A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 26

A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000)

26

5. A második fotokémiai rendszer

! "# ! $ % &(' ) *$ +'

cianobaktériumok) a természetben egyedülálló képessége a víz fényindukált elbontása protonokká és molekuláris oxigénné. E folyamat révén a Földön kimeríthetetlen

, - . / 0 1 2 3 45 687:9 ; ; 3 25 9 . <3 2 2 3 45>=9 ?@ AB1C<1 A 1 0 1 DD. 9 4 ? EF0 G 9 . H9 G 9 5 9 2I0 G /
mennyiségben rendelkezésre álló víz szolgál a fotoszintetikus elektrontranszport

nélkülözhetetlen oxigén keletkezik. A fényindukált vízbontást a tilakoid membránba ágyazódo

-protein komplex, az ún. második fotokémiai rendszer

diffundáló plasztokinon (PQ) molekulák továbbítják a citokróm bf komplex felé, a tilakoid lumenbe bocsátott protonok pedig a transzmembrán proton gradiens kialatításához járulnak hozzá.

5.1. ábra. A második fotokémiai rendszer szerepe a fotoszintetikus elektrontranszportban


27

}~P : ( ¡ ¢¤£^¥ ¡ ¦§ ¦T¨© ª «¨ ¬ª ®¬ ¯ °± ² ³´ «µ ¶ ª «®·§ ±² J¬¸¦L§ ¦¨© ª «T¨ § ¹ º » ¼ ½ ¾¿LÀ Á Â ½ Ã Ä ÅPÆ½ ÇÈ ½ Â É Æ ÊË Ì Í ÎÇÎÇ Ã ËxÏ

Protein szerkezet

k túlnyomó része a

Kódoló gén

Funkció

TM(5) TM(5)

Mol. Tömeg (kDa) 39 39

PsbA(plasztisz) PsbD(plasztisz)

RC/kofaktor kötés RC/kofaktor kötés

TM(1) TM(1)

9 4

PsbE(plasztisz) psbF(plasztisz)

Hem kötés Hem kötés

TM(6)

51

psbC(plasztisz)

Klorofill kötés

CP47

TM(6)

56

psbB(plasztisz)

Klorofill kötés

PSII-H PSII-I

TM(1) TM(1)

8 4

psbH(plasztisz) psbI(plasztisz)

? ?

PSII-J

TM(1)

4

psbJ(plasztisz)

?

PSII-K

TM(1)

4

psbK(plasztisz)

?

PSII-L PSII-M

TM(1) TM(1)

4.5 4

psbL(plasztisz) psbM(plasztisz)

? ?

PSII-N

TM(1)

4.5

psbN(plasztisz)

?

PSII-T

TM(1)

4

psbT(plasztisz)

?

OEC33 OEC23

L L

26 20

psbO(sejtmag) psbP(sejtmag)

Mn stabilizálás Ca2+, Cl- kötés?

OEC16

L

16.5

psbQ(sejtmag)

Ca2+, Cl- kötés?

PSII-R

TM(1?)

10

psbR(sejtmag)

?

PSII-T PSII-W

L TM(1)

3 6

psbT(sejtmag) psbW(sejtmag)

? ?

PSII-X

TM(1)

4

psbX(sejtmag)

?

Alegység

Topológia

D1 D2 Cit b-559α Cit b-559β CP43

5.1. Táblázat. A PSII komplex protein alegységei. A topológia a protein lumenális (L) vagy transzmembrán lokalizációját (TM) és a TM hélixek számát mutatja. A kódoló génnél pedig a kloroplasztisz vagy a sejtmag genómjában való lokalizációja van feltüntetve.


28

Ð ÑÒ Ó Ô Ò Õ:Ö × Ò Ø ÙÚÙ ÛÜÛÝ ÛÞ ß àá Ù á â ã á Ý á à â ä ÙLÚåLæç è ç^â é ê Ý éå Úâìë å á í ä à âìÙ ä î ß î áÚ åTï¤ðñ êsÚ à â á ààÚ òôó^õ ö ö ÷ ø ù ú û ü ýû ø þÿ ÷ ÿPù ø ÷ ú ý ø ÿ ø ÷ ü ø ÷ìù ú ÿ ù ù ü ø ú ÿ þ ø ú ù þ ü þ ú ø ÿ ø þ û ù ÿ ù ú ü ú ø ÿ ø ø ÿ ø þ:ù þþ ù ú ü þÿ ø ÷ þ ÷ ÿ¸ú ø ü¸ùû ü ÿ ú÷ ý

5.2. ábra. A PSII protein szerkezetének sémája Barber és mtsai szerint. Az alegységeken

proteineket, amelyek 3.1. táblázatban találhatók.

kált elektrontranszport redox komponensei. A reakciócentrumhoz ! " # -559. $&%')( * +, -/. * 01 ( 2 *431 5' 6 * 7 89 1 7 :;6=< 6 6=1 9* 7 80* >@? 9 , AB, ( 5 , 55 ' ( 5 ' 6 >C' %DEGF&HI I:* 6 9 ; 543J 5 ; antennáját két, klorofill-a-

KL M N O P QSR T O U VW X UYR[Z\]^_X W`Z\]a_R T bMN c R defT W g

antennaként a klorofill-a-t és klorofill-b-

Nbh N g i&j=kml lon pq r si&j=kmtuv w xy r z y {&q |C}qC~ l l

komplexhez elektrosztatikus kölcsönhatás révén kapcsolódik. A redox-aktív és y x x } y y q y r sv r |C y y q ~ l l q q y |Cq w=|C rCv w z |xv } v tt| {|C |t z tq z r sq w x q y r sv r } v {Bq | y s y 4v z y } vv w B z v w q q B[ x |y

lumenális oldalán található három vizoldékony protein, amelyek a vízbontó rendszer kialakításában játszanak strukturális szerepet.


29

A fotokémiai reakcióra képes speciális klorofill-a molekula (P680) / ¡ ¢ £ ¤m¥&¢ =§ ¦ ¨ © ªª¡« ¨£ ¨¬ ¡ -a « ¡ «§4£ «® ¡ ® £ ¯¢C¨ ° amelyeknek fényelnyelési, energiaátadási és redox funkciója is lehet. A reakció® £ ¯¢¨[« ¡ «±¢C² ³´«² 4« £ ¨ ¡ ±¢¨ «¯ [¡ ° ¢C µ « «S¬ ² µ ª ³ µ ¶ · ° fotoprotektív és redox szerepe is van. A reakciócentrum pigmentjeit két feofitin molekula ³ ² ¡ «¡ ° ¢ µ «« ¶ C ³ µ¡ «¸C¬ ¨ ¨ «² ¢¡ ¡&£ «® ¡ ¸ ³ « £ ¨ «® ¹ ¨ £ °B másik pedig fotokémiailag inaktív.

º » ¼»½¾ ¿ À» ÁÃÂ ÄÅ Å&¿ Æ ÀÇ È É ÊÈ Æ ËÌ ¿ Í Î¸ÏmÉ ÐÎÆ ËÌ Ñ ÆÉ ËÆ ÇÒÆ Ó ¿ Æ ËÔÆ Õ Ö×Ø Ù Ú

A PSII redox komponensei ÛÝÜ Þß ß`à

áâ=ãä å æçå è#é[êë ì í îä)é/ãä é ï ì í á

àð

ð

à

èáè ñ_òé ä é óô±å ä å í õ á èí õ é èï ì ãBá õ í á íÃé

reakciócentrum redox komponensei közvetítik. Ezek: ð á æ ñö è÷ å ø ä å ï ì í î ùú ûüý þ ÿ ûCþ ý þ ù þ ú ÿ þ û

! " #ú $¸ùú ûüý þ ÿ% &' þ ù $ þ û#ùý ú ú ( ý ý ù ) ) þ ý þ ù ú * * & ù ) ! þ " + ,- . -Z, a

vízbontást ú

katalizáló ýû

/ 0 12 . 3 4 2 . 5 476 8 9:3 . 20 / 6 ;< / 0 = 0 6><34 3 . ? 5 1 @ 4 2A>B 1C <; D E F G H I J H E K L D M NG O P D PQ I O OR SUT VW X YZF NI

ami a D1-es protein 161-es poziciójú redox-aktív tirozinja; a fényindukált e


30

[ \:] ^ _ ` a _ [\:b c d ] _ egf h b ei] j ] d k ] ega ] l:mnf a c b co _ a a -a molekulákból dimer vagy multimer; az ] a [ mpa ] q] [r] a ] fd b c es f ^ ] \:d cb ft ed7u>v fh pm>o ] co _ d _ ew xUy ] z { s u_7s}|~r\ b cd ] _ ey:] jf h d mp_ f>t [ a P680-d a {s ee s fq ] b ] [ j d ] d d` a a s \:cd ` k s e7{] q ig] a ] fd b c ed>l:] [ j` d s j] a [ mf _ e c e] a ] fd b c e akceptor (Q z {s u_s|\:b c d ] _ e y ] j\:] b us e ] e:[ ] ef h d mp m\:a s [ j d cf_ e ceuca ] f a s s második kinon elektron akceptor (Q z {gs u_s|~\ b c d ] _ ey ] juc k:_ a _ [ s efhd m pm plasztokinon molekula; a Q és Q f h j h d dU] a y:] a i ] j f ] p m { s|~t [r|>\ b cd ] _ e ] fy ] jf h d mp m A

B

A

B

nem-hem tipusú vas ion (Fe), ami a fiziológiás elektrontranszportban közvetlenül nem vesz részt, de képes a QA és QB közötti elektrontranszport regulálására. Speciális körülmények között a P680+ képes elektront felvenni a folyamatos elektrontranszportban

b t [ j de ] ul ] l:mb ] pcf c u>\:c e:] e:[ ] f d m U> -D, ami a D2 protein 160-as ¡ ¢£¢ ¤ ¥ :¦7§ ¤ ¥ £ ¨ £ :©ªZ«:¬ ¬ £ ® ¥ ¯ § °: ± ² ³ ´ µ¶ · ¸ ¹ ºn» ´ ¸ ¹½¼¾¿ À ¾Á¶ ´ ¼ Â Ã Ä ÅÃ ´ Æº ¶ ÇÈÉ Ê ¹¸ ¹ Ê ¶ Ê ¸ ¼ Æ Â Ë º Ì ÍÌÃ Ä º Ê Â¶ Å ÈÏÎ -Ð Ð Ñ ÒZÓ ÔÕÓÖ × Ø Ù × Ú Û Ü × ÝÞÜ ß × à Õ áÙ ÒZÓ ÝÙ Õ â Ø Õ Üà × ãä åæ7ä Ù × á ç Õ â Ø è â Ù éØrÖ ê ëë ì× á:ÒZÓ

poziciójú redox-aktív tirozinja; a P680 környezetében található klorofill molekula; valamint a reakcióce

-

P680+ donorjaként vagy a Phe akceptrojaként funkcionálhat.

5.4. ábra. A PSII redox komponensei


31

A PSII elektrontranszport folyamatainak kinetikája

íïî ð

ð ð ð î ñòó ô ñòó ô õ ö÷ ø ù ó ö ú ó ñüûþýó ÿ ó õ ö õ ó ñ ó ÿ ý ûñ ñòüõ õ û ô û ö öû í hozza. A gerjesztett P reakciócentrum klorofillra (P ) jutî és î azt gerjesztett állapotba ÷ Uõû ô û ö öó ý òó ô ó ÷ö ÿ ñöû örû ó ö ñû ÷ ó ö ÿ ñ û ÷ ý òô ó ö õ ö öó ô õ ú ô ó ý ó õ í î î töltésszétválási folyamat eredménye a P Phe töltéspár. A töltésszétválasztás ÷ ñ ô ñ û ÷ ó ó ö ñÿ úôû fenntartása érdekében gyors elektronátadási folòû û ö 680

680

680

+

-

elektron néhányszáz ps alatt a QA, majd kb. 300-500 µs alatt a QB kinon elektron

ð

ð

akceptorra kerül. Az oxidált P680+-at a Tir-Z redukálja néhányszáz ns alatt. Tir-Z+-hoz

:ó ý û ù ñö íÿ óñ õ ó ÿñ ÷ 7ô ó úô ÿ ÷ ó ñ:ó ÷ az elektronok a µs-ms ú ö û ÿ ö ñò û ñ ñ ÿ ô û ô ó ô ó ÷ ö ÿ ñ ö ÿ û ñ:õ ÿ ö ûó -oenergiás folyamat, ami a

kb.

+0.8

V

potenciálon

redox-

lejátszódó

vízbontástól a kb. +1.2 V redoxpotenciálú felé

halad.

P680+ Szintén

exoenergiás az akcepto roldali elektrontranszport a kb. -600 redoxpotenciálú Pheo--tól a kb. 0 V redoxpotenciálú plaszto-

ð

!" # Az elektronnak kinonig.

û

õ ñö ÿ úôû ó

szintjére való emeléséhez szükséges

energiát

a

foton abszorbciója biztosítja.

5.5. ábra A PSII elektrontranszportjának kinetikai és energetikai sémája.


32

$&%(') )+* , * -. / 01. / 2 13 4 50 / . 6 7 12 -98 : * 19; / <* -* 3=3 2 6 7 . 03 3 7 : 2 >@?0: AB2 4C* , 3 D<, * :* 3 . E, . ; 3 3 4 ; . F7 , 7 3 .G-E F* . DH: A0 / 3=I 0, A2 J@2 . 0 -H* : A

-elektronos lépések sorozatán keresztül

valósulnak meg, a Mn komplex és QB között. Ezzel szemben a QB redukciója kételektronos folyamatban, a vízbontás pedig 4-elektronos folyamatban megy végbe.

A QB két-elektronos kapuja

$K. 8 , 2 -08
a D1 proteinen található QB

Z [ \ ]M^ _^ à`bOc

B,

forma kötési

_d e f g\ h i j fhlk@]@m Z an^ _G\ h \ _ e j a `Go \ h pq e \ h q ^ rst

]Mm Z an^ _+\ h \ _e j a ùo \ h pq e \ h \Uve m `+_q w[ fnf+c

2B

kötési affinitása ismét kicsi, ezért a QB

_d e fg\ h i j fhGr ia j Z k `h \ pm h ^ _Hq Zu_q eGwj a e a ò \ h pq e \ h \Cve m `x c

BH2)

a membrán lipid

fázisában diffundálva az elektronokat a citokróm b/f komplex felé szállítja. Az üresen maradt QB

_d e f yz { |z }~z z | { }~{ } OM{ z

Q B <-> P Q

e

kula tölti be.

PQ, PQH2

-

-Q B

2-

-

e-

Q B <-> P Q H 2

5.2. ábra. A QB akceptor két-elektronos redox ciklusa A vízbontó rendszer 4-elektronos kapuja

Joliot és Kok 1970-es évek elején végzett kísérletei azt mutatták, hogy a

} } z } ~~ } | O~{ { } } M z z } z z z } z {


33

mértéke jellegzetes 4-es periódusú oszcillációt mutat. Ezen kísérleti eredmények alapozták meg az oxigén fejlesztés azon modelljét, amely szerint a vízbontáshoz 4

@ ¡ ¢ ¡ £ ¢ ¤¥ ¢ ¦ @£ ¢ ¥O § ¦ ¨ £ ¢ © ª ¡ ¢ © kséges.

«¬ ¬¯®°± ²¬´³lµ¶ ·¸ ¹º » ¼ ½ ¾¿ À ÁÂ ÃÄ Å ÆÇ Å È ÉÊ ËÌ Ç Í Ì Î Ï Å È ÎÐÎ ÑÇ ÒÉ

-es periódusú oszcillácója fényimpulzusokkal

Mai ismereteink szerint a szekvenciális energiatárolást a vízbontó rendszer 4 Mn

Ó ÔÕÖ×Ø(Ù Ø Ø × ÚÛ Ü Û Ø Ó Ü Ó Ú Ý ÞÚÔßàØ á âáOãä å æ Ó çè æ@á å é ß@Ù Þ Ü(Úê ãá Ü ë´á Ø Þ ëØ á å - Úä àæ ëìä Þ íÐÝÜ Ù Õ@Û îïÕMÚÔßàØ á â á å é

események (P680+Phe

es töltésszétválasztási

-egy elektront továbbít a Tir-Z-

n keresztül P680+--nak, amelynek során a komplexet alkotó Mn ionok fokozatosan magasabb oxidációs állapotba kerülnek. A Mn komplexnek 5 állapota van, amelyet S0,....S4--el jelölünk. Közülük az S0....S3- vesz részt a szekvenciális energia- és töltéstárolásban. Az S4 pedig egy rövid élettartamú átmeneti állapot, ami az O2

ÚÓ ÖÔð Þ Ù Ü Ù Þ Ü@Úêãá Ü ëá ÕRÛ æ=ñ

0-ba

alakul. Az S

állapotok közötti átmenetek során nemcsak elektron leadás hanem proton kibocsátás is történik, azonban az elektron:prton leadási arány nem minden S átmenet esetén egyforma. Egy ciklus során négy proton molekula távozik a tilakoid lumenbe, és egy O2


34

molekula szabadul fel, ami azt mutatja, hogy ò óïôGõö÷øù ú û¯õü ýþÿ ÷Möù ú õ ù ò´ú ú elbontását végzi.

e -,H +

e-

e ,H

+

e -,2 H +

5. 8. ábra. A vízbontó komplex S állapotainak fényindukált, ciklikus konverziója. Az ábra feltünteti az egyes S átmenetekhez tartozó elektron- és proton leadási eseményeket is. A Mn komplex a ú ò õ ú ôý ÷

õö ÷Oøù ú û

ù ÷Mú ô ù öù ò ù ö õ ý õ

õ ý ü ú ô

ü ýú þ ú þ ò ÷ ô ò þõö ÷Oøö ôú ô ú õþò ù ÿ ô ù ú Hú ù ö ò ô òBü ! " # $ " % &" '(! ) ! ' $ ) %+*,.-$! / " $0) 12 ' +3 # 4 2.5# '2 / 6 7 ) ! 0 % ) 7 ) 8 6 $0: ) 9<;=$07 " / 5 ) 7 42 ' > $ ?11 " 7 " $ @ " ' A @B 2 "C% " ! ! A2.@# D" E) 7 ) % ' ) ! !FD:G! ) ! H+) D(" 7 I" %" $1 " 7 J7K);=$# $ % ) !K% " ! ! A 2EL # / B $ & # @) %% ) 3 2 7 8 6 %M- 2 2 ' " *ONP;=$Q# $ %M" / I D(6 2 ! A7:DB !(! 6 57 2 6 / )SR+* T# 7 7 " ! 5 "SU+* UVN(*.N -

katalitikus komplex a Mn ionok mellet egy Ca2+ és egy Cl iont is tartalmaz. N'( L# / B $<W " 8 7 A @B 2O2 ' 3 # 7 7 6 3 # 4 2.D(# $! 6 ' ) ! 6 $ ) %B ! " 7 D " ' B 2 B 1 A 7F) ':% - 5" ! %" ' # %H &/ I sötétben csak az S0 és S1 állapotok stabilak, amelyek megoszlása 25:75%. Az S2 és S3 6 7 7 ) + ! 1) *Y X 'Z) 'Z# @ A állapotok kb. 30-40 sec alatt konvertálódnak vissza az S 1

D(" / 7 " & " ! A 2 " $V& 2 2 ' [M) '\" 7 " %! $! ) $+2 ' !C% 6 1 1 #C7 B +B 2 " # $ " % sebességéhez képest és 7 " & " ! A 5BE! " 2 ' #) 'O L# / B $(W " 8 7 " 2 ' ! B 2 & " '2 ' J%2 B / " 2F! - 7 ! B 2 ! 6 7 6 2 !+) 7 ) 3 2 $ IW B $I# $! " $' # ! 6 2 %


35

His

2 ,7 A

Mn

3 ,3 A °

Mn

°

Ca

Mn

2 ,7

4 3,

A°

°

A

Mn

C l?

5.9. ábra. A vízbontó rendszer katalitikus Mn komplexének szerkezete Yachandra és mtsai (1993) nyomán. A C atomok fekete, az oxigén atomok pedig vörös színnel vannak jelölve. ] ^ ] _ ` aVb ^c d e d efgd h(b ijk:d0l j _ j a jimk b _ i n a\` k i ] e a ] i o pYqe=j rb s` a l ] t u vw ` ^(j^ e x b u u n x b y t n z d a h(] s l b s {] u | ] _ vx ^ b u u d }j wn ^0` k _ ] u h] e ` ^ ` k ]\l ] u _ ] ^ e b ifO| j s {Va] h~h(b a w] a_ u _ ` ^ ^ e ] }d k n x b y _

követ a Mn komplexben az oxidációs állapot növekedése, amely eseményeket miss-nek a ] ] e e i+pCb ^ d u y ^ e a ^ ` ss ] um] u v l j k w u ad ij u {d ai ` _ ^ e ] k ] ^_ d u n u d _ ad ic double hit) nevezett események is, amikor egy töltésszétválás után a Mn komplex oxidációs állapota i ] _ _ v ] u:a ] i^ e b i+p.qeVj ^ e x b u u n x b y ^0h(b a_ n e d _(] u h` u ] _ i leírására az ún. Joliot-Kok-féle mátrix formalizmust használjuk. S(i+1) = K*S(i), Az S(i) vektor jellemzi a i-edik fényimpulzus után kialkult állapotot, a K átmeneti vektor pedig tartalmazza a miss (α), single hit (β) és double hit (γ) paramétereket.

S=

S0 S1 S2 S3

K=

α 0 γ β β α 0 γ γ β α 0 0 γ β α


36

A PSII térszerkezete

A PSII egy kb. 15*6*7 nm-es komplex, ami a tilakoid membránban általában ( C Y( ( + . < ( Y a reakciócentrum és a hozzá kapcsolódó antenna komplexek elhelyezkedése jó közelíttéssel ismert.

5.10. ábra. A PSII szerkezeti modellje Barber és Kühlbrandt nyomán

Számítógépes

szekvencia

analízis

és

a

bíborbaktériumok

homológ

reakciócentrumával való összehasonlítás alapján, a D1 és D2 reakciócentrum fehérjék 5-5 transzmembrán hélixel rendelkeznek. A bíborbaktériumok térszerkezetére alapozott molekula modellezés alapján igen jó térszerkezeti modell áll rendelkezésünkre. A P680 reakciócentrum klorofillt a feltevések szerint alkotó dimer tagjait a komplex lumenális oldalán a D1 ill. D2 harmadik hélixén található hisztidinek kötik. A QA és QB a komplex sztróma felöli oldalán, a D2 ill. a D1 proteinek 3. és 4. hélixei közötti régió ¡Q ¢ £ g E¤=C ¥ ¢ ¦ ( : ¥ ( E +§ ¨ .©ªY . +


37

S tro m a Fe QA

QB

M em b ra n e

P h eo

Mn

P680 L u m en

A ccesso ry C h ls

5.11. ábra. A PSII reakciócentrum számítógépes térszerkezeti modellje Nugent és mtsai nyomán. Zöld színnel a D1, kékkel a D2 protein van jelölve


38

Irodalmak: Andersson, B. and Styring, S. (1991) Photosystem II: Molecular organization, function, and acclimation. Curr.Top.Bioenerg. 16, 1-81 Debus, R. (1992) "The manganese and calcium ions of photosynthetic oxygen evolution" Biochim. Biophys. Acta 1102, 269-352 Hansson, Ö. and Wydrzynski, T. (1990) Current perceptions of Photosystem II. Photosynth.Res. 23, 131-162 Wollmann, F.-A., Manai, L., Nechustai, R. (1999) "The biogenesis and assembly of photosynthetic proteins in thylakoid membranes" Biochim. Biophys. Acta 1411, 21-85

A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 26

Recommend Documents