Fotosyntéza Ondřej Prášil prasil@alga.cz 384-340430 2 Fotosyntéza: světlem indukované oxidačně redukční reakce Cornelius van Niel, 30.léta 20.století Holandský mikrobiolog, Stanford University, Kalifornie CO2 + 2H2A  (CH2O) + 2A + H2A 2 oddělené redoxní reakce 2H2A  2A + 4e- + 4H+ CO2 + 4e- + 4H+ (CH2O) + H2A Robert Hill, Cambridge 1930 Obnovení fotosyntetických aktivit v izolovaných chloroplastech po přidání akceptorů elektronů Fotosyntéza je redoxní reakcí Kyslík pochází z oxidace vody, ne z CO2 2H2O + 4Fe3+  O2 + 4Fe2+ + 4H+ Měřil kyslík změnou barvy hemoglobinu Maximální kvantový výtěžek vývoje kyslíku Proč je důležitý? -stanovuje maximální možnosti -ukazuje na omezení ve využití světla definice  = moly produktu / moly absorbovaných fotonů kvantový požadavek = 1/ kvantová účinnost () : energie uložená v produktu / energie absorbovaná Maximální kvantový výtěžek Otto Warburg, 20.léta:  = 0.25 q/CO2 (4 fotony, jedna fotoreakce) Emerson, 50.léta:  = 0.12 - 0.10 q/CO2 (8 fotonů, 2 fotosystémy) Otto Warburg Z (zig-zag) schéma fotosyntézy Robert Hill a Fay Bendall, 1960 Duysens 1961 2 reakce v tandemu během „světelných“ reakcí fotosyntézy je energie pohlcená pigmenty transformovaná do energie elektronů a využita k redukci universálního nosiče redukčních ekvivalentů NADP a k tvorbě univerzálního buněčného paliva ATP Vektoriální přenos elektronů a protonů Čtyři fáze procesu přeměny energie ve fotosyntéze 1. absorbce světla a přenos energie v anténních systémech 2. primární rozdělení nábojů a přenos elektronů v reakčních centrech 3. stabilizace energie v sekundárních procesech 4. syntéza a export stabilních produktů Reakční centra P A A2 A3 h p n PA P*A P+AD+ PAA2 - h D P primární donor, D sekundární donor, A akceptor elektronů Obecné vlastnosti reakčních center integrální membránové pigment-proteinové komplexy vektoriální orientace v membráně světlem indukované přenosy elektronů, rozdělení nábojů některá RC pumpují protony Chemické vlastnosti pigmentů v excitovaném stavu jsou odlišné od molekuly v základním stavu redoxní potenciál excitovaného stavu je jiný než stavu základního LUMO HOMO Střední redoxní potenciál excitovaného stavu Em(P+/P*) = Em(P+/P) - E(P/P*) E(P/P*) je rozdíl energie mezi excitovaným a základním stavem Principy stabilizace nábojů v RC Kinetika přenosu elektronů a rekombinace v RC rekombinace je >50x pomalejší než přenos elektronů RC II RC IDva typy RC: chinonové (vysokopotenciálové) FeS (redukční) Bacteria Zastoupení typů RC u prokaryot Fotosyntetická membrána purpurových bakterií chromatofory ve vnitřní cytoplasmatické membráně cytoplasma periplasma Hans Deisenhofer Robert Huber Hartmut Michel C M L H Nobelova cena 1988 L & M podjednotky: 5 transmembránových  šroubovic, které tvoří hydrofóbní aminokyseliny Pseudo-dvoučetná symetrie L a M podjednotky jen 30% sekvenční identita Redoxní kofaktory BRC elektronový transport jen po větvi A P865 –  maxima absorbce bakteriochlorofylu a Primární procesy v BRC Elektron oxidovanému P870+ je dodán cytochromem ~ 100 sec Kinetická absorbce – procesy s rychlostí od ps do ms Chinony „Dvouelektronová brána“ a protonace chinonů Detailní struktury obou fotosystémů u sinic jsou známy s rozlišením 2.5- 3 Å, u rostlin pouze PSI s rozlišením 3.4 Å T. elongatus Trimer,2.5 Å, Jordan et al, Nature 411, 909-17 (2001), 1JBO Pea, Monomer, 4.4 Å, BenShem, et al. Nature 426, 630-5 (2003), 1QZV; 3.4 Å Nature (May 2007) T. elongatus, Dimer, 3.8 Å, Zouni et al, Nature 409, 739-43 (2001), 1FE1 3.5 Å, Ferreira et al, Science 303, 1831-8 (2004),1S5L 3.0 Å, Loll et al, Nature 438, 1040-44 (2005), 2AXT P. laminosus: Dimer, 3.0 Å, Kurisu et al, Science 302, 1009-14 (2003), 1VF5 C. reinhardtii: Dimer, 3.1 Å, Stroebel et al, Nature 426, 413-8 (2003), 1Q90 Purple bacterial reaction center Photosystem 2 reaction center Fotosystém II 43 oxygen evolving complex CP43 CP47 D1 D2 33kDa Fe QA QB P680 Pheo YZ YD Pheo h e- e- 2H2O O2 + 4H+ - z hlediska enzymové aktivity je to voda:plastochinon oxidoreduktáza - složitější než BRC, PSII má až 30 podjednotek (nutnost regulace a ochrany před kyslíkem?) 2H2O + 2PQ  O2 + 2PQH2 Velké proteinové podjednotky fotosystému II - u fotosystému II váží pigmenty reakčního centra homologní membránové podjednotky D1 a D2, zatímco anténní pigmenty jsou vázány symetricky vázanými proteiny CP47 a CP43 Struktura fotosystému II z Thermosynechococcus elongatus s rozlišením 3.0 Å (Kern et al., Nature 2005) PsbZ CP47 D1 Cyt b-559 D2   ycf12 PsbH PsbL CP43 PsbI PsbY PsbM PsbX PsbK PsbJ PsbT a a b b c c d d e c d f e a b d f eab I II c Oligomerní stav, velikost: dimer, 750 kDa Počet podjednotek na monomer : 20 obsahující 36 TMH Počet kofaktorů na monomer : 89 z toho: 35 Chla, 12 Car, 25 lipidů, 3 PQ, 2 hem, 2 Pheo, 1 bicarbonát, Fe2+, Mn4Ca, Cl-, 2 Ca+2 (a 7 DM) Na lumenální straně fotosystému II je vázán kyslík vyvíjející Mn clastr s 3 stabilizujícími proteiny PsbO, PsbV a PsbU Mn4Ca cluster QA QB PD1/D2 PheoD1 PheoD2 Fe2+ ChlD1 ChlD2 TyrZ Distances Cyt b-559 CarD1 CarD2 TyrD ChlzD1 ChlzD2 Mn4Ca cluster QA QB PD1/D2 PheoD1 PheoD2 Fe2+ ChlD1 ChlD2 TyrZ Cyt c-550 Elektron-transportní řetězec fotosystému II (Kern et al., Nature 2005) Aktivní větev Protektivní větev Na separaci nábojů se podílí multimer molekul chlorofylu P680 Struktura QB kapsy: kromě chinonu QB i vazba dalšího chinonu QC 10 Q pocketB 10 2512 16 16 lumen cytoplasm 20 10 přístup ke QB kapse z cytoplazmy je blokován lipidy 2 kanály spojují QB kapsu s membránou, v jednom je QB, v druhém QC Vývoj kyslíku v PSII P680+ Em = + 1.2 V 2H2O  O2 + 4H+ +4eEm = + 0.82 V S stavy 4 e- ale jen 1 foton ?? P.Joliot a B.Kok, 1970 Struktura klastru Mn4Ca a jeho vazba ve fotosystému II Ca 3 1 2 4 Glu 333 His 332 Glu 189 Asp 342 Asp 170 Tyr Z Ala 344 CP43-Glu 354 Asp 61 Gln 165 His 337 CP43-Arg 357 2.5 2.4 2.3 2.3 2.4 2.0 2.7 2.42.2 1.7 1.82.5 5.4 68% 35% Srovnání termodynamické účinnosti BRC a PSII Vektoriální přenos elektronů a protonů Komplex cyt b6/f dimer: cyt bf, Rieske Fe-S + ~5 proteins Rieske 2Fe-2S protein © Antony Crofts 1996 2Fe.2S iron sulfur center from Rieske protein of the bc1-complex 2Fe2S ==> 2Fe2S+ + eMidpoint redox potential: Em, pH 7 = 290 mV The structures of two types of iron-sulfur centers. (A) A center of the 2Fe2S type. (B) A center of the 4Fe4S type. Although they contain multiple iron atoms, each iron-sulfur center can carry only one electron at a time. There are more than six different iron-sulfur centers in the respiratory chain. Hemy – integrální součást cytochromů The structure of the heme group attached covalently to cytochrome c. The porphyrin ring is shown in blue. There are five different cytochromes in the respiratory chain. Because the hemes in different cytochromes have slightly different structures and are held by their respective proteins in different ways, each of the cytochromes has a different affinity for an electron. Cytochromes Position of α - band cyt a ~ 600 nm cyt b ~ 560 nm cyt c ~ 550 nm Cytochrome f c - type cytochrome, transfers electrons to plastocyanin Heme c, with two cysteine ligands ferrocytochrome c ==> ferricytochrome c+ + eMidpoint redox potential: Em, pH 7 = 350mV Komplex cyt b6/f dimer: cyt bf, Rieske Fe-S + ~5 bílkovin cyt b6/f cyt bc Q cyklus Q cyklus přenosu elektronů v cytb6/f Q cyklus přenosu elektronů v cytb6/f Plastocyanine Cu center of plastocyanin Cu2+ => Cu3+ + eMidpoint redox potential: Em, pH 7 = 360 mV © Antony Crofts 1996 Fotosystém I - z hlediska enzymové aktivity je to plastocyanin:ferredoxin oxidoreduktáza Velké membránové proteiny fotosystému I - velké membránové podjednotky PSI označované jako PsaA a PsaB váží jak pigmenty reakčního centra, tak světlosběrné pigmenty 127 kofaktorů 97 chl 3 Fe4S4 centra 2 fylochinony 22 karotenoidy 4 lipidy Fotosystém I Fotosystém I silný reduktant, slabý oxidant.. Uphill electron transfer Parallel electron transfer 127 cofactors: 97 chl 3 Fe4S4 centers 2 phylloquinons 22 carotenoids 4 lipids Chl a’ isomer C13 Elektron-transportní řetězec fotosystému I: obě větve funkční (Jordan et al., Nature 2001) A0 A1 P700 A0 A1 P700 Uspořádání molekul chlorofylu v PSI: na periferii dvě vrstvy pigmentů, v centrální části také velký počet anténních molekul (25) plus pigmenty RC P700 a A0 (Jordan et al., Nature 2001) Proteiny fotosystému II - velké membránové podjednotky PSII D1, D2, CP47 a CP43 lze získat hypotetickým rozštěpením obou velkých podjednotek fotosystému I PsaA a PsaB Location of primary acceptors in RCI and RCII 28 P680 QA Fe Ferredoxin Plant like© Antony Crofts 1996 2Fe.2S iron sulfur centers ferredoxin 2Fe2S => 2Fe2S+ + eMidpoint redox potential: Em, pH 7 = - 290 to - 400mV Noctor and Foyer 2000 Multiple pathways for spending the photosynthetic currency ATP / NADPH+ ~ 1.5 ATP / NADPH+ variable 60% ATP 95% NADPH Cyclic electron transport hv 1 hv -> 0 e- 2H2O + 2NADP+ +2H+ ->O2 + 2NADPH + 4H+ 2NADPH + 12H+ Přeměny energie: Energie fotonů Excitační energie chlorofylu a Energie elektronů na různých redoxních potenciálech: membránové elektronové řetězce Energie koncentrací iontů na membráně Energie anhydridové chemické vazby ATP ETM (membrány přeměny energie) E  µH +  GATP h M T 1. Generátory chemického potenciálu  µH+ 2. Generátory oxidačně redoxního potenciálu E h  E h  E   µH +   GATP Podobnosti v uspořádání fotosyntetických a respiračních procesů spřažení toku elektronů a protonů RC II RC I RC II RC I Em Vztah mezi hlavními podjednotkami RC různých fotosyntetických RC naznačuje společného prapředka Monomeric Reaction Center Homodimeric Reaction Center Heterodimeric Reaction Center Evolutionary change Gene duplication Divergence Purple bacteria Photosystem II Photosystem I Green sulfur bacteria RC II RC I Purpurové bakterie Zelené sirné bakterie Konec