Lys-høstende komplekser ( SSC eller antennekomplekser , nogle gange blot antenner ) er pigment -proteinkomplekser af fotosyntetiske organismer, lokaliseret i fotosyntetiske membraner og udfører funktionen som primær absorption af lyskvanter , efterfulgt af migration af excitationsenergi til reaktionscentrene af fotosystemer. De giver også finjustering af det fotosyntetiske apparat og deltager i dets beskyttelse mod fotoskader.
Nøglebegivenheden i lysstadiet i fotosyntesen, hvor strålingsenergien omdannes til kemisk energi, er processen med ladningsadskillelse i fotosystemernes reaktionscentre . Ladningsadskillelse er processen med elektronoverførsel fra de exciterede klorofylreaktionscentre til den primære acceptor. Adskillelse af ladninger opstår som et resultat af excitation af klorofylreaktionscentre, når det absorberer en vis mængde energi. Imidlertid er et direkte hit af en foton , som bærer den nødvendige energi til excitation, ind i klorofylet i reaktionscentret yderst usandsynligt. Derfor er effektiv fotosyntese kun mulig med tilstedeværelsen af antenner - pigment-proteinkomplekser, der fanger fotoner af forskellige bølgelængder og direkte excitationsenergi til reaktionscentre. Det er kendt, at langt de fleste klorofylmolekyler er en del af antennekomplekser og ikke reaktionscentre. I højere planter er omkring 300 antenneklorofylmolekyler forbundet med ét reaktionscenter [1] .
For at bruge energien fra fotoner, der ikke absorberes af klorofyl (det "grønne dip"), er andre pigmenter også inkluderet i antennerne. I højere planter er disse carotenoider ( carotener og xanthophyller ), og i en række alger og nogle fotosyntetiske prokaryoter er de også phycobiliner . Klorofyler og carotenoider binder ikke-kovalent til proteiner på grund af elektrostatiske interaktioner, koordinationsbindinger med magnesium og hydrofobe interaktioner. Phycobiliner binder sig kovalent til proteiner gennem thioether- og etherbindinger [ 2] .
Energimigrering i lys-høstningskomplekser forløber altid med nogle energitab. I denne henseende forskydes donorpigmentets absorptionsmaksimum til kortere bølgelængder (sammenlignet med acceptorpigmentets maksimum). Det vil sige, at donorpigmentets excitationsenergi altid er højere end excitationsenergien for acceptorpigmentet (en del af energien spreder sig til varme) [3] . For eksempel for højere planter er energimigrering typisk i følgende retning: carotenoider → klorofyl b → klorofyl a → klorofyl a i reaktionscentret (som en del af en dimer).
Organiseringen af CSC'er i forskellige organismer er ret variabel (sammenlignet med reaktionscentrenes konservative struktur), hvilket afspejler tilpasningen af fototrofer til forskellige lysforhold i løbet af evolutionen.
Da det blev fundet, at effektiv energioverførsel i antenner også forekommer ved ekstremt lave temperaturer (1° K = –272 °C), blev det konkluderet, at energioverførsel sker uden elektronoverførsel (elektrontransport er umulig ved så lave temperaturer) [4] . Der skelnes mellem følgende mekanismer for energimigration:
Disse mekanismer for energioverførsel er fundamentalt forskellige fra de mekanismer, der er implementeret i elektrontransportkæder ( ETC ), da overførsel af energi i forskellige dele af ETC er forbundet med overførsel af elektroner (elektronenergimigration). Overførslen af elektroner mellem cofaktorer inden for ETC-proteinkomplekserne udføres i henhold til 1) halvleder- eller 2) resonansmekanismer (baseret på effekten af elektrontunneling gennem energibarrieren). Overførslen af elektroner i områder med mobile bærere udføres i henhold til den diffuse mekanisme [11] .
Lilla bakterier har et enkelt fotosystem, der på mange måder ligner fotosystem II af cyanobakterier og højere planter . Lys-høstende komplekser er placeret omkring dette fotosystem: i periferien - LH2 og nær reaktionscentret - LH1 [12] . Molekyler af bakteriochlorophyll og carotenoider er placeret på kompleksernes proteiner . Samtidig er de ydre LH2-komplekser karakteriseret ved kortere bølgelængdeformer af pigmenter (800-850 nm), mens det indre LH1-kompleks har længere bølgelængder (ca. 880 nm). Bakteriochlorofylet i reaktionscentret (RC) har et endnu længere bølgelængdeabsorptionsmaksimum. En sådan struktur sikrer absorption af fotoner i LH2 og rettet migration gennem LH1 til RC'er. Lilla bakterier er karakteriseret ved multisubunit CSC'er med en cirkulær organisation. Komplekserne omfatter som regel to typer polypeptider : a- og β-underenheder . Begge underenheder er små proteiner bestående af hydrofile regioner (cytoplasmatisk og periplasmatisk) og et transmembrant domæne. Organiseringen af proteiner og arrangementet af pigmenter i RC'er og SSC'er studeres ved hjælp af metoden til røntgenkrystallografi [12] .
For Rhodobacter sphaeroides er den dimere organisation af (LH1 - RC - PufX) 2 komplekset vist (med en opløsning på 8 Å) [13] . Dimeren indeholder to PufX-proteiner, som danner huller i de cirkulære LH1-antenner, gennem hvilke den reducerede ubiquinon forlader RC . Derudover er dette protein ansvarlig for dimerisering. Et lignende dimert kompleks blev fundet ved elektronmikroskopi i membranerne af bakterien Rhodobaca bogoriensis [14] .
I Rhodopseudomonas palustris blev strukturen af LH1-RC-protein W-komplekset beskrevet (med en opløsning på 4,8 Å) [15] . W-proteinet, i analogi med PufX, danner et hul i den cirkulære LH1-antenne. En pause i LH1 giver adgang for den mobile ubiquinontransporter til RC.
Den højeste opløsning (3 Å) beskriver strukturen af det monomere kompleks LH1-RC i den termofile bakterie Thermochromatium tepidum [16] . I dette tilfælde omgiver LH1 fuldstændigt RC og har ingen huller; transportvejen for ubiquinon giver en speciel kanal i antennen. Derudover er der calciumkationbindingssteder fra C-terminalen af LH1-underenhederne ; det antages, at calciumbinding øger kompleksets termiske stabilitet.
I klorosomerne af grønne svovlbakterier er lyshøstkomplekset placeret på den cytoplasmatiske side af membranen og består af cirka 10.000 bakteriochlorophyllmolekyler (hovedsageligt bakteriochlorophyll c) forbundet med proteiner. De er omgivet af lipidmembraner, og deres base (bakteriochlorophyll a er placeret i bunden af komplekserne) er i kontakt med det lys-høstende kompleks indlejret i membranen, der omgiver reaktionscentret. Overførslen af excitoner sker fra bakteriochlorophyll c, som absorberer ved en bølgelængde på omkring 750 nm (B750) gennem bakteriochlorophyl a-molekyler placeret i bunden (B790), til bakteriochlorophyll a af det lysabsorberende kompleks integreret i membranen (B804) og til sidst til bakteriochlorophyll a i reaktionscentret (P840). [17]
I højere planter er indre (eller kerne, fra engelsk kerne ) og eksterne lys-høstende komplekser isoleret. Hvert fotosystem (I og II) har både en intern og en ekstern SSC, dvs. højere planter har 4 typer CSC'er. Eksterne antenner giver fotonabsorption og excitationsenergimigrering til interne antenner. Interne antenner er placeret i umiddelbar nærhed af reaktionscentrene; de absorberer også lyskvanter og sikrer migration af excitationsenergi til fotosystemers reaktionscentre. Hver CSC indeholder flere polypeptider; Hvert CSC-protein indeholder et strengt defineret antal pigmenter.
Den ydre PS I-antenne indbefatter fire Lhca1-4 (light-harvesting complex) polypeptider med en molekylvægt på ca. 22 kDa. Hvert polypeptid bærer omkring 100 molekyler af klorofyl a og b og xanthophyller (lutein, violoxanthin). Forholdet mellem klorofyl a og klorofyl b i den eksterne antenne på PS I er omkring 3,5. De ydre antenneproteiner er organiseret i en halvmåneform omkring hvert enkelt fotosystem. Desuden, hvis PS I danner et trimerisk superkompleks, lukker halvmånerne af individuelle PS I og omgiver trimeren fuldstændigt. I modsætning til den mobile trimer på den eksterne CCK II-antenne er den eksterne CCK I-antenne permanent forbundet til PS I og er ikke i stand til at sprede sig i membranen. Lhca1-4-proteinerne er kodet i det nukleare genom.
I tomat eksisterer Lhca1- og Lhca4-proteinerne i to isoformer. Der er to homologe gener, der koder for Lhca5 og Lhca6 [18] [19] i Tal 's rezukhovidka . Det er kendt, at Lhca5 findes i betydelige mængder i stærkt lys og kan danne homodimerer, der binder til Lhca2 og Lhca3. Der er tegn på, at NADH-dehydrogenasekomplekset af chloroplaster , svarende til NADH-dehydrogenasekomplekset i mitokondrier og homologt med bakteriekomplekset I [20] [21] , af chloroplaster danner et superkompleks med mindst to PSI'er ved hjælp af proteinerne Lhca5 og Lhca6. [19]
FS intern antenne IDen interne antenne af PS I er lokaliseret på to centrale proteiner i fotosystemet (proteinerne A og B), omkring P 700- reaktionscentret og elektronoverførselskofaktorer . Sammensætningen af den indre antenne omfatter 95 molekyler klorofyl a , 12-22 molekyler β-caroten, hvoraf 5 er i cis - konformation. Pigmenterne i den indre antenne er arrangeret i form af en cylinder, der omgiver redoxmidlerne af PS I elektrontransportkæden, kernen af fotosystem I og er kodet i plastidgenomet . [22]
Den eksterne PSII-antenne består af en mobilantenne og mindre antenneproteiner. Mobilantenneproteiner inkluderer: Lhcb1-3 (masse ca. 26 kDa), mindre proteiner - Lhcb4-6 (eller CP29, CP26, CP23). Lhcb1-3-proteinerne er kodet i det nukleare genom. [23]
Hvert af mobilantenneproteinerne indeholder 7-8 klorofyl a-molekyler, 6 klorofyl b -molekyler , 2 krydsede luteinmolekyler , et hver af neoxanthin og violoxanthin (eller zeaxanthin ). [23] Lhcb2-proteinet er hovedproteinet i thylakoidmembranen , så det er godt undersøgt. Lhcb2 indeholder en vigtig threoninrest , der kan gennemgå phosphorylering, hvilket er vigtigt for overgangen af kloroplaster fra tilstand 1 til tilstand 2. Et Lhcb1-protein og to Lhcb2-proteiner danner en mobilantenne-heterotrimer, CCK II. Den mobile CCK II-trimer er i stand til at sprede sig i thylakoidmembranen og kan binde til PS I (med deltagelse af H-underenheden), hvorved energistrømmen til PS I-reaktionscentret øges og belastningen på PS II-reaktionscentret reduceres. .
Mindre Lhcb4-6-proteiner er placeret mellem mobilantennen og den interne antenne af PSII-komplekset. Hvert af disse proteiner indeholder 13-15 klorofyler og 4-5 xanthophyller ( lutein , neoxanthin , violo- eller zeaxanthin ). De mindre proteiner af PS II tjener på grund af deres placering som kanaler for energistrømmen fra den eksterne CCK II-antenne til PS II-reaktionscentret. Det er i de mindre proteiner af CCK II, at xanthophyll ( violoxanthin ) cyklus forekommer, som spiller en fotobeskyttende rolle under overdreven belysning. [23]
FS II intern antenneI modsætning til PS I, hvor den interne antenne er placeret på centrale proteiner, der bærer reaktionscenterklorofyler og elektronoverførselskofaktorer , er den interne antenne af PS II placeret på to separate proteiner ( CP43 og CP47) ved siden af de centrale proteiner i PS II ( D1 og D2 proteiner). CP43-proteinet er placeret nær D1 og CP47 nær D2. CP43 bærer 13 klorofyl a -molekyler , CP47 - 16, derudover indeholder de 3-5 β-carotenmolekyler. CP43- og CP47-proteinerne er kodet i plastidgenomet. [24]
I tilstand 1 er CCKII-mobiltrimeren forbundet med PSII. Med en stigning i lysintensiteten regenereres poolen af plastoquinoner og cytochromer b 6 /f af komplekset, hvilket aktiverer en speciel kinase , der phosphorylerer den mobile trimer. Som et resultat af phosphorylering erhverver overfladen af den mobile trimer en negativ ladning, hvilket fører til dens dissociation fra PSII. Den phosphorylerede mobile trimer kan binde sig til PSI. Den tilstand, hvori den mobile trimer er forbundet med PSI, kaldes tilstand 2. Under oxidationen af plastoquinoner opstår den omvendte reaktion af dephosphorylering af mobilantennen af enzymet protein phosphatase, det vender tilbage til regionen af parrede granmembraner og en stigning i energitilstrømning til PSII, som er ledsaget af omskiftning af systemet fra tilstand 2 til tilstand 1. at et antal PSI-underenheder (H, O, L) er nødvendige for tilknytningen af CCKII-mobilkomplekset og overgangen til tilstand 2 [25] [26] [27] . Som et resultat af overgangen fra tilstand 1 til tilstand 2 omdirigeres strålingsenergien fra PSII til PSII, som mere effektivt udfører den cykliske strøm af elektroner. Skift mellem tilstand 1 og 2 er en vigtig mekanisme til at beskytte det fotosyntetiske apparat mod høje lysintensiteter. [28]
I nogle cyanobakterier (inklusive prochlorofytter ), glaucocystofytter , kryptofytter og rødalger er pigmenterne i lys-høstende komplekser repræsenteret af tetrapyrroler , der ikke er lukket ind i en makrocyklus - phycobiliner . Phycobiliner fikseres på proteiner ved dannelse af kovalente bindinger ( thioether og ether ), mens kromoformolekylet antager en åben-loop konformation. Pigment-proteinkomplekser er hydrofile og kan ekstraheres med varmtvandsekstraktion. Hydrolyse af den kovalente binding mellem pigmentet og apoproteinet kræver behandling med saltsyre under opvarmning. Phycobiliproteiner er karakteriseret ved intens fluorescens, men når proteinet denatureres , mister phycobiliproteiner denne evne.
Der er flere klasser af phycobiliner med forskellige spektrale egenskaber:
I algeceller er phycobiliproteiner organiseret i lys-høstende komplekser (phycobilisomer), der er placeret på overfladen af thylokoidmembraner . Phycobilisomer kan være halvskiveformede eller halvkugleformede. Phycobilisomer indeholder også specielle proteiner, der er ansvarlige for aggregering af phycobilinpigmenter og samling af phycobilisomer. Organisationen af phycobilisomer er sådan, at phycobiliner med kortere bølgelængde absorptionsmaksima er placeret i periferien, og de korteste bølgelængde er nær reaktionscentrene. Migrationen af energi i phycobilisomes sker med spredning af en del af excitationsenergien til varme og overholder den generelle regel: fra kortere bølgelængde pigmenter til længere bølgelængde (phycoerythriner → phycocyaniner → allophycocyaniner) [29] .
Hos kryptophthider er phycobiliproteiner placeret i thylakoidlumen, og der er ingen standard phycobilisomer [30] .
Forholdet mellem phycobilin-pigmenter i forskellige typer alger bestemmes af den spektrale sammensætning af det lys, de bruger. På store dybder af vandsøjlen trænger hovedsageligt kortbølget blåt lys ind. I denne henseende akkumulerer rødalger , som normalt lever på store dybder, phycoerythriner, som effektivt absorberer højenergikvanter. Og i cyanobakterier, der bor i ferskvandsområder og de øverste lag af vandsøjlen i oceanerne , akkumuleres phycocyaniner og allophycocyaniner hovedsageligt. Derudover er forholdet mellem pigmenter i alger af samme art heller ikke konstant og modificeres afhængigt af habitatets dybde (fænomenet kromatisk tilpasning ) [31] .