A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 26

Átírás

1 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) A második fotokémiai rendszer! "#! $ % &(' ) *$ +' cianobaktériumok) a természetben egyedülálló képessége a víz fényindukált elbontása protonokká és molekuláris oxigénné. E folyamat révén a Földön kimeríthetetlen mennyiségben rendelkezésre álló víz szolgál a fotoszintetikus elektrontranszport, -. / :9 ; ; < AB1C< 1 A D D. 9 4? EF0 G 9. H9 G I0 G / < /. 1 nélkülözhetetlen oxigén keletkezik. A fényindukált vízbontást a tilakoid membránba ágyazódo 5 5J41 A K <L E(=@ A < protein komplex, az ún. második fotokémiai rendszer M NPOQ Q RTSU V U W X Y Z W[ U \^]`_ a W b U c U VJd a e Z fgsh W h V Sh Y i(j k j l m n o po lq mjqsrlj rttn u p(k vwxv ygz u { v u tq p diffundáló plasztokinon (PQ) molekulák továbbítják a citokróm bf komplex felé, a tilakoid lumenbe bocsátott protonok pedig a transzmembrán proton gradiens kialatításához járulnak hozzá ábra. A második fotokémiai rendszer szerepe a fotoszintetikus elektrontranszportban

2 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 27 Protein szerkezet }~P ƒ ˆ :Š Œ Ž Œ( š Žœ ž Ÿ ^ k túlnyomó része a T ª «Žª ±² ³ «µ ª «Ž ± ² J L ª «T ¹ º» ¼ ½ ¾ LÀ ÁÂ ½ Ã Ä ÅPÆ ½ Ç È ½ Â ÉÆ ÊŽËÌ Í Î Ç Î ÇÃ ËxÏ Alegység Topológia Mol. Tömeg Kódoló gén Funkció (kda) D1 TM(5) 39 PsbA(plasztisz) RC/kofaktor kötés D2 TM(5) 39 PsbD(plasztisz) RC/kofaktor kötés Cit b-559α TM(1) 9 PsbE(plasztisz) Hem kötés Cit b-559β TM(1) 4 psbf(plasztisz) Hem kötés CP43 TM(6) 51 psbc(plasztisz) Klorofill kötés CP47 TM(6) 56 psbb(plasztisz) Klorofill kötés PSII-H TM(1) 8 psbh(plasztisz)? PSII-I TM(1) 4 psbi(plasztisz)? PSII-J TM(1) 4 psbj(plasztisz)? PSII-K TM(1) 4 psbk(plasztisz)? PSII-L TM(1) 4.5 psbl(plasztisz)? PSII-M TM(1) 4 psbm(plasztisz)? PSII-N TM(1) 4.5 psbn(plasztisz)? PSII-T TM(1) 4 psbt(plasztisz)? OEC33 L 26 psbo(sejtmag) Mn stabilizálás OEC23 L 20 psbp(sejtmag) Ca 2+, Cl - kötés? OEC16 L 16.5 psbq(sejtmag) Ca 2+, Cl - kötés? PSII-R TM(1?) 10 psbr(sejtmag)? PSII-T L 3 psbt(sejtmag)? PSII-W TM(1) 6 psbw(sejtmag)? PSII-X TM(1) 4 psbx(sejtmag)? 5.1. Táblázat. A PSII komplex protein alegységei. A topológia a protein lumenális (L) vagy transzmembrán lokalizációját (TM) és a TM hélixek számát mutatja. A kódoló génnél pedig a kloroplasztisz vagy a sejtmag genómjában való lokalizációja van feltüntetve.

3 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) ábra. A PSII protein szerkezetének sémája Barber és mtsai szerint. Az alegységeken Ð ÑÒ ÓÔÒ Õ:Ö Ò Ø Ù Ú Ù Û Ü ÛÝ Û Þß à á Ù á â ã á Ý á àâ ä ÙLÚ ålæ ç è ç^â éêý é å Úâìë å á í ä àâìù ä î ß î á Ú åtï ðñ êsúàâ á à à Ú proteineket, amelyek 3.1. táblázatban találhatók. òôó^õö ö ø ù úû ü ý û ø þ ÿ ÿpù ø ú ýø ÿ ø ü ø ìù ú ÿ ù ù ü ø ú ÿ þø ú ù þ ü þ kált elektrontranszport redox komponensei. A reakciócentrumhoz ú ø ÿ ø þ û ù ÿ ù ú ü ú ø ÿ ø ø ÿ ø þ:ù þ þù ú ü þ ÿ ø! þ ÿ ú "ø ü ù û ü ÿ ú ý # $&%')( * +, -/. * 01 ( 2 *431 5' 6 * :; 6=< 6 6=1 9 * 7 80* >@? 9, AB, ( 5, 5 5 ' ( 5 ' 6 >C' % DEGF&HI I:* 6 9 ; 543J 5 ; KL M N O P QSR T O U V W X U Y R[Z\]^_X Ẁ Z\]a_R T bm N c R de ft W g antennáját két, klorofill-a- Nbh N g i&j=kml lon pq r s i&j=kmt u v w x y r z y {&q C}qC~ l l antennaként a klorofill-a-t és klorofill-b- komplexhez elektrosztatikus kölcsönhatás révén kapcsolódik. A redox-aktív és y x x } y y ƒ q y r sv r C y y q ~ l l q q y Cq w= C rcv w z xv } v t t ˆ { C t z tq z r s q w Š x q y r sv r } v {Bq y s y Œ 4v z y } v v w ŽB z v w q q B [ x Žy lumenális oldalán található három vizoldékony protein, amelyek a vízbontó rendszer kialakításában játszanak strukturális szerepet.

4 ð º ð à A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 29 A fotokémiai reakcióra képes speciális klorofill-a molekula (P 680 ) š œ ž œ Ÿž š/ ž m & ž ž œ œ= œ ª ª «-a «œ Ÿ «4 ž «ž š œ C amelyeknek fényelnyelési, energiaátadási és redox funkciója is lehet. A reakció ž š œ [«œ Ÿ «± C² ³ «² œ4«œ š± ž «[ Cž µ ž «šž «S ² š µ ªž ³ µ œ Ÿ fotoprotektív és redox szerepe is van. A reakciócentrum pigmentjeit két feofitin molekula ž ³ ² œ «ž µ ž ««Cž ³ µ «C œ «² & ž «ž Ÿ ž ³ ž ž ž «œ š «ž ¹œ B másik pedig fotokémiailag inaktív.» ¼» ½¾ À» ÁÃÂ Ä Å Å& Æ À Ç È É ÊÈ Æ ËÌ Í Î ÏmÉ ÐÎ Æ ËÌÑ Æ É Ë Æ ÇÒÆ Ó Æ Ë Ô Æ Õ Ö Ø Ù Ú A PSII redox komponensei ÛÝÜ Þß ß`à á â=ãä å æçå è#é[êë ì í î ä)é/ãä é ï ì í á à ð èá è ñ_òé ä é ó ô±å ä å í õ á èí õ é èï ì ãbá õ í á íãé reakciócentrum redox komponensei közvetítik. Ezek: a vízbontást katalizáló á æ ñ ö è å ø ä å ï ì í î ùú ûüý þ ÿ ûcþ ý þ ù þ ú ÿ þ û ú ý û! " #ú $ ùú ûüý þ ÿ% &' þ ù $ þ û#ù ý ú ú ( ý ý ù ) ) þ ý þ ù ú * * & ù )! þ " +, -. -Z, ami a D1-es protein 161-es poziciójú redox-aktív tirozinja; a fényindukált e/ : / 6 ;< / 0 = 0 6><34 3.? A>B 1C <; D E F G H I J H E K L D M N G O P D PQ I O Ö R SUT VW X YZF NI

5 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 30 [ \:] ^ _ ` a _ [\:b c d ] _ egf h b ei] j ] d k ] ega ] l:mnf a c b co _ a a -a molekulákból dimer vagy multimer; az ] a [ mpa ] q] [r] a ] fd b c es f ^ ] \:d cb ft ed7u>v fh pm>o ] co _ d _ ew xuy ] z { s u_7s} ~r\ b cd ] _ ey:] j f h d mp_ f>t [ a P680-d a { s ee s f q ] b ] [ j d ] d d` a a s \:cd ` k s e7{ ] q ig] a ] fd b c ed>l:] [ j ` d ƒ s j ] a [ m f _ e c e] a ] fd b c e akceptor (Q A z {s u_ s \:b c d ] _ e y ] j \:] b us e ] e:[ ] ê f h d mp m\:a s [ j d cf_ e cê uca ] f a s ƒs második kinon elektron akceptor (Q B z {gs u_ sš ~ \ b c d ] _ ey ] j uc k:_ a _ [ s eœfhd m pm plasztokinon molekula; a Q A és Q B f h j h d du] a y:] a i ] j f ] p m { s ~ t [r >\ b cd ] _ e ] fy ] j f h d mp m nem-hem tipusú vas ion (Fe), ami a fiziológiás elektrontranszportban közvetlenül nem vesz részt, de képes a Q A és Q B közötti elektrontranszport regulálására. Speciális körülmények között a P680 + képes elektront felvenni a folyamatos elektrontranszportban b t [ j de ] u l ] l:mb ] pcž f c u>\:c e:] e:[ ] f d m U > š -D, ami a D2 protein 160-as poziciójú redox-aktív tirozinja; a P680 környezetében található klorofill molekula; valamint a reakcióce œ š žÿ œ : 7 ž œ š œ ž : ˆªZ«: š Š ž œ : ± ² ³ µ ¹ ºn» ¹½¼¾ À ¾ Á ¼ Â Ã Ä ÅÃ Æº ÇÈÉ Ê ¹ ¹ Ê Ê ¼ Æ Â Ë º Ì ÍÌÃ Ä º Ê Â Å ÈÏÎ -Ð Ð Ñ ÒZÓ ÔÕ ÓÖ Ø Ù Ú Û Ü ÝÞÜ ß à Õ áù ÒZÓ ÝÙ Õ â Ø Õ Ü à ãä åæ7ä Ù á ç Õ â Øè â Ù éørö ê ëë ì á:òzó P680 + donorjaként vagy a Phe - akceptrojaként funkcionálhat ábra. A PSII redox komponensei

6 ð î î ð ð ð í û î ð î õ î A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 31 A PSII elektrontranszport folyamatainak kinetikája íïî ð ñòó ô ñòó ô õ ö ø ù ó ö ú ó ñüûþýó ÿ ó õ ö õ ó ñ ó ÿ ý ûœñ ð ñòüõ û ô û ö ö û reakciócentrum klorofillra (P 680 ) jut és azt gerjesztett állapotba hozza. A gerjesztett P 680 Uõ û ô û ö ö ó ý ò ó ô ó ö ÿ ñö û örû ó ö ñû ó ö ÿ ñ û ý ò ô ó ö õ ö ö ó ô õ ú ô ó ý ó õ töltésszétválási folyamat eredménye a P Phe - òû û ö fenntartása érdekében gyors elektronátadási fol ñ ô ñ û ó í ó ö ñÿ úôû töltéspár. A töltésszétválasztás elektron néhányszáz ps alatt a Q A, majd kb µs alatt a Q B kinon elektron akceptorra kerül. Az oxidált P at a Tir-Z redukálja néhányszáz ns alatt. Tir-Z + -hoz :ó ý ûœù ñö í ÿ ó ñ õ ó ÿñ 7ô ó úô ÿ ó ñ:ó az elektronok a µs-ms ú ö û ÿ ö ñò û ñ ñ ÿ ô û ô ó ô ó ö ÿ ñ ö ÿ û ñ:õ ÿ ö ûó -oenergiás folyamat, ami a kb V redoxpotenciálon lejátszódó vízbontástól a kb V redoxpotenciálú P680 + felé halad. Szintén exoenergiás az akcepto roldali elektrontranszport a kb redoxpotenciálú Pheo - -tól a kb. 0 V!" # redoxpotenciálú plasztokinonig. Az elektronnak õ ñö ÿ úô û szintjére való emeléséhez szükséges energiát a foton abszorbciója biztosítja. ó 5.5. ábra A PSII elektrontranszportjának kinetikai és energetikai sémája.

7 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 32 $&%(') )+*, * -. / 0 1. / / : * 19; / < * -* 3= : 2 >@?0: AB2 4C*, 3 D <, * : * 3. E,. ; ;. F 7, 7 3.G-E F*. DH: A 0 / 3=I 0, A 2 J@2. 0 -H* : A -elektronos lépések sorozatán keresztül valósulnak meg, a Mn komplex és Q B között. Ezzel szemben a Q B redukciója kételektronos folyamatban, a vízbontás pedig 4-elektronos folyamatban megy végbe. A Q B két-elektronos kapuja $K. 8, <LJM* JON / 7 1P, <QI N2 1QJM0 N 8,R*, * -. / 0 1L? 0 / < 0 4 S -; 1.RJOT -E <D 5, U0 V 8 <7,.(7,, N2 1-8 W A2 I I ,-E. D < 8 - a D1 proteinen található Q B -E. D?*, A?* 4 X $ 4* : AR*, * -. / 0 1CI *, F ;. *, *+Y. 7 1C-; 54 E < D Z [ \ ]M^ _ ^ `a ` boc B -, forma kötési _d e f g\ h i j fhlk@]@m Z an ^ _G\ h \ _ e j a `Go \ h pq e \ h q ^ rst affinitása nagy és így nem válik le a Q B ]Mm Z an ^ _+\ h \ _ e j a ùo \ h pq e \ h \Uv e m `+_ q w[ fn f+c B 2- kötési affinitása ismét kicsi, ezért a Q B _d e f g\ h i j f hgr i a j Z k `h \ pm h ^ _Hq Zu_q egwj a e a `o \ h pq e \ h \Cve m `x c BH 2 ) a membrán lipid fázisában diffundálva az elektronokat a citokróm b/f komplex felé szállítja. Az üresen maradt Q B _d e f yz { z }~ z ƒ ƒz ˆ { }~ { Š } Œ OŽM { z kula tölti be. Q B <-> PQ P Q, PQ H 2 e - - -Q B e Q B <-> PQH ábra. A Q B akceptor két-elektronos redox ciklusa A vízbontó rendszer 4-elektronos kapuja Joliot és Kok 1970-es évek elején végzett kísérletei azt mutatták, hogy a } Š } z } Œ Š ~ ~ } Š ŽO~ { Š Œ Œ { } } M z z Š } Š z z Š z } ˆ z { Š

8 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 33 mértéke jellegzetes 4-es periódusú oszcillációt mutat. Ezen kísérleti eredmények alapozták meg az oxigén fejlesztés azon modelljét, amely szerint a vízbontáshoz š œ ž Ÿ š š ž š š O š š ª š š kséges. «± ² ³lµ ¹º» ¼ ½ ¾ À ÁÂ ÃÄ Å ÆÇ Å È É Ê Ë Ì Ç Í Ì Î Ï Å È ÎÐÎ Ñ Ç Ò É -es periódusú oszcillácója fényimpulzusokkal Mai ismereteink szerint a szekvenciális energiatárolást a vízbontó rendszer 4 Mn Ó Ô Õ Ö Ø(Ù Ø Ø ÚÛ Ü Û Ø Ó Ü Ó Ú Ý ÞƒÚ Ô ßà Ø á â áoãä å æ Ó ç è æ@á å é ß@Ù Þ Ü(Úê ãá Ü ë á Ø Þ ë Ø á å es töltésszétválasztási események (P680 + Phe - Úä àæ ë ìä Þ íðý Ü Ù Õ@Û îïõmúô ßà Ø á âá å é -egy elektront továbbít a Tir-Zn keresztül P nak, amelynek során a komplexet alkotó Mn ionok fokozatosan magasabb oxidációs állapotba kerülnek. A Mn komplexnek 5 állapota van, amelyet S 0,...S 4- -el jelölünk. Közülük az S 0...S 3- vesz részt a szekvenciális energia- és töltéstárolásban. Az S 4 pedig egy rövid élettartamú átmeneti állapot, ami az O 2 Ú Ó ÖÔð Þ Ù Ü Ù Þ Ü@Ú ê ãá Ü ë á ÕRÛ æ=ñ 0-ba alakul. Az S állapotok közötti átmenetek során nemcsak elektron leadás hanem proton kibocsátás is történik, azonban az elektron:prton leadási arány nem minden S átmenet esetén egyforma. Egy ciklus során négy proton molekula távozik a tilakoid lumenbe, és egy O 2

9 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 34 molekula szabadul fel, ami azt mutatja, hogy òóïôgõ ö ø ù ú û õ ü ý þÿ Möù ú õ ù ò ú ú elbontását végzi. e -,H + e e,2 H e -,H ábra. A vízbontó komplex S állapotainak fényindukált, ciklikus konverziója. Az ábra feltünteti az egyes S átmenetekhez tartozó elektron- és proton leadási eseményeket is. A Mn komplex a ú ò õ ú ôý õö Oø ù ú û ù Mú ô ù öù ò ù öõ ý õ õ ý ü ú ô ü ý ú þú þò ô ò þõö Oø ö ôú ô ú õþò ù ÿ ô ù ú Hú ù ö ò ô òbü! " # $" % &" '(! )! ' $) %+*,.- $! / " $0) 12 ' +3 # 42.5# ' 2 / 6 7 )! %0) 7 ) 8 6 $0):9<;=$07 " / 5) 7 42 ' > $? 1 1 " 7 " $@" ' A@ B 2 "C%"!! A2.@ # D" E) 7 ) % ' )!!FD:G! )! H+) D(" 7 I " % " $1" 7 J7K);=$# $ %)!K%"!! A2E L# / B $ ) %%) %M-2 2 ' " *ONP;=$Q# $ %M" / I D(6 2! A 7:DB!(! / )SR+* T# 7 7 "! 5"SU+* UVN(*.N katalitikus komplex a Mn ionok mellet egy Ca 2+ és egy Cl - iont is tartalmaz. N'( L# / B $<W " 8 7 A@ B 2O2 ' 3 # # 42.D(# $! 6 ' )! 6 $) %B! " 7 D " ' B 2 B 1A7F) ':%- 5"! % " ' # %H& / I sötétben csak az S 0 és S 1 állapotok stabilak, amelyek megoszlása 25:75%. Az S 2 és S 3 állapotok kb sec alatt konvertálódnak vissza az S ) +! 1) *XY'Z) D(" / 7 " &"! A2 " $V&2 2 ' [M) '\" 7 " %! $! ) $+2 '!C% 6 11#C7 B +B 2 " # $" % sebességéhez képest és 7 " &"! A 5BE! " 2 ' #) 'O L# / B $(W " 8 7 " 2 '! B 2 &" '2 ' J %2 B / " 2F! -7! B 2! !+) 7 ) 3 2 $IW B $ I # $! " $ ' #! 6 2 %

10 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 35 His 2,7 A Mn 3,3 A Mn Ca Mn 2,7 4 3, A A Mn C l? 5.9. ábra. A vízbontó rendszer katalitikus Mn komplexének szerkezete Yachandra és mtsai (1993) nyomán. A C atomok fekete, az oxigén atomok pedig vörös színnel vannak jelölve. ] ^ ] _ ` avb ^ c d e d e fgd h(b i j k:d0l j _ j aj imk b _ in a\` k i] e a] i o pyq e=j r b s ` al ] t u v w` ^(j ^ e x b u u n x b y t n zd a h(] s l b s { ] u ] _ v x ^ b u u d } jw n ^0` k _ ] u h ] e ` ^ ` k ]\l ] u _ ] ^ e b i fo js {Va ] h~h(b aw ] a _ u _ ` ^ ^ e ] } d k n x b y _ követ a Mn komplexben az oxidációs állapot növekedése, amely eseményeket miss-nek a] ] e e i+p Cb ^ d u y^ e a ^ ` s s ] um] u vl j k w u a d i ju { d a i` _ ^ e ] k ] ^ _ d u n u d _ a d i c double hit) nevezett események is, amikor egy töltésszétválás után a Mn komplex oxidációs állapota i] v ] u:a ] i ^ e b i+p.q evj^ e x b u u n x b y^0h(b a _ n e d _(] u h ` u ] _ i leírására az ún. Joliot-Kok-féle mátrix formalizmust használjuk. S(i+1) = K*S(i), Az S(i) vektor jellemzi a i-edik fényimpulzus után kialkult állapotot, a K átmeneti vektor pedig tartalmazza a miss (α), single hit (β) és double hit (γ) paramétereket. S= S0 S1 S2 S3 K= α 0 γ β β α 0 γ γ β α 0 0 γ β α

11 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 36 A PSII térszerkezete A PSII egy kb. 15*6*7 nm-es komplex, ami a tilakoid membránban általában ˆ( Š Œ C Ž Š Ž Yˆ(Œ Š Š ˆ( Š Ž + š. Ž š < Š ˆ( œ Y ž š œ a reakciócentrum és a hozzá kapcsolódó antenna komplexek elhelyezkedése jó közelíttéssel ismert ábra. A PSII szerkezeti modellje Barber és Kühlbrandt nyomán Számítógépes szekvencia analízis és a bíborbaktériumok homológ reakciócentrumával való összehasonlítás alapján, a D1 és D2 reakciócentrum fehérjék 5-5 transzmembrán hélixel rendelkeznek. A bíborbaktériumok térszerkezetére alapozott molekula modellezés alapján igen jó térszerkezeti modell áll rendelkezésünkre. A P680 reakciócentrum klorofillt a feltevések szerint alkotó dimer tagjait a komplex lumenális oldalán a D1 ill. D2 harmadik hélixén található hisztidinek kötik. A Q A és Q B Ÿ a komplex sztróma felöli oldalán, a D2 ill. a D1 proteinek 3. és 4. hélixei közötti régió ž Q Ž œ š g Œ E =œ Ĉ Ž œ ( ˆ: Œ ˆ( œš E š œ+ œ. ªY Š œ Ž. Ÿ +

12 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 37 F e S tro m a Q A Q B P h eo M em b ra n e M n P L u m en A c cesso ry C h ls ábra. A PSII reakciócentrum számítógépes térszerkezeti modellje Nugent és mtsai nyomán. Zöld színnel a D1, kékkel a D2 protein van jelölve

13 A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 38 Irodalmak: Andersson, B. and Styring, S. (1991) Photosystem II: Molecular organization, function, and acclimation. Curr.Top.Bioenerg. 16, 1-81 Debus, R. (1992) "The manganese and calcium ions of photosynthetic oxygen evolution" Biochim. Biophys. Acta 1102, Hansson, Ö. and Wydrzynski, T. (1990) Current perceptions of Photosystem II. Photosynth.Res. 23, Wollmann, F.-A., Manai, L., Nechustai, R. (1999) "The biogenesis and assembly of photosynthetic proteins in thylakoid membranes" Biochim. Biophys. Acta 1411, 21-85