Reaktionscenter

Reaktionscentret  er et kompleks af proteiner, pigmenter og andre cofaktorer , hvis vekselvirkning sikrer reaktionen med at omdanne lysenergi til kemisk energi under fotosyntesen . Reaktionscentret modtager energi enten gennem direkte excitation af et af dets molekyler eller gennem overførsel af energi fra lys-høstende komplekser , hvilket giver anledning til en kæde af kemiske reaktioner, der forekommer på proteinbundne cofaktorer. Disse cofaktorer er lysabsorberende molekyler (også kaldet kromoforer eller pigmenter ) såsom klorofyl , pheophytin og quinoner . Fotonens energi bruges til at løfte elektronen merehøjt energiniveau . Den frie energi, der således lagres, går til restaurering af en kæde af elektronacceptorer med et højere redoxpotentiale .

Alle fotosyntetiske organismer har reaktionscentre: grønne planter , alger og mange bakterier . På trods af det faktum, at forskellige arter er adskilt af milliarder af års evolution, er reaktionscentrene i alle arter homologe , mens lyshøstkomplekserne er ret forskellige. I alt skelnes der fire hovedtyper af reaktionscentre, herunder pigmenter - P 700 (i højere planter i fotosystem I ), P 680 (i højere planter i fotosystem II ), P 870 (i lilla bakterier ) og P 840 (i grønt svovlbakterier ). Fotosystemer er store proteinsuperkomplekser omgivet af mange lys-høstende antenner.

Transformation af lysenergi til ladningsadskillelsesenergi

Alle grønne planter , alger og mange bakterier har reaktionscentre . Reaktionscentret for bakterien Rhodopseudomonas er det bedst undersøgte : det var det første reaktionscenter med en fuldstændig dechifreret struktur, hvilket blev lettet af fraværet af et stort antal yderligere underenheder [1] .

Reaktionscentret er designet på en sådan måde, at det effektivt absorberer lysets energi og omdanner det til en kemisk form. Efter at have absorberet energien, udsender klorofylerne et par elektroner, der kommer ind i ETC.

Ifølge Einsteins kvanteteori består lys af bittesmå partikler, der bærer dele af energi- fotoner . Hvis en foton med nok energi absorberes af en elektron, så kan elektronen flytte til et nyt energiniveau [2] . Den mest stabile tilstand af elektroner er på deres laveste energiniveau. I denne tilstand optager elektronen orbitalen med den mindste mængde energi [3] . Højenergielektroner kan vende tilbage til deres oprindelige tilstand, ligesom en bold, der ruller ned ad en stige. Under denne proces mister elektronen energi. Det er denne proces, der bruges i reaktionscentret.

Elektronisk excitation af klorofyl- a-molekylet fører til et fald i redoxpotentialet , det vil sige, at molekylet lettere donerer elektroner, hvilket er en nøglefaktor i at omdanne elektronisk excitationsenergi til kemisk energi. Grønne planter har adskillige elektronacceptorer arrangeret i en elektrontransportkæde, der inkluderer pheophytin , quinon , plastoquinon , cytochrom b6f-kompleks og ferredoxin . Kæden fuldendes af reduktionen af ​​NADPH -molekylet . Passagen af ​​en elektron gennem elektrontransportkæden resulterer i, at protoner fra kloroplaststroma pumpes ind i lumen, hvorved der skabes en protongradient over thylakoidmembranen , som cellen kan bruge til at syntetisere ATP ved hjælp af ATP-syntase . Både NADPH og ATP bruges i Calvin-cyklussen til carbonfiksering .

Bakterier

Struktur

Reaktionscenter for det bakterielle fotosystem
Identifikatorer
Pfam PF00124
Interpro IPR000484
PROSITE PDOC00217
SCOP 1 stk
SUPERFAMILIE 1 stk
TCDB 3.E.2
Tilgængelige proteinstrukturer
Pfam strukturer
FBF RCSB FBF ; PDBe ; PDBj
PDBsum 3D model
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Bestemmelse af strukturen af ​​bakterielle reaktionscentre var et vigtigt skridt i retning af at forstå kemien af ​​biologiske processer og assimileringen af ​​lysenergi. I slutningen af ​​1960'erne var Dan Reed og Roderick Clayton de første til at isolere reaktionscenterfraktionen af ​​den lilla bakterie Rhodobacter sphaeroides [4] . Krystalstrukturen blev først bestemt i 1982 af Hartmut Michel , Johann Deisenhofer og Robert Huber [5] , som de modtog Nobelprisen for i 1988 [6] . Denne opdagelse var især vigtig, fordi reaktionscentret i det bakterielle fotosystem blev det første membrankompleks med en dechifreret struktur.

Reaktionscentret for lilla bakterier består af tre underenheder. L- og M-underenhederne spænder over lipid-dobbeltlaget i membranen. De ligner hinanden strukturelt og har begge fem transmembrane alfa-helixer , fire bakteriochlorophyller b ( BChl-b ) , to bakteriopheophytin b (BPheo), to quinoner (QA og QB ) og en jernion mellem dem, bundet til L og M. H-underenheden, vist i guld, ligger på den cytoplasmatiske side af plasmamembranen. Cytokrom-underenheden, som ikke er vist i figuren, indeholder fire c-type hæmer og ligger på den ydre overflade af membranen. Tilstedeværelsen af ​​denne underenhed i bakterier er ikke påkrævet. Kerneunderenhederne L og M spiller hovedrollen i fotosystemets arbejde, de binder funktionelle cofaktorer og klorofyler .

Reaktionscentrene for forskellige bakteriearter kan have lidt forskellige bakteriochlorophyller og bakteriofeophytiner. På grund af denne variabilitet ændres lysspektret, som bakterier absorberer, og dette bidrager til dannelsen af ​​særlige fotosyntesenicher . Reaktionscentret består af en dimer af bakteriochlorophyll a, som udfører funktionen til at opsamle og overføre energien fra en absorberet foton, og bakteriopheophytin, som er den første til at acceptere en elektron, der udfører den primære adskillelse af ladninger. BChl minder i strukturen om det grønne plante klorofylmolekyle, men har på grund af små strukturelle forskelle en absorptionstop i det infrarøde område med en bølgelængde op til 1000 nm. Bpheo har næsten samme struktur som BChl, men det centrale magnesiumatom i det er erstattet af to protoner . Denne substitution fører både til en ændring i absorptionsmaksimum og til et fald i redoxpotentialet.

Mekanisme

Processen begynder, når lys absorberes af to BChl-molekyler (en dimer) på den periplasmatiske side af membranen. Dette par, kaldet et specielt par , absorberer fotoner med en bølgelængde på 870 og 960 nm, afhængig af arten, og derfor kaldes det P 870 (i Rhodobacter sphaeroides ) eller P 960 ( Rhodopseudomonas viridis ). Efter absorption af en foton på underenheden L adskilles ladninger, og en elektron overføres fra Bchl til BPheo. Pigmentet forbliver positivt ladet, mens BPheo modtager den negative ladning af den overførte elektron. Denne proces varer cirka 10 px (10 −11 sekunder) [1] .

På dette stadium kan ladningerne fra det specielle par P 870 + og BPheo - rekombinere. I dette tilfælde vil energien fra en elektron på højt niveau blive spildt på varme. Reaktionscentret har flere mekanismer til at forhindre denne uønskede proces. Således er returen af ​​en elektron fra BPheo - til P 960 + ret langsom sammenlignet med andre reaktioner. Elektronoverførselsreaktionen fra BPheo - (BPheo - oxideret til BPheo) til quinon (Q A ) forløber meget hurtigere, og P 960 + tager til gengæld en elektron fra hæmen fra cytochrom -underenheden over reaktionscentret (P 960 + reduceres til P 960 ).

En højenergielektron lokaliseret på et tæt bundet quinonmolekyle Q A passerer til et quinonmolekyle QB . Dette molekyle er svagt forbundet med proteinet og rives let af. For fuldstændigt at genoprette Q B til QH 2 er der brug for to højenergielektroner. I dette tilfælde tages to protoner fra cytoplasmaet . Det reducerede quinon QH 2 diffunderer over membranen til et andet proteinkompleks, cytochrom bc1-komplekset , hvor det oxideres. I denne proces bruges QH2 - reduktionspotentialet til at pumpe to protoner hen over membranen ind i det periplasmatiske rum . Elektroner overføres fra bc 1 -komplekset til et lille vandopløseligt cytochrom c 2 -protein , som overfører dem til cytochrom-underenheden, hvilket giver elektrontransportcyklus .

Efter et lignende princip blev reaktionscentret for grønne svovlbakterier , som er tæt på fotosystem I , bygget . Men i modsætning til reaktionscentret for lilla bakterier beskrevet ovenfor, udfører PS af grønne svovlbakterier lineær snarere end cyklisk elektrontransport, oxiderer hydrogensulfid eller thiosulfat og reducerer ferredoxin .

I grønne svovlbakterier består reaktionscentret af fem underenheder: PscA-D. To PscA-underenheder dimeriserer og holder sammen cofaktorer (et specielt par af P 840 , bakteriochlorophyll a og phylloquinon på hver PscA og en Fx jern-svovl-klynge mellem dem), mens hver af dem binder en kopi af PscD og PscC, sidstnævnte bærer en hæm. PscB-underenheden er placeret i midten af ​​dimeren og forbinder to jern-svovl-klynger, der donerer elektroner til ferredoxin [7][ betydningen af ​​det faktum? ] .

Grønne planter

Oxygen fotosyntese

I 1772 gennemførte kemikeren Joseph Priestley en række eksperimenter med gasser, der deltager i respirations- og forbrændingsprocesserne. I det første eksperiment tændte han et lys og placerede det under et omvendt kar. Efter et stykke tid gik stearinlyset ud. Han udførte derefter et lignende eksperiment med en mus. Musen døde kort efter, at lyset gik ud. Det viste sig også, at luften kan genoplives, hvis grønne planter placeres i en lufttæt beholder, så de får adgang til lys. Priestleys observationer var en af ​​de første demonstrationer af aktiviteten af ​​fotokemiske reaktionscentre.

I 1779 udførte Jan Ingenhaus over 500 eksperimenter i løbet af fire måneder i et forsøg på at forklare det fænomen, Priestley opdagede. Han nedskrev sine opdagelser i en bog med titlen Experiments on Vegetables. Ingenhaus tog grønne planter og nedsænkede dem i en gennemsigtig beholder med vand. Han så mange bobler stige op til overfladen fra planternes blade, hver gang planten blev udsat for lys. Han indsamlede denne gas og udførte adskillige eksperimenter for at bestemme dens kemiske natur. Eksperimenter afslørede gassens evne til at genoptage afbrændingen af ​​en ulmende fakkel, det vil sige, det viste sig, at det var ilt eller, som Joseph Priestley kaldte det, " dephlogistisk luft".

I 1932 brugte professor Robert Emerson og studerende William Arnold flashteknikken til nøjagtigt at måle små mængder ilt produceret af klorofylet fra algen Chlorella . Deres eksperimenter beviste eksistensen af ​​et fotokemisk center. Senere forklarede Gaffron og Vol resultaterne af eksperimentet, idet de indså, at energien af ​​lys absorberet af klorofyl overføres til et sted [8] , som blev kaldt det fotokemiske centrum af fotosystem II. Denne proces er iboende i cyanobakterier , alger og grønne planter [9] .

Fotosystem II

Fotosystem II producerer to elektroner designet til at reducere NADH + ved hjælp af enzymet ferredoxin-NADP + -reduktase . Det er indeholdt i thylakoidmembraner inde i kloroplaster , hvor fotosyntesen finder sted i grønne planter [10] . Det er bemærkelsesværdigt ens i strukturen til det fotokemiske centrum af lilla bakterier , hvilket tyder på eksistensen af ​​en fælles forfader.

Kernen i fotosystem II består af to underenheder, kaldet D1 og D2. Disse to underenheder er analoge med L- og M-underenhederne i bakterielle fotokemiske centre . Det adskiller sig fra underenhederne af bakteriecentre ved tilstedeværelsen af ​​mange yderligere underenheder med klorofyler , hvilket øger dets effektivitet. Den overordnede reaktion i fotosystem II kan skrives som:

,

hvor Q er plastoquinon og QH 2  er dens reducerede form. Processen med quinonreduktion ligner den i de fotokemiske centre for bakterier . Fotosystem II modtager en elektron fra vand gennem fotokemisk oxidation. Biproduktet af denne proces er molekylær oxygen , og det er takket være dette, at grønne planter beriger Jordens atmosfære med oxygen . Det faktum, at den ilt , som grønne planter producerer, kommer fra vand, blev først bevist af den canadisk-fødte amerikanske biokemiker Martin David Kamen . For at spore oxygenatomets vej fra vand til molekylær oxygen, brugte han den naturlige stabile oxygenisotop 18 O. Den fotokemiske oxidation af vand i det fotokemiske centrum af fotosystem II katalyseres af et proteinkompleks med fire manganioner .

Som i det fotokemiske centrum af bakterier begynder processen med absorption af lys af et par klorofylmolekyler. Grønne planter bruger klorofyl a frem for bakteriochlorophyl a, på grund af hvilket de absorberer lys med en kortere bølgelængde. Et par klorofyler i et fotokemisk reaktionscenter betegnes ofte efter deres absorptionsmaksimum som P 680 [1] . Efter absorption af fotonen passerer højenergielektronen til pheophytin -molekylet . Fra pheophytin-molekylet passerer det til to plastoquinon- molekyler  - det ene fast fæstnet, det andet svagt bundet, svarende til hvordan det sker i bakterielle reaktionscentre. Fuldstændig reduktion af et løst bundet plastoquinonmolekyle kræver to højniveauelektroner og to protoner fra stroma .

Fotosystem II adskiller sig fra bakteriers reaktionscenter ved kilden til elektroner, der reducerer et par klorofyl a-molekyler. I bakterier tages elektroner fra den reducerede hæmgruppe af cytochrom-underenheden eller fra det vandopløselige cytochrom c2 -protein .

Efter afslutningen af ​​ladningsseparationsprocessen forbliver P 680- molekylet positivt ladet. Det er et meget stærkt oxidationsmiddel og tager to elektroner fra vandmolekyler forbundet med et nærliggende mangancenter . Ud over fire manganioner indeholder dette center en calciumion , en chloridion og en tyrosinrest . Effektiviteten af ​​mangan skyldes, at den har fire oxidationstilstande: Mn 2+ , Mn 3+ , Mn 4+ og Mn 5+ . Derudover binder mangan godt til forbindelser, der indeholder ilt, såsom vand.

Ved at absorbere en foton mister P 680 en elektron og får en positiv ladning. Denne ladning neutraliseres ved at modtage en elektron fra mangancentret. Det kræver fire elektroner at oxidere vand. Det er vandmolekyler, der er kilden til elektroner, der reducerer to Q-molekyler til QH 2 . Et sådant katalytisk center for vandspaltning er endnu ikke blevet genskabt med nogen kunstige metoder.

Fotosystem I

Efter at have forladt fotosystem II overføres elektronen til cytochrom b6f-komplekset og fra det til plastocyaninproteinet . Plastocyanin diffunderer i lumen til næste reaktionscenter, fotosystem I , og overfører en elektron.

Som i fotosystem II og det bakterielle reaktionscenter begynder processen med et par klorofyl a -molekyler , hvor fotoinduceret ladningsadskillelse sker. Dette par kaldes P 700 , hvor 700 er bølgelængden for maksimal absorption af klorofylmolekyler. P 700 er placeret i midten af ​​proteinmolekylet. Efter ladningsadskillelse overføres elektronen gennem transportkæden til klorofyl a -molekyler , til quinonmolekylet, gennem tre 4Fe-4S jern-svovlklynger til ferredoxin [11] . Ferredoxin er et opløseligt protein indeholdende en 2Fe-2S klynge koordineret af fire cysteinrester . Den positive ladning, der er tilbage ved P 700 , neutraliseres ved elektronoverførsel af elektroner fra plastocyanin . Den generelle formel for reaktionen i fotosystem I er:

Interaktionen mellem fotosystemer I og II skaber en elektronstrøm fra H 2 O til NADP + . Det kaldes fotosyntesens Z-skema, da redoxdiagrammet for elektronoverførselsvejen fra P 680 til P 700 ligner bogstavet Z [12] .

Se også

Noter

Artikler

  1. ↑ 1 2 3 Biochemistry: Fifth Edition Arkiveret 31. maj 2010 på Wayback Machine , kapitel 19.
  2. ↑ Understanding the atom Arkiveret 9. maj 2015 på Wayback Machine (2000). Hentet 28. februar 2010.
  3. ↑ Arie Uittenbogaard (2005). Kvantemekanik Arkiveret 8. februar 2015 på Wayback-maskinen hentet 28. februar 2010.
  4. ↑ Reed, D.W., & Clayton, R.K. (1968). Isolering af en reaktionscenterfraktion fra Rhodopseudomonas spheroides. Biokemisk og biofysisk forskningskommunikation , 30 (5), 471-475.
  5. ↑ Røntgenstrukturanalyse af et membranproteinkompleks. Elektrondensitetskort ved 3 Ångstrøm opløsning og en model af kromoforerne i det fotosyntetiske reaktionscenter fra Rhodopseudomonas Viridis. Deisenhofer et al. J.MOL.BIOL. bind:180, side:385 (1984)
  6. ↑ Nobelprisen i kemi 1988 . Dato for adgang: 7. februar 2015. Arkiveret fra originalen 28. marts 2014.
  7. ↑ Hauska G , Schoedl T , Remigy Hervé , Tsiotis G. Reaktionscentret for grønne svovlbakterier1Dedikeret til minde om Jan Amesz.1  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2001. - Oktober ( bind 1507 , nr. 1-3 ). - S. 260-277 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/S0005-2728(01)00200-6 .
  8. ↑ Mohammad Yunus et al. (2000). Milepæle i fotosynteseforskning Arkiveret 24. maj 2014 på Wayback Machine . Hentet 28. februar 2010.
  9. ↑ Gary E. Kaiser (24. februar 2003) Oxygen fotosyntese Bakteriel vækst og mikrobiel metabolisme. Hentet 28. februar 2010.
  10. ↑ Kloroplasten Arkiveret fra originalen den 3. august 2003. (10. august 2003) Ultranetbiologi
  11. ↑ Jagannathan, Bharat; Golbeck, John. Fotosyntese: mikrobiel  (engelsk)  // Encyclopedia of Microbiology 3. udgave: bog. - 2009. - S. 325-341 . - doi : 10.1016/B978-012373944-5.00352-7 .
  12. ↑ Z-Scheme Diagram of Photosynthesis Arkiveret 25. juni 2014 på Wayback Machine af Rajni Govindjee. Hentet 28. februar 2010.

Kilder

Links