Reaktionscentrum

Reaktionscentret  är ett komplex av proteiner, pigment och andra kofaktorer , vars interaktion säkerställer reaktionen för att omvandla ljusenergi till kemisk energi under fotosyntesen . Reaktionscentret får energi antingen genom direkt excitation av en av dess molekyler eller genom överföring av energi från ljusuppsamlande komplex , vilket ger upphov till en kedja av kemiska reaktioner som sker på proteinbundna kofaktorer. Dessa kofaktorer är ljusabsorberande molekyler (även kallade kromoforer eller pigment ) som klorofyll , feofytin och kinoner . Fotonens energi används för att lyfta elektronen till en högre energinivå . Den fria energin som sålunda lagras går till återställandet av en kedja av elektronacceptorer med högre redoxpotential .

Alla fotosyntetiska organismer har reaktionscentra: gröna växter , alger och många bakterier . Trots det faktum att olika arter är åtskilda av miljarder år av evolution, är reaktionscentra i alla arter homologa , medan ljusskördekomplexen är ganska olika. Totalt särskiljs fyra huvudtyper av reaktionscentra, inklusive pigment - P 700 (i högre växter i fotosystem I ), P 680 (i högre växter i fotosystem II ), P 870 (i lila bakterier ) och P 840 (i grönt svavelbakterier ). Fotosystem är stora proteinsuperkomplex omgivna av många ljusupptagande antenner.

Omvandling av ljusenergi till laddningsseparationsenergi

Alla gröna växter , alger och många bakterier har reaktionscentra . Reaktionscentret för bakterien Rhodopseudomonas är det bäst studerade : det var det första reaktionscentret med en helt dechiffrerad struktur, vilket underlättades av frånvaron av ett stort antal ytterligare subenheter [1] .

Reaktionscentret är utformat på ett sådant sätt att det effektivt absorberar ljusets energi och omvandlar det till en kemisk form. Efter att ha absorberat energin avger klorofyllerna ett par elektroner som kommer in i ETC.

Enligt Einsteins kvantteori består ljus av små partiklar som bär delar av energi- fotoner . Om en foton med tillräckligt med energi absorberas av en elektron, då kan elektronen flytta till en ny energinivå [2] . Det mest stabila tillståndet för elektroner är på deras lägsta energinivå. I detta tillstånd upptar elektronen orbitalen med minst energi [3] . Högenergielektroner kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd, precis som en boll som rullar nerför en stege. Under denna process förlorar elektronen energi. Det är denna process som används i reaktionscentret.

Elektronisk excitation av klorofyll- a-molekylen leder till en minskning av redoxpotentialen , det vill säga att molekylen donerar elektroner lättare, vilket är en nyckelfaktor för att omvandla elektronisk excitationsenergi till kemisk energi. Gröna växter har många elektronacceptorer ordnade i en elektrontransportkedja som inkluderar feofytin , kinon , plastokinon , cytokrom b6f-komplex och ferredoxin . Kedjan fullbordas genom reduktionen av NADPH- molekylen . Passagen av en elektron genom elektrontransportkedjan resulterar i pumpning av protoner från kloroplaststroma in i lumen, vilket skapar en protongradient över tylakoidmembranet , som cellen kan använda för att syntetisera ATP med ATP-syntas . Både NADPH och ATP används i Calvin-cykeln för kolfixering .

Bakterier

Struktur

Reaktionscentrum för det bakteriella fotosystemet
Identifierare
Pfam PF00124
Interpro IPR000484
PROSITE PDOC00217
SCOP 1 st
SUPERFAMILJ 1 st
TCDB 3.E.2
Tillgängliga proteinstrukturer
Pfam strukturer
PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumma 3D-modell
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Att bestämma strukturen hos bakteriella reaktionscentra var ett viktigt steg mot att förstå kemin i biologiska processer och assimileringen av ljusenergi. I slutet av 1960-talet var Dan Reed och Roderick Clayton de första att isolera reaktionscentrumfraktionen av den lila bakterien Rhodobacter sphaeroides [4] . Kristallstrukturen bestämdes först 1982 av Hartmut Michel , Johann Deisenhofer och Robert Huber [5] , för vilket de fick Nobelpriset 1988 [6] . Denna upptäckt var särskilt viktig eftersom reaktionscentrumet i det bakteriella fotosystemet blev det första membrankomplexet med en dechiffrerad struktur.

Reaktionscentrum för lila bakterier består av tre underenheter. L- och M-subenheterna spänner över membranets lipiddubbelskikt. De är strukturellt lika varandra, båda har fem transmembrana alfa-helixar , fyra bakterioklorofyller b ( BChl-b ) , två bakteriofeofytin b (BPheo), två kinoner (QA och QB ) och en järnjon mellan sig, bundna till L och M. H-subenheten, visad i guld, ligger på den cytoplasmatiska sidan av plasmamembranet. Cytokromsubenheten, som inte visas i figuren, innehåller fyra hemer av c-typ och ligger på membranets yttre yta. Närvaron av denna subenhet i bakterier krävs inte. Kärnsubenheterna L och M spelar huvudrollen i fotosystemets arbete, de binder funktionella kofaktorer och klorofyller .

Reaktionscentra för olika bakteriearter kan ha något olika bakterioklorofyller och bakteriofeofytiner. På grund av denna variation förändras ljusspektrumet som bakterier absorberar, och detta bidrar till bildandet av speciella fotosyntesnischer . Reaktionscentret består av en dimer av bakterioklorofyll a, som utför funktionen att samla in och överföra energin från en absorberad foton, och bakteriofeofytin, som är den första att acceptera en elektron, som utför den primära separationen av laddningar. BChl liknar den gröna växtens klorofyllmolekyl till sin struktur, men har på grund av små strukturella skillnader en absorptionstopp i det infraröda området med en våglängd upp till 1000 nm. Bpheo har nästan samma struktur som BChl, men den centrala magnesiumatomen i den är ersatt av två protoner . Denna substitution leder både till en förändring av absorptionsmaximum och till en minskning av redoxpotentialen.

Mekanism

Processen börjar när ljus absorberas av två BChl-molekyler (en dimer) på den periplasmatiska sidan av membranet. Detta par, som kallas ett speciellt par , absorberar fotoner med en våglängd på 870 och 960 nm, beroende på art, och därför kallas det P 870 (i Rhodobacter sphaeroides ) eller P 960 ( Rhodopseudomonas viridis ). Efter absorption av en foton på subenheten L separeras laddningar och en elektron överförs från Bchl till BPheo. Pigmentet förblir positivt laddat medan BPheo tar emot den negativa laddningen av den överförda elektronen. Denna process varar ungefär 10 px (10 −11 sekunder) [1] .

I detta skede kan laddningarna för specialparet P 870 + och BPheo - kombineras om . I detta fall kommer energin hos en högnivåelektron att slösas bort på värme. Reaktionscentret har flera mekanismer för att förhindra denna oönskade process. Således är returen av en elektron från BPheo - till P 960 + ganska långsam jämfört med andra reaktioner. Elektronöverföringsreaktionen från BPheo - (BPheo - oxiderad till BPheo) till kinon (Q A ) går mycket snabbare, och P 960 + tar i sin tur en elektron från hemen från cytokromsubenheten ovanför reaktionscentrumet (P 960 + reduceras till P 960 ).

En högenergielektron lokaliserad på en tätt bunden kinonmolekyl Q A passerar till en kinonmolekyl QB . Denna molekyl är svagt associerad med proteinet och slits lätt av. För att fullständigt återställa QB till QH 2 behövs två högenergielektroner. I detta fall tas två protoner från cytoplasman . Det reducerade kinonet QH 2 diffunderar över membranet till ett annat proteinkomplex, cytokrom bcl-komplexet , där det oxideras. I denna process används QH2- reduktionspotentialen för att pumpa två protoner över membranet in i det periplasmatiska utrymmet . Elektroner överförs från bc 1 -komplexet till ett litet vattenlösligt cytokrom c 2 -protein , som överför dem till cytokromsubenheten, vilket ger elektrontransportcykling .

Enligt en liknande princip byggdes reaktionscentrumet för grönsvavelbakterier , som ligger nära fotosystem I. Men till skillnad från reaktionscentrumet för lila bakterier som beskrivs ovan, utför PS av gröna svavelbakterier linjär snarare än cyklisk elektrontransport, oxiderar vätesulfid eller tiosulfat och reducerar ferredoxin .

I gröna svavelbakterier består reaktionscentret av fem subenheter: PscA-D. Två PscA-subenheter dimeriserar och håller tillsammans kofaktorer (ett speciellt par av P 840 , bakterioklorofyll a och fyllokinon på varje PscA och ett Fx järn-svavelkluster mellan dem), medan var och en av dem binder en kopia av PscD och PscC, den senare bär en heme. PscB-subenheten är belägen i mitten av dimeren och länkar samman två järn-svavelkluster som donerar elektroner till ferredoxin [7][ betydelsen av faktum? ] .

Gröna växter

Oxygenisk fotosyntes

År 1772 genomförde kemisten Joseph Priestley en serie experiment med gaser som deltar i andnings- och förbränningsprocesserna. I det första experimentet tände han ett ljus och placerade det under ett omvänt kärl. Efter en stund slocknade ljuset. Han utförde sedan ett liknande experiment med en mus. Musen dog kort efter att ljuset slocknat. Det visade sig också att luften kan återupplivas om gröna växter placeras i en lufttät behållare, vilket ger dem tillgång till ljus. Priestleys observationer var en av de första demonstrationerna av aktiviteten hos fotokemiska reaktionscentra.

År 1779 genomförde Jan Ingenhaus över 500 experiment under fyra månader i ett försök att förklara fenomenet som upptäcktes av Priestley. Han registrerade sina upptäckter i en bok med titeln Experiment on Vegetables. Ingenhaus tog gröna växter och sänkte ner dem i en genomskinlig behållare med vatten. Han såg många bubblor stiga upp till ytan från växternas löv varje gång växten exponerades för ljus. Han samlade in denna gas och utförde flera experiment för att fastställa dess kemiska natur. Experiment avslöjade gasens förmåga att återuppta förbränningen av en pyrande fackla, det vill säga det visade sig att det var syre , eller, som Joseph Priestley kallade det, " deflogistisk luft".

1932 använde professor Robert Emerson och studenten William Arnold blixttekniken för att exakt mäta små mängder syre som produceras av klorofyllet från algen Chlorella . Deras experiment visade att det fanns ett fotokemiskt centrum. Senare förklarade Gaffron och Vol resultaten av experimentet och insåg att energin av ljus som absorberas av klorofyll överförs till en plats [8] , som kallades fotosystem II:s fotokemiska centrum. Denna process är inneboende i cyanobakterier , alger och gröna växter [9] .

Photosystem II

Fotosystem II producerar två elektroner utformade för att reducera NADH + med hjälp av enzymet ferredoxin-NADP + -reduktas . Den finns i tylakoidmembran inuti kloroplaster , där fotosyntesen sker i gröna växter [10] . Det är anmärkningsvärt likt i strukturen till det fotokemiska centret av lila bakterier , vilket tyder på att det finns en gemensam förfader.

Kärnan i fotosystem II består av två underenheter, kallade D1 och D2. Dessa två subenheter är analoga med L- och M-subenheterna i bakteriella fotokemiska centra . Det skiljer sig från underenheterna i bakteriecentra genom närvaron av många ytterligare underenheter med klorofyll , vilket ökar dess effektivitet. Den övergripande reaktionen i fotosystem II kan skrivas som:

,

där Q är plastokinon och QH2 är  dess reducerade form. Processen för kinonreduktion liknar den i bakteriers fotokemiska centra . Fotosystem II tar emot en elektron från vatten genom fotokemisk oxidation. Biprodukten av denna process är molekylärt syre , och det är tack vare detta som gröna växter berikar jordens atmosfär med syre . Att syret som gröna växter producerar kommer från vatten bevisades först av den kanadensiskfödde amerikanske biokemisten Martin David Kamen . För att spåra syreatomens väg från vatten till molekylärt syre använde han den naturliga stabila syreisotopen 18 O. Den fotokemiska oxidationen av vatten i fotosystem II:s fotokemiska centrum katalyseras av ett proteinkomplex med fyra manganjoner .

Liksom i bakteriers fotokemiska centrum börjar processen med absorption av ljus av ett par klorofyllmolekyler. Gröna växter använder klorofyll a snarare än bakterioklorofyll a, på grund av vilket de absorberar ljus med kortare våglängd. Ett par klorofyller av ett fotokemiskt reaktionscentrum betecknas ofta enligt deras absorptionsmaximum som P 680 [1] . Efter absorption av fotonen passerar högenergielektronen till feofytinmolekylen . Från feofytinmolekylen passerar den till två plastokinonmolekyler  - den ena fast ansluten, den andra svagt bunden, liknande hur det sker i bakteriella reaktionscentra. Fullständig reduktion av en löst bunden plastokinonmolekyl kräver två högnivåelektroner och två protoner från stroma .

Fotosystem II skiljer sig från reaktionscentrum för bakterier genom källan till elektroner som reducerar ett par klorofyll a-molekyler. I bakterier tas elektroner från den reducerade hemgruppen i cytokromsubenheten eller från det vattenlösliga cytokrom c2 -proteinet .

Efter fullbordandet av laddningsseparationsprocessen förblir P 680- molekylen positivt laddad. Det är ett mycket starkt oxidationsmedel och tar två elektroner från vattenmolekyler associerade med ett närliggande mangancentrum . Förutom fyra manganjoner innehåller detta centrum en kalciumjon , en kloridjon och en tyrosinrest . Mangans effektivitet beror på att det har fyra oxidationstillstånd: Mn 2+ , Mn 3 + , Mn 4+ och Mn 5+ . Dessutom binder mangan bra till föreningar som innehåller syre, såsom vatten.

Genom att absorbera en foton förlorar P 680 en elektron och får en positiv laddning. Denna laddning neutraliseras genom att ta emot en elektron från mangancentret. Det krävs fyra elektroner för att oxidera vatten. Det är vattenmolekyler som är källan till elektroner som reducerar två Q-molekyler till QH 2 . Ett sådant katalytiskt centrum för vattenklyvning har ännu inte återskapats med några konstgjorda metoder.

Fotosystem I

Efter att ha lämnat fotosystem II överförs elektronen till cytokrom b6f-komplexet och från det till plastocyaninproteinet . Plastocyanin diffunderar i lumen till nästa reaktionscentrum, fotosystem I , och överför en elektron.

Liksom i fotosystem II och det bakteriella reaktionscentret börjar processen med ett par klorofyll a -molekyler , där fotoinducerad laddningsseparation sker. Detta par kallas P 700 , där 700 är våglängden för maximal absorption av klorofyllmolekyler. P 700 är beläget i mitten av proteinmolekylen. Efter laddningsseparation överförs elektronen genom transportkedjan till klorofyll a -molekyler , till kinonmolekylen, genom tre 4Fe-4S järn-svavelkluster till ferredoxin [11] . Ferredoxin är ett lösligt protein som innehåller ett 2Fe-2S-kluster koordinerat av fyra cysteinrester . Den positiva laddningen som finns kvar vid P 700 neutraliseras genom elektronöverföring av elektroner från plastocyanin . Den allmänna formeln för reaktionen i fotosystem I är:

Interaktionen mellan fotosystem I och II skapar ett elektronflöde från H 2 O till NADP + . Det kallas för fotosyntesens Z-schema, eftersom redoxdiagrammet för elektronöverföringsvägen från P 680 till P 700 ser ut som bokstaven Z [12] .

Se även

Anteckningar

Artiklar

  1. ↑ 1 2 3 Biochemistry: Fifth Edition Arkiverad 31 maj 2010 på Wayback Machine , kapitel 19.
  2. ↑ Att förstå atomen Arkiverad 9 maj 2015 på Wayback Machine (2000). Hämtad 28 februari 2010.
  3. ↑ Arie Uittenbogaard (2005). Kvantmekanik Arkiverad 8 februari 2015 på Wayback Machine hämtad 28 februari 2010.
  4. ↑ Reed, D.W., & Clayton, R.K. (1968). Isolering av en reaktionscentrumfraktion från Rhodopseudomonas spheroides. Biokemiska och biofysiska forskningskommunikationer , 30 (5), 471-475.
  5. ↑ Röntgenstrukturanalys av ett membranproteinkomplex. Elektrondensitetskarta vid 3 Ångströms upplösning och en modell av kromoforerna i Photosynthetic Reaction Center från Rhodopseudomonas Viridis. Deisenhofer et al. J.MOL.BIOL. vol:180, sida:385 (1984)
  6. ↑ Nobelpriset i kemi 1988 . Tillträdesdatum: 7 februari 2015. Arkiverad från originalet 28 mars 2014.
  7. ↑ Hauska G , Schoedl T , Remigy Hervé , Tsiotis G. Reaktionscentret för gröna svavelbakterier1Tillägnad minnet av Jan Amesz.1  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2001. - Oktober ( vol. 1507 , nr 1-3 ). - S. 260-277 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/S0005-2728(01)00200-6 .
  8. ↑ Mohammad Yunus et al. (2000). Milstolpar i fotosyntesforskning Arkiverad 24 maj 2014 på Wayback Machine . Hämtad 28 februari 2010.
  9. ↑ Gary E. Kaiser (24 februari 2003) Oxygenisk fotosyntes Bakterietillväxt och mikrobiell metabolism. Hämtad 28 februari 2010.
  10. ↑ Kloroplasten Arkiverad från originalet den 3 augusti 2003. (10 augusti 2003) Ultranätbiologi
  11. ↑ Jagannathan, Bharat; Golbeck, John. Fotosyntes: mikrobiell  (engelska)  // Encyclopedia of Microbiology 3:e upplagan: bok. - 2009. - S. 325-341 . - doi : 10.1016/B978-012373944-5.00352-7 .
  12. ↑ Z-schemadiagrammet för fotosyntes arkiverat 25 juni 2014 på Wayback Machine , av Rajni Govindjee. Hämtad 28 februari 2010.

Källor

Länkar