Photosynthetische Reaktionszentreny

Hendrik Küpper, Vorlesungsreihe “Einführung in Bau und Funktion der Pflanzen”, Sommersemester 2013

Photosystem = Antenne + ReaktionszentrumLicht

Die Antennen absorbieren die Photonen und leiten deren Energie in die R kti t it Di i d R kti t l it t E itReaktionszentren weiter. Die in das Reaktionszentrum geleiteten Excitonen bewirken dort eine Ladungstrennung.

Einfachstes Reaktionszentrum:Reaktionszentrum:

Reaktionszentrum der Halobakterien

(Bakteriorhodopsin)

von: commons.wikimedia.org

Reaktionszentrum der Halobakterien

(Bakteriorhodopsin): M h iMechanismus

on ALSNe s Vol 148 March 15 2000

von: upload.wikimedia.org

von: ALSNews Vol. 148, March 15, 2000

Vergleich der Reaktionszentren vonVergleich der Reaktionszentren von Purpurbakterien und Pflanzen/Cyanobakterien

Von: aslo.com, jgi.doe.gov

Hans Deisenhofer Hartmut Michel und Robert Huber (1984):Hans Deisenhofer, Hartmut Michel und Robert Huber (1984):Reaktionszentren-Struktur (Nobelpreis 1988)

Von: upload.wikimedia.orgVon: Deutsches Museum

Reaktionszentrum der Purpurbakterien(Rhodopseudomonas viridis)

L M

Elektronentransport nur über die L-Seite; Geschwindigkeit der Energieübertragung im PSII-

R k iReaktionszentrum

L-SeiteM-Seite

Funktion des Reaktionszentrums von Purpurbakterien...

Von: commons.wikimedia.org

Von: Cardona T, et al (2012) Biochimica et Biophysica Acta 1817, 26-43

Photosystem II Reaktionszentrum

Von: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

bildet Dimere mindestens 15 Transmembranproteine + 3 gut charakterisierte extrinsische Proteine

Mechanismus der Ladungstrennung

1. “Special pair”-Chlorophylle (=P680) übernehmen Excitonen (=angeregte Zustände)

Aus: Barber J, 2003, QuartRevBiophys36, 71-89

p p p y ( ) ( g g )von der Antenne 2. ChlD1 überträgt Elektron auf Phäophytin (“initial charge separation”) 3. Binnen weniger ps wird das e- vom "special pair" P680 auf ChlD1 übertragen

(“primary charge separation” ( P680+ / Phe-)

... Photosystem II in Pflanzen, P b kt i

Reaktionszentrum von...otosyste a e ,

Algen, Cyanobakterien ... Purpurbakterien

Reaktionszentrum II ist mit einem wasserspaltenden Komplex gekoppelt!Von: Cardona T, et al (2012) Biochimica et Biophysica Acta 1817, 26-43

Der wasserspaltende Komplex ist an der Lumenseite der Thylakoidmembran lokalisierty

An der Bindung des Clusters sind 4 Proteine beteiligt:OEC33 33 kDa ProteinOEC23 23 kDa ProteinOEC23 23 kDa ProteinOEC17 17 kDa ProteinOEC10 10 kDa Proteins

Funktionsschema des Wasserspaltungsapparates

1970 Pierre Joliot & Bessel Kok schlagen das "S-states“- Modell der Ladungsakkumulation on schrittweisen Wasseroxidation vor

Aber: Nur 2 der 4 Mn-Ionen sind redox-aktiv (2+ bis 5+): sie übernehmen Elektronen von Aber: Nur 2 der 4 Mn Ionen sind redox aktiv ( ): sie übernehmen Elektronen von Wasser und übergeben sie an P680 Ca2+ hilft bei der Bindung des Wassers

Photosystem II Reaktionszentrum:Tyrosin Z als Elektronenübeträger

i h OEC d " i l i "zwischen OEC und "special pair"

Von: Hoganson CW, Babcock GT (1997) Science 277, 1953-1956

TyrZ erleichtert den Elektronentransfer

Nicht-Häm-Eisen im Photosystem II Reaktionszentrum

Aus: Utschig LM, Thurnauer MC, 2004, AccChemRes37, 439-47Aus: McEvoy JP, Brudvig GW, 2006, Chemical Reviews 106, 4455-83

Nahe der Stromaoberfläche des PSIIRZ Nahe der Stromaoberfläche des PSIIRZ Hilft bei Elektronenübertragung von QA nach QB

Photosystem II Reaktionszentrum:Zusammenfassung der ElektronentransferschritteZusammenfassung der Elektronentransferschritte

Aus: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

Robert Emerson (1957)“Red drop” und “Enhancement effect” zeigen die Existenz ed d op u d a ce e t e ect e ge d e ste

zweier kooperierender Photosysteme

Mit Zusatzlicht

cklu

nger

stof

fent

wic

Ohne Zusatzlicht

ute

der S

aue

ante

naus

be

Von: commons.wikimedia.org

Von: www.life.illinois.edu/govindjee/papers/ (übersetzt)

Wellenlänge (nm)

Qu

Photosystem I Reaktionszentrum(a) Übersicht(a) Übersicht

Strukturlle Charakteristica bildet Trimere 12 Untereinheiten pro

Monomer 127/133 Kofaktoren pro

Monomer (Cyanos/Pflanzen): 96/102 Chlorophylle 22 C i id22 Carotinoide2 Phylloquinone3 [Fe4S4] Cluster4 Li id4 Lipide

Von: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

Photosystem I Reaktionszentrum(b) Funktion

-580 mV

Primäre Ladungstrennung:

(b) Funktion

-520 mV

g g“special pair” (=P700, Chl a / Chl a’ Heterodimer), gibt e- an A0 ab via A (beides Chl a) e- Transport via A1 (Phylloquinon) und die [4Fe4S]-

-800 mV

-705 mV e Transport via A1 (Phylloquinon) und die [4Fe4S]

cluster Fx, FA & FB auf den [4Fe4S]-Cluster von Ferredoxin P700 wird re reduziert durch Plastocyanin

-1000 mV

P700 wird re-reduziert durch Plastocyanin

+430 mV

Von: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

Bindung von Eisen in Eisenproteinen

Häm

Wichtige Typen

Von: dasher.wustl.edu

Wichtige Typen von Eisen-Schwefel-ClusternClustern

Von: www.chem.ox.ac.uk

Metalle in photosynthetischen Proteinen

FNRFe3+/2+

Mg2+

A0, A1F

P700*

Mg2+

P680*

Antennen Chl-Protein Komplexe,

FdPhe Fe

FxFA, FB

QA4 h·ν

Chl

Hauptprotein:LHCII4 h·ν PQ

Elektronen-t t

FeQB Cyt b6/f

komplex

EETChlChl

ChlChl

Chlcyt b559,cyt c

PCtransport

P700

p

P680

Excitations-energie-transfer

C

Ca2+ C +/2+

cyt c550

2 H2O O2 + 4 H+

P680

WSC 4 e-Ca2 Cu+/2+

Mn3+/4+

Vergleich der Purpurbakterien

gReaktionszentren (I)

Von: unten: Charmain Ng et al. (2010) The ISME Journal 4, 1002–1019; rechts: Kyong-Hi Rhee, Edward P. Morris, James Barber, Werner

Kühlbrandt (1998) Nature 396, 283-286

Photosystem II

GrüneSchwefel-bakterien

Photosystem I

Cytoplasma

Periplasma

Vergleich der Reaktionszentren (II)P b kt i Ph t t II G ü S h f lb kt iPh t t IPurpurbakterien Photosystem II Grüne SchwefelbakterienPhotosystem I

Phäophytin-Chinon-Typ

Fe-S-Typ

Von: www.els.net, curtbowen.smugmug.com

Von: aslo.com, jgi.doe.gov

D1 Protein vom PSII Reaktionszentrum bindet Herbizide

DCMU

Problem von PSII-Herbiziden: Bildung von Resistenzen durch Mutation einer einzigen Aminosäure (Ser 264 Gly)durch Mutation einer einzigen Aminosäure (Ser 264 Gly)

Von: plantsinaction.science.uq.edu.au

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