Vznik protonmotivní síly při fotosyntéze

Srovnání respiračních a PS řetězců BENG - Photo Srovnání respiračních a PS řetězců + 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 Typy fotosyntetických organismů 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 BENG-membrány Fotosyntetizující baktérie Tři skupiny: 1) zelené baktérie - cyklus C v mořích 2) purpurové baktérie - sirné - nesirné 3) cyanobaktérie („modrozelené řasy“) symbionti - lišejníky

Archebaktérie Halobacterium BENG-membrány Archebaktérie Halobacterium Halobaktérie: * unikátní systém přeměny světelné energie * život v extrémních podmínkách solných jezer bakteriorhodopsin = světlem poháněná protonová pumpa

Rekonstituované systémy BENG-membrány Chemiosmotická teorie: „…funkční oddělitelnost primární a sekundární protonové pumpy…“ „rekonstituční experimenty“ - inkorporace purifikovaných protonových pump do umělých membránových systémů

Fotosyntéza u Rhodobacter BENG - Photo Fotosyntéza u Rhodobacter www.rhodobacter.org * velmi variabilní metabolismus * schopnost fotosyntézy, litotrofie, aerobního i anaerobní respirace, fixace N2 * nejvíce prozkoumané (purifikace komponent, RTG struktura, ..)

Kluster fotosyntetických genů BENG - Photo Kluster fotosyntetických genů Rhodobacter sphaeroides - genome

Cyklický přenos e- poháněný světlem BENG - Photo Cyklický přenos e- poháněný světlem zjednodušené schéma (např. existují alternativní cytochromy schopné nahradit cyt c2)

Přenos e- ve vztahu k redoxním potenciálům Bakteriochlorofyl excitovaný světlem Reverzní tok e- pro redukci NAD+ Necyklický tok e- na finální akceptor O2 BENG - Photo

„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 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 Model uspořádání světlosběrných komplexů LH1 = 1616 cylindr vyplněný reakčním centrem LH2 = 99 cylindr vyplněný fosfolipidy R. spheroides 10 ps 40 ps 1 ps 3 ps přenos delokalizovanými excitony

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 Bakteriální PS centrum atom Fe ubichinon atom Mg bakteriochlorofyl

Úloha lipidů ve struktuře PS centra BENG - Photo Kardiolipin ve PS centru Rhodobacter sphaeroides Anionické lipidy – důležitá úloha ve funkcí membrán (prostředí pro integrální proteiny PS a respiračních komplexů

Schéma bakteriálního fotosyntetického centra UQH2 h 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 * UQBH2 2 H+ + e- e- e- + e- e- + e- e- BENG - Photo

Shrnutí - Rhodobacter 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 Přenos e- v zelené sirné baktérii podobnost fotosystému II u rostlin feredoxin = nižší potenciál umožňuje přímou redukci NAD+ bez reverzního toku fylochinon Fe-S centra feredoxin menachinon BENG - Photo

Shrnutí PS v rostlinách BENG - Photo Shrnutí PS v rostlinách

Membrána thylakoidu BENG - Photo

Rostliny – schéma PS I a PS II BENG - Photo možnost necyklického toku e- na terminální akceptor dvě nezávislé světelné reakce pro redoxní rozsah H2O/O2 a NADP+ inhibice inhibice

BENG - Photo Chlorofyl a

Další pomocné pigmenty BENG - Photo Další pomocné pigmenty

BENG - Photo Pigmenty na podzim …

Světlosběrná anténa thylakoidů BENG - Photo LHC II monomer: - transmembránové helixy A, B, C, D

Schema přenosu energie v PS BENG - Photo Schema přenosu energie v PS

Organizace peptidů a kofaktorů PSII BENG - Photo Organizace peptidů a kofaktorů PSII cyanobaktérie Synechococcus

BENG - Photo Komplex PSII

PSII v elektronovém mikroskopu BENG - Photo PSII v elektronovém mikroskopu špenát Arabidopsis

Reakce štěpení vody v PS II BENG - Photo e- h potřeba 4 kvanta pro odebrání 4 e- z H2O e- S0 S1 2H+ e- H+ e- H+ S2 S4 h e- e- S3 h e- h e-

Struktura PS I Synechococcus BENG - Photo RTG struktura v rozlišení 2,5 Ǻ Nature 2001 Struktura PS I Synechococcus

Struktura PS I - S.elongatus BENG - Photo

BENG - Photo Struktura PS I 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

Fyziologické cyklování e- v thylakoidu BENG - Photo Fyziologické cyklování e- v thylakoidu

Regulace struktury thylakoidu fosforylací BENG - Photo Regulace struktury thylakoidu fosforylací fosforylace vede ke změně poměru zhuštěných oblastmi (více PSII)

Halobacterium sp. BENG - Photo

Bakteriorhodopsin Protein se 7 transmembránovými helixy BENG - 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 bakteriorhodopsinu BENG - Photo Dráha H+ v bakteriorhodopsinu

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

Důležité konformační změny bakteriorhodopsinu BENG - Photo Důležité konformační změny bakteriorhodopsinu animace

Halorhodopsin Archebaktérie Halobacterium salinarium BENG - 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

BENG - Photo Halorodopsin model halorhodopsinu podélný řez příčný řez

Popis cyklus halorodopsinu BENG - 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

BENG - Photo Příště: ATP synthasa