4 3 2 1 0 0 Cseh et al., 2000, Biochemistry
20
40
60
Time (ps)
80
100
Kinetics of the thermal transient in LHCII trimer following exciton-exciton annihilation 70 60 50
, K
40 30 20 10 0 -10 0
25
Gulbinas et al. 2006 Biochemistry
50
75
time, ps
100
125
150
Thermo-optic model Heat-diffusion:
2 T 1 T 0 2 t r Kinetic model of elementary structural transitions: k12 A1
k23 A2
k21
A3 k32
Temperature-dependence of the elementary transitions k12 12 e
-
G12 ( T ) kT
Cseh et al 2000 Biochemistry; 2005 Photosynth Res.
Essence of thermo-optic mechanism o
Free energy
40 C o 20 C o 0 C
A1
k12 k21
A2
k23 k32
A3
Elementary structural transitions due to fast local thermal transients (close to the dissipation site - using „built-in“ thermal instability) Thermo-optic mechanism allows local, reversible transients to occur without affecting the overall structure
• A termo-optikai effektus révén, azaz ultragyors, lokális hőcsomagok hatására - a disszipáció ill. a termikusan instabil szerkezeti elem(ek) közvetlen molekuláris környezetében, valószínűleg kationok közvetítésével, alacsony kvantumhatásfokkal - elemi szerkezetváltozások játszódnak le, melyek ‘makroszkópikus’ reverzibilis változásként ((i) unstacking, (ii) laterális átrendeződés, (iii) LHCII monomerizáció) észlelhetők. • Ez a mechanizmus eleget tesz a szerkezeti stabilitás és flexibilitás kettős követelményének. • A fizikai mechanizmus részleteit, a szerkezetváltozások pontosabb természetét és fotofizikaifiziológiai jelentőségét vizsgáljuk.
EBSA Biophysics Course on Solar Energy - Biological and Biomimetic Solutions August 27 – 31, 2011 BRC, Szeged
