Vznik protonmotivní síly

při fotosyntéze

Srovnání respiračních a PS řetězcůBENG - Photo

+ protonový obvod - tvorba p (podobná hodnota cca 200mV)

+ transport elektronů

+ proteinové složky (cytochromy, Fe-S centra, chinony …)

+ ATP synthasa – rozdíly pouze v detailech

Specifika PS systémů:

A) světlosběrné antény

-pohlcení kvanta světla a přechod do excitovaného stavu

B) reakční centra

P* P+ P

- e- + e-

Typy fotosyntetických organismů

BENG - Photo

1) Oxygenní fotosyntetické baktérie

- chlorofyl (prokaryontní fytoplankton)- cyanobaktérie (sinice)

2) Anaerobní anoxygenní fotosyntetické baktérie (dna jezer a moří, sedimenty, sirné prameny, ..)

- bakteriochlorofyl purple non-sulfur photosynthetic bacteria

3) Aerobní anoxygenní fotosyntetické bakterie

- Erythrobacter, Roseobacter („zelené baktérie“ - až 9% oceánských baktérií)

- heterotrofní (acetát, butyrát, glukosa…)

4) Červené řasy (Rhodophyta) -

5) Zelené řasy a rostliny

- chlorofyl (eukaryontní fytoplankton)

Fotosyntetizující baktérie

Tři skupiny:

1) zelené baktérie

- cyklus C v mořích

2) purpurové baktérie

- sirné

- nesirné

3) cyanobaktérie

(„modrozelené řasy“)

symbionti - lišejníky

BENG-membrány

Archebaktérie Halobacterium

Halobaktérie:Halobaktérie:

* unikátní systém přeměny světelné energie

* život v extrémních podmínkách solných jezer

BENG-membrány

bakteriorhodopsin

= světlem poháněná protonová pumpa

Rekonstituované systémy

Chemiosmotická teorie: „…funkční oddělitelnost primární a sekundární protonové pumpy…“

„rekonstituční experimenty“ - inkorporace purifikovaných protonových pump do umělých membránových systémů

BENG-membrány

Fotosyntéza u RhodobacterBENG - Photo

www.rhodobacter.org * velmi variabilní metabolismus

* schopnost fotosyntézy, litotrofie, aerobního i anaerobní respirace, fixace N2

* nejvíce prozkoumané (purifikace komponent, RTG struktura, ..)

Kluster fotosyntetických genůBENG - Photo

Rhodobacter sphaeroides - genome

Cyklický přenos e- poháněný světlem

BENG - Photo

- zjednodušené schéma

(např. existují alternativní cytochromy schopné nahradit cyt c2)

Přenos e- ve vztahu k redoxním potenciálům

BENG - Photo

Bakteriochlorofyl excitovaný

světlem

Reverzní tok e- pro redukci NAD+

Necyklický tok e- na finální akceptor

O2

„Antény“ – základní koncept PS BENG - Photo

Anténa = uspořádání polypeptidů a pigmentů v membráně

* zvýšení absorbční hustoty v membráně a výsledný efektivnější přenos e- na redoxní centrum

* větší rozsah absorbované vlnové délky* nejsou nezbytné pro PS (mutanti žijí ..)

Rhodobacter

- absorbční max. 870nm

- na 1 foton E = 1,42eV

- účinnost 70%

Přenos excitační energie v anténách

BENG - Photo

Většina molekul Bchl ~ absorbce světla s 870nm= nutný přenos na nižší energetické hladiny odpovídající

870nm

1)přenos resonanční energie * překryv fluorescenčního emisního spektra donoru a

excitačního spektra akceptoru* závisí na relativní orientaci a vzdálenosti (do 20 Ǻ)

2) spřažení delokalizovaných excitonů* efektivní sdílení orbitalů na blízké vzdálenosti (do

15 Ǻ)* na malé vzdálenosti daleko rychlejší než

resonanční přenos* typické pro excitované karotenoidy – krátký čas

života

Model uspořádání světlosběrných komplexů

BENG - Photo

LH2 = 99 cylindr

vyplněný fosfolipidy

LH1 = 1616 cylindr vyplněný reakčním

centrem

R. spheroides

přenos delokalizovanými excitony

10

ps 40

ps 1

ps 3

ps

Bakteriální fotosyntetické centrum BENG - Photo

* R.viridis : první 2 membránové proteiny s vyřešenou RTG-strukturou

* R. sphaeroides : více prozkoumané na funkční úrovni – podobnost PS II zelených rostlin - 3 polypeptidy H, L, M

- 4 molekuly bakteriochlorofylu (BChl)- 2 molekuly bakteriofytinu (Bpheo)- 2 molekuly ubichinonu (UQ)- 1 molekulu nehemového Fe bakteriofytin

Bakteriální PS

centrum

BENG - Photo

bakteriochlorofyl

atom Mg

atom Fe

ubichinon

Úloha lipidů ve struktuře PS centraBENG - Photo

Anionické lipidy – důležitá úloha ve funkcí membrán (prostředí pro integrální proteiny PS a respiračních komplexů

Kardiolipin ve PS centru Rhodobacter sphaeroides

Schéma bakteriálního fotosyntetického

centra

BENG - Photo

Přechod elektronu jednou větví reakčního centra Rhodobacter sphaeroides

-„P870“ = dimer BChl, po absorbci kvanta ztrácí e-

- ox.BChl+ má EPR signál

- další molekula BChl zprostředkuje přenos na Bpheo

- stabilizace radikálu UQ.- vazbou na protein

- 2 molekuly UQ = převod procesu na 2-elektronový a tvorba p

e-

e-

e-e-

e-

e-e-

2 H+

UQH2

*

+

+

+

UQBH2

h

Shrnutí - Rhodobacter

BENG - Photo

Bakteriochlorofyl excitovaný

světlem

Reverzní tok e- pro redukci NAD+

Necyklický tok e- na finální akceptor

O2

BENG - Photo

Přenos e- v zelené sirné baktérii

BChl´= odlišná struktura ve srovnání s Rhodobacter

fylochinon

Fe-S centra

feredoxin

menachinon

-podobnost fotosystému II u rostlin

-feredoxin = nižší potenciál umožňuje přímou redukci NAD+ bez reverzního toku

BENG - Photo

Shrnutí PS v rostlinách

Membrána thylakoiduBENG - Photo

Rostliny – schéma PS I a PS II

BENG - Photo

1) možnost necyklického toku e- na terminální akceptor

2) dvě nezávislé světelné reakce pro redoxní rozsah H2O/O2 a NADP+

inhibice

inhibice

BENG - PhotoChlorofyl a

BENG - PhotoDalší pomocné pigmenty

BENG - PhotoPigmenty na podzim …

BENG - PhotoSvětlosběrná anténa thylakoidů

LHC II monomer:

- transmembránové helixy A, B, C, D

BENG - PhotoSchema přenosu energie v PS

Organizace peptidů a kofaktorů PSII

BENG - Photo

cyanobaktérie Synechococcus

Komplex PSII

BENG - Photo

PSII v elektronovém mikroskopuBENG - Photo

Arabidopsisšpenát

BENG - Photo

potřeba 4 kvanta pro odebrání 4 e- z H2O

Reakce štěpení vody v PS II

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

H+

H+

h

h

h

h

S2

S3

S4

S0 S1

2H+

BENG - Photo

Struktura PS I Synechococcus

RTG struktura v rozlišení 2,5 Ǻ

Nature 2001

Struktura PS I - S.elongatusBENG - Photo

Struktura PS I

BENG - Photo

Text

Energetické poměry PS I – S.elongatus

BENG - Photo

JBC (2001) 273, 23429

Stechiometrie přenosu náboje a tvorby p

BENG - Photo

- přenos 6 H+ do P-fáze na každé 2 e- přenesené na NADP+

Fyziologické cyklování e- v thylakoidu

BENG - Photo

Fyziologické cyklování e- v thylakoidu

BENG - Photo

BENG - Photo

fosforylace vede ke změně poměru zhuštěných oblastmi (více PSII)

Regulace struktury thylakoidu fosforylací

Halobacterium sp.BENG - Photo

BakteriorhodopsinBENG - Photo

• Protein se 7 transmembránovými helixy

• Retinal - kovalentně vázaný aldehydickou skupinou – Schiffova báze

- objeven v Halobacterium salinarum (dříve Halobium)

- světlem poháněna pumpa H+ ven z buňky

- složitý cyklus - nejméně 7 kroků

- pravděpodobně v dalších eubaktériích

Dráha H+ v bakteriorhodopsin

u

BENG - Photo

Fotocyklus bakteriorhodopsinu

BENG - Photo

1) Fotoizomerizaci retinalu z all-trans na 13-cis - cca 5 ps.

2) Přeměna K590 na L550 intermediát - zesílení vodíkové vazby mezi protonovanou Schiffovou bazí a Asp-

85

3) 1.transfer protonu: z L550 na M410(EC) - transfer H+ z Schiffovy base na Asp-85 v extracellularním kanálu

4) 1. překlopení z extracellularní na cytoplasmatické : M410(EC) to M410(CP)

- de- a reprotonace na úrovni intermediátu M410(EC) to M410(CP)

5) 2. transfer protonu: z M410(EC) na N560 - reprotonace Schiffovy baze z Asp-96 v cytoplasmatickém kanálu

6) Thermoisomerace retinal z 13-cis na all-trans: N560 to O640 -isomerizace retinalu v prostředí protonovaných Asp-96 a Asp-85

7) 2. překlopení z cytoplasmické do extracellularní- deprotonace Asp-85 dokončuje katalytický cyklus

Fotocyklus bakteriorhodopsinu

BENG - Photo

BENG - Photo

Důležité konformační

změny bakteriorhodopsin

u

animace

HalorhodopsinBENG - Photo

Archebaktérie Halobacterium salinarium

- světlem poháněná pumpa aniontů do buňky (Cl, NO3,..)

- absorbce zelené světlo, max. 578 nm- existuje celá řada světlem poháněných pump u archebaktérií a eubaktérií

- společné: obsah retinalu

Např. protorhodopsin – mořský bakterioplankton

HalorodopsinBENG - Photo

model halorhodopsinu

-podélný řez

-příčný řez

Popis cyklus halorodopsinuBENG - Photo

1) Fotoisomerizace retinalu z all-trans na 13-cis formu - cca 5 ps

2) Přenos prvního Cl-

- zahrnuje přesun chloridů v externím kanálu – v řádově ms

3) První převrácení dostupnosti z extracelární na cytoplasmatickou:

- změna polohy a dostupnosti Schiffovy báze

4) Přenos druhého Cl-- pohyb chloridu z Schiffovy báze přes Thr-203 na

cytoplasmatický povrch – řádově ms

5) Termoisomerizace retinalu z 13-cis na all-trans 2.převrácení dostupnosti z cytoplasmatické na extracelulární

- návrat do původního stavu – řádově ms

Příště:

ATP synthasa

BENG - Photo