Fotosyntéza 9 Ondřej Prášil
[email protected] 384-340430
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.
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.
Antenna Complexes
Extreme diversity of antenna systems strongly suggests multiple independent evolutionary origins
Nejjednodušší systémy - rhodopsiny
Prokaryota
Photosynthetic Prokaryotes
Diverse classes of antenna, reaction center and electron transfer complexes
Martin Hohmann-Marriott
Antény u fotosyntetických prokaryot
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
Purpurové bakterie
Purpurové bakterie základní heterodimer a podjednotek; oligomer LH 1: 16xdimer, LH2 9x
His31
His30
LH 2 komplex Bchl a Bchla 850
Bchla 800
Faktory, které určují Polohu Qy pásu:
18 Bchla 850 hydrofóbní prostředí Dexterův přenos excitonová interakce Delokalizace excitace
9 Bchla 800 koordinace ? N-terminální Asp
Deformace makrocyklu Přítomnost nábojů Rotace C3 acetyl. sk. Vodíkové vazby na C3 –acetylu a C13-keto skupiny
Försterův přenos rezonanční interakce Individuální molekuly
Přenos energie bchla car
Karotenoid rhodopin glukosid Slabé van der Waalsovy interakce – strukturní integrita Ochrana – zhášení tripletů
High-resolution topograph of a high-light adapted Rsp. photometricum chromatophore
Přenos energie v LH
Přenos energie ~ 100 ps 95% účinnost
Zastoupení pigmentů v anténách a jejich evoluce
Photosynthetic Prokaryotes
Diverse classes of antenna, reaction center and electron transfer complexes
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
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.
FMO protein Fenna-MatthewsOlson trimer 3x7 bhcla
Photosynthetic Prokaryotes
Diverse classes of antenna, reaction center and electron transfer complexes
Martin Hohmann-Marriott
Fykobiliproteiny sinice, ruduchy, (skrytěnky)
1 fykobilisom na 2 RC PSII, 50x30x12 nm
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)
Stavba fykobiliproteinů podjednotky 16-22 kDa cyklické hexamery
Zastoupení pigmentů v anténách a jejich evoluce
Absorption of the light harvesting antenna of Trichodesmium Transmission of the filters applied for measurement
Car
PUB
PE
PC
APC
Chl
RC
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
Pigment Type 1
1
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Type 1 (WH5701) 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
1,4 1,2 1,0 0,8
Phycocyanin
0,6 0,4 0,2 0,0 400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 1
C-Phycocyanin Allophycocyanin
Photo: Chisholm et al. (1988)
Rod
Core Rod
PCB: Blue chromophore
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 2
2
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Phycoerythrin-I
1,4 1,2
Col 8 vs Col 9 Type 2 (WH7805) Col 8 vs Col 11 Col 8 vs Col 13 Col 8 vs Col 15 Col 8 vs Col 17
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 2 Phycoerythrin-I C-Phycocyanin or R-PCIII
Allophycocyanin
Photo: Chisholm et al. (1988)
Rod
PCB: Blue chromophore
Core
Rod
PEB: pink chromophore
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 Subtype a
3a
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Phycoerythrin-II
1,4 1,2
Phycourobilin (PUB)
1,0
Phycoerythrobilin (PEB)
Col 8 vs Col 9 Col 8 vs Col 11 Type 3aCol (WH7803) Col 8 vs 13 Col 8 vs Col 15 Col 8 vs Col 17
Whole cell PUB:PEB fluorescence excitation ratio 0.4
0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 Subtype b
3b
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Col 8 vs Col 9 Col 8 vs Col 11 Col 8 vs Col 13 Col 8 vs 15 Type 3bCol (RCC307) Col 8 vs Col 17
Phycoerythrin-II
1,4 1,2
PUB 1,0
Whole cell PUB:PEB fluorescence excitation ratio 0.6
PEB
(Em:580 nm)
0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 Subtype c
3c
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Col 8 vs Col 9 Col 8 vs Col 11 Col 8 vs Col 13 Col 8 vs Col 15 Col 8 vs 17 Type 3cCol (WH8102 )
Phycoerythrin-II
1,4 1,2
PUB
Whole cell PUB:PEB fluorescence excitation ratio
1,0
1.6
0,8
(Em:580 nm) PEB
0,6 0,4 0,2 0,0 400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 Subtype d = Type IV Chromatic Adapter
3d
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6 1,4
White or green light (GL)
1,2
PUB
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
GL : 0.6
PEB
1,0
3d = chromatic adapter
0,8 0,6 0,4
Whole cell PUB:PEB fluorescence excitation ratio
BL : 1.6
Blue light (BL)
0,2 0,0 400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm) Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 R-Phycocyanin-II or V
Phycoerythrin-I
Phycoerythrin-II
Photo: Chisholm et al. (1988)
Rod
- PEI : PUB:PEB 0:5 - PEII: PUB:PEB 1:5
3 a
Allophycocyanin
Core
Rod
3 b 3c
- PEI : PUB:PEB 2:3 - PEII: PUB:PEB 2:4
GL or WL
- PEI : PUB:PEB 2:3 - PEII: PUB:PEB 4:2
3d BL
PCB: Blue chromophore
PEB: Pink chromophore
PUB: Orange chromophore Everroad, Six et al., J. Bact 2006 Six et al., Genome Biology, 2007
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, But are these cells belonging to pigment type 3c or are they blue light-adapted forms of L&O) chromatic adapters ?
Proteiny typu CP43 “PSII Core Complex” •CP43, CP47 u PSII •Pcb u prochlorofyt •N terminální PSI •isiA
6 helixů
isiA z CP43
CP47 most divergent
Fotosystém I
CP43 a CP47 – vnitřní antény PSII chla, β- karoten
Pcb proteiny u Prochlorothrix Prochlorofyta – Prochlorococcus, Prochlorothrix, Prochloron Pcb váží (dv)chl a/b
Pcb proteiny o Prochlorococcus
IsiA váže pouze chla 18 jednotek okolo PSI stres nedostatkem Fe
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.
Lhc 50% všech proteinů thylakoidu 20-30 kDa
3 transmembránové šroubovice + 1 malá paralelní Lhcb:
12 chlorofylů (7 chl a + 5 chl b)
2 luteiny – strukturní funkce
LHCII v rozlišení 2.5 A
Chromofyta a dinofyta: chla, chlc, xanthofyly
FCP – fucoxanthin PCP - peridinin
