Reakcióközpont

A reakcióközpont fehérjék, pigmentek és egyéb kofaktorok  komplexuma, amelyek kölcsönhatása biztosítja a fényenergia kémiai energiává alakításának reakcióját a fotoszintézis során . A reakcióközpont vagy az egyik molekulájának közvetlen gerjesztésével, vagy a fénygyűjtő komplexekből származó energiaátvitel révén kap energiát , ami kémiai reakciók láncolatát idézi elő a fehérjéhez kötött kofaktorokon. Ezek a kofaktorok fényelnyelő molekulák (más néven kromoforok vagy pigmentek ), mint például a klorofill , a feofitin és a kinonok . A foton energiáját arra használják fel, hogy az elektront jobban megemeljékmagas energiaszint . Az így tárolt szabad energia egy nagyobb redoxpotenciállal rendelkező elektronakceptor lánc helyreállítására megy el .

Minden fotoszintetikus szervezetnek van reakcióközpontja: zöld növények , algák és sok baktérium . Annak ellenére, hogy a különböző fajokat több milliárd éves evolúció választja el, a reakcióközpontok minden fajban homológok , míg a fénygyűjtő komplexek meglehetősen változatosak. Összességében a reakcióközpontok négy fő típusát különböztetjük meg, beleértve a pigmenteket - P 700 ( magasabb növényekben az I fotorendszerben ), P 680 ( magasabb növényekben a II fotorendszerben ), P 870 ( lila baktériumokban ) és P 840 ( zöldben ). kénbaktériumok ). A fotorendszerek nagy fehérje szuperkomplexumok, amelyeket sok fénygyűjtő antenna vesz körül.

Fényenergia átalakítása töltésleválasztási energiává

Minden zöld növénynek , algának és sok baktériumnak van reakcióközpontja . A Rhodopseudomonas baktérium reakcióközpontja a legjobban tanulmányozott : ez volt az első teljesen megfejtett szerkezetű reakcióközpont, amit a további alegységek nagyszámú hiánya segített elő [1] .

A reakcióközpontot úgy alakították ki, hogy hatékonyan nyelje el a fény energiáját és alakítsa át kémiai formába. Az energia elnyelése után a klorofillok elektronpárt bocsátanak ki, amelyek belépnek az ETC -be.

Einstein kvantumelmélete szerint a fény apró részecskékből áll, amelyek energia- fotonokat hordoznak . Ha egy elegendő energiájú fotont elnyel egy elektron, akkor az elektron új energiaszintre léphet [2] . Az elektronok legstabilabb állapota a legalacsonyabb energiaszinten van. Ebben az állapotban az elektron a legkisebb energiájú pályát foglalja el [3] . A nagyenergiájú elektronok visszatérhetnek eredeti állapotukba, akárcsak egy golyó legurul a létrán. E folyamat során az elektron energiát veszít. Ezt az eljárást alkalmazzák a reakcióközpontban.

A klorofill a molekula elektronikus gerjesztése a redoxpotenciál csökkenéséhez vezet , vagyis a molekula könnyebben ad át elektronokat, ami kulcstényező az elektronikus gerjesztési energia kémiai energiává alakításában. A zöld növényekben számos elektronakceptor található egy elektrontranszport láncban , amely magában foglalja a feofitint , a kinont , a plasztokinont , a citokróm b6f komplexet és a ferredoxint . A láncot a NADPH molekula redukciója teszi teljessé . Az elektron áthaladása az elektrontranszport láncon azt eredményezi, hogy a protonok a kloroplasztisztrómából a lumenbe pumpálódnak, ezáltal protongradiens jön létre a tilakoid membránon , amelyet a sejt felhasználhat az ATP szintézisére az ATP szintáz segítségével . A NADPH -t és az ATP- t egyaránt használják a Calvin-ciklusban a szén rögzítésére .

Baktériumok

Szerkezet

A bakteriális fotorendszer reakcióközpontja
Azonosítók
Pfam PF00124
InterPro IPR000484
PROZIT PDOC00217
SCOP 1 prc
SZUPERCSALÁD 1 prc
TCDB 3.E.2
Elérhető fehérjeszerkezetek
Pfam szerkezetek
EKT RCSB EKT ; PDBe ; EKTj
EKT-összeg 3D modell
 Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon

A bakteriális reakcióközpontok szerkezetének meghatározása fontos lépés volt a biológiai folyamatok kémiájának és a fényenergia asszimilációjának megértése felé. Az 1960-as évek végén Dan Reed és Roderick Clayton volt az első, aki izolálta a Rhodobacter sphaeroides lila baktérium reakcióközponti frakcióját [4] . A kristályszerkezetet először 1982-ben határozta meg Hartmut Michel , Johann Deisenhofer és Robert Huber [5] , amiért 1988-ban Nobel-díjat kaptak [6] . Ez a felfedezés azért volt különösen fontos, mert a bakteriális fotorendszer reakcióközpontja lett az első megfejtett szerkezetű membránkomplexum.

A lila baktériumok reakcióközpontja három alegységből áll. Az L és M alegységek átfogják a membrán lipid kettős rétegét. Szerkezetileg hasonlóak egymáshoz, mindkettőben öt transzmembrán alfa-hélix , négy bakterioklorofill b ( BChl-b ) , két bakteriofeofitin b (BPheo), két kinon (QA és QB ) és egy vasion található köztük, amelyek az L-hez kötődnek. M. Az arannyal jelölt H alegység a plazmamembrán citoplazmatikus oldalán található. Az ábrán nem látható citokróm alegység négy c-típusú hemet tartalmaz, és a membrán külső felületén fekszik. Ennek az alegységnek a jelenléte a baktériumokban nem szükséges. A fotorendszer munkájában az L és M alegységek játsszák a főszerepet, funkcionális kofaktorokat és klorofillokat kötnek meg .

A különböző baktériumfajok reakcióközpontjaiban a bakterioklorofillok és a bakteriofeofitinek kissé eltérőek lehetnek. Ennek a változékonyságnak köszönhetően a baktériumok által elnyelt fény spektruma megváltozik, és ez hozzájárul a speciális fotoszintézis rések kialakulásához . A reakcióközpont a bakterioklorofill a dimerből áll, amely az elnyelt foton energiájának összegyűjtését és átvitelét végzi, valamint a bakteriofeofitin, amely elsőként fogad elektront, és a töltések elsődleges szétválasztását végzi. A BChl szerkezetében hasonlít a zöld növényi klorofill molekulára, de enyhe szerkezeti eltérések miatt az infravörös tartományban van egy abszorpciós csúcsa 1000 nm hullámhosszig. A Bpheo szerkezete majdnem megegyezik a BChl-éval, de a központi magnéziumatomot két proton helyettesíti . Ez a helyettesítés az abszorpciós maximum változásához és a redoxpotenciál csökkenéséhez vezet.

Mechanizmus

A folyamat akkor kezdődik, amikor a fényt két BChl molekula (egy dimer) nyeli el a membrán periplazmatikus oldalán. Ez a speciális párnak nevezett pár fajtól függően 870 és 960 nm hullámhosszú fotonokat nyel el, ezért P 870 -nek ( Rhodobacter sphaeroides ) vagy P 960 -nak ( Rhodopseudomonas viridis ) nevezik. Az L alegységen lévő foton abszorpciója után a töltések szétválnak, és egy elektron kerül át a Bchl-ből a BPheo-ba. A pigment pozitív töltésű marad, míg a BPheo megkapja az átvitt elektron negatív töltését. Ez a folyamat körülbelül 10 px (10–11 másodperc ) [1] .

Ebben a szakaszban a P 870 + és a BPheo - speciális pár töltései rekombinálódhatnak. Ebben az esetben a magas szintű elektron energiája hőre megy kárba. A reakcióközpont számos mechanizmussal rendelkezik, hogy megakadályozza ezt a nemkívánatos folyamatot. Így az elektron visszatérése a BPheo - ból a P 960 + -ba meglehetősen lassú más reakciókhoz képest. A BPheo - (BPheo - BPheová oxidálódott) elektrontranszfer reakciója sokkal gyorsabban megy végbe a kinonba (Q A ), és a P 960 + viszont a reakcióközpont feletti citokróm alegységből elektront vesz el a hemből (P 960 + P 960 -ra csökken ).

A szorosan kötött Q A kinonmolekulán lokalizált nagyenergiájú elektron átmegy egy Q B kinonmolekulához . Ez a molekula gyengén kapcsolódik a fehérjéhez, és könnyen leszakad. Ahhoz, hogy QB - t QH 2 - vé teljesen visszaállítsuk , két nagyenergiájú elektronra van szükség. Ebben az esetben két protont vesznek ki a citoplazmából . A redukált QH2 kinon átdiffundál a membránon egy másik fehérjekomplexbe, a citokróm bc1 komplexbe , ahol oxidálódik. Ebben a folyamatban a QH 2 redukciós potenciált arra használják, hogy két protont pumpáljanak a membránon keresztül a periplazmatikus térbe . Az elektronok a bc 1 komplexből egy kis vízoldható citokróm c 2 fehérjébe kerülnek, amely a citokróm alegységhez juttatja őket, biztosítva az elektrontranszport ciklust .

Hasonló elv szerint épült fel a zöld kénbaktériumok reakcióközpontja , amely közel áll az I. fotorendszerhez . A lila baktériumok fent leírt reakcióközpontjától eltérően azonban a zöld kénbaktériumok PS lineáris, nem pedig ciklikus elektrontranszportot hajt végre, oxidálja a hidrogén-szulfidot vagy tioszulfátot és redukálja a ferredoxint .

A zöld kénbaktériumokban a reakcióközpont öt alegységből áll: PscA-D. Két PscA alegység dimerizál és együtt tart kofaktorokat (egy-egy speciális pár P 840 , bakterioklorofill a és filokinon mindegyik PscA-n és egy Fx vas-kén klaszter között), míg mindegyik köti a PscD és a PscC egy-egy példányát, az utóbbi hordoz hem. A PscB alegység a dimer közepén található, és két vas-kén klasztert köt össze, amelyek elektronokat adnak a ferredoxinnak [7][ a tény jelentősége? ] .

Zöld növények

Oxigén fotoszintézis

1772-ben Joseph Priestley vegyész egy sor kísérletet végzett olyan gázokkal, amelyek részt vesznek a légzési és égési folyamatokban. Az első kísérletben meggyújtott egy gyertyát, és egy fordított edény alá helyezte. Egy idő után a gyertya kialudt. Ezután egy egérrel végzett hasonló kísérletet. Az egér nem sokkal azután meghalt, hogy a gyertya kialudt. Az is kiderült, hogy a levegő újraéleszthető, ha a zöld növényeket légmentesen záródó edénybe helyezzük, így fényhez jutnak. Priestley megfigyelései a fotokémiai reakcióközpontok működésének egyik első bemutatása volt.

1779-ben Jan Ingenhaus több mint 500 kísérletet végzett négy hónap alatt, hogy megmagyarázza a Priestley által felfedezett jelenséget. Felfedezéseit egy könyvben rögzítette Kísérletek zöldségekkel címmel. Ingenhaus zöld növényeket vett, és átlátszó víztartályba merítette. Sok buborékot látott a felszínre emelkedni a növények leveleiből minden alkalommal, amikor a növényt fény éri. Összegyűjtötte ezt a gázt, és számos kísérletet végzett a kémiai természetének meghatározására. A kísérletek feltárták a gáz azon képességét, hogy újraindítsa a parázsló fáklya égését, vagyis kiderült, hogy oxigén , vagy ahogy Joseph Priestley nevezte, „ deflogisztikus levegő”.

1932-ben Robert Emerson professzor és William Arnold diák a flash technikát használta a Chlorella alga klorofillja által termelt kis mennyiségű oxigén pontos mérésére . Kísérleteik bebizonyították, hogy létezik egy fotokémiai központ. Később Gaffron és Vol ismertette a kísérlet eredményeit, felismerve, hogy a klorofill által elnyelt fény energiája átkerül egy helyre [8] , amelyet a II. fotorendszer fotokémiai központjának neveztek. Ez a folyamat a cianobaktériumokban , algákban és zöld növényekben rejlik [9] .

Photosystem II

A Photosystem II két elektront állít elő, amelyek célja a NADH + redukálása a ferredoxin-NADP + -reduktáz enzim segítségével . A kloroplasztokon belüli tilakoid membránokban található , ahol a zöld növényekben fotoszintézis megy végbe [10] . Felépítésében rendkívül hasonló a lila baktériumok fotokémiai központjához , ami egy közös ős létezésére utal.

A II. fotorendszer magja két alegységből áll, amelyeket D1-nek és D2-nek neveznek. Ez a két alegység analóg a bakteriális fotokémiai központok L és M alegységeivel . A bakteriális központok alegységeitől abban különbözik, hogy számos további klorofill -alegységet tartalmaz , ami növeli hatékonyságát. A II. fotorendszer teljes reakciója a következőképpen írható fel:

,

ahol Q jelentése plasztokinon és QH 2  annak redukált formája. A kinonredukció folyamata hasonló a baktériumok fotokémiai központjaiban zajló folyamatokhoz . A Photosystem II fotokémiai oxidációval elektront kap a vízből. Ennek a folyamatnak a mellékterméke a molekuláris oxigén , és ennek köszönhető, hogy a zöld növények oxigénnel gazdagítják a Föld légkörét . Azt a tényt, hogy a zöld növények által termelt oxigén vízből származik, először a kanadai származású amerikai biokémikus , Martin David Kamen bizonyította . Annak érdekében, hogy nyomon kövesse az oxigénatom útját a víztől a molekuláris oxigénig, a természetes stabil oxigénizotópot , a 18 O-t használta. A víz fotokémiai oxidációját a II. fotorendszer fotokémiai központjában egy négy mangániont tartalmazó fehérjekomplex katalizálja .

Akárcsak a baktériumok fotokémiai központjában , a folyamat egy pár klorofill molekula általi fényelnyeléssel kezdődik. A zöld növények a bakterioklorofill a helyett inkább klorofillt használnak , aminek köszönhetően rövidebb hullámhosszú fényt nyelnek el. Egy fotokémiai reakciócentrum klorofillpárját gyakran abszorpciós maximumuk alapján P 680 -nak nevezik [1] . A foton abszorpciója után a nagy energiájú elektron átjut a feofitin molekulához . A feofitin molekulából két plasztokinon molekulára jut át  ​​– az egyik szilárdan, a másik gyengén kötődik, hasonlóan ahhoz, ahogy ez a bakteriális reakcióközpontokban történik. Egy lazán kötött plasztokinon molekula teljes redukciójához két magas szintű elektronra és két protonra van szükség a stromából .

A Photosystem II különbözik a baktériumok reakcióközpontjától az elektronok forrásában, amelyek redukálják a klorofill a molekulapárt. A baktériumokban az elektronokat a citokróm alegység redukált hem csoportjából vagy a vízben oldódó citokróm c2 fehérjéből veszik .

A töltésleválasztási folyamat befejezése után a P 680 molekula pozitív töltésű marad. Ez egy nagyon erős oxidálószer, és két elektront vesz el a közeli mangánközponthoz kapcsolódó vízmolekulákból. Ez a központ négy mangánionon kívül egy kalciumiont , egy kloridiont és egy tirozin - maradékot is tartalmaz. A mangán hatékonysága annak köszönhető, hogy négy oxidációs állapota van: Mn 2+ , Mn 3 + , Mn 4+ és Mn 5+ . Ezenkívül a mangán jól kötődik az oxigént tartalmazó vegyületekhez, például a vízhez.

A P 680 egy fotont elnyelve elveszít egy elektront és pozitív töltést kap. Ezt a töltést semlegesítjük, ha a mangánközpontból egy elektront veszünk. A víz oxidálásához négy elektronra van szükség. A vízmolekulák azok az elektronok forrásai, amelyek két Q molekulát QH 2 -re redukálnak . Ilyen katalitikus vízhasító központot még semmilyen mesterséges módszerrel nem hoztak létre.

Photosystem I

A II. fotorendszer elhagyása után az elektron átkerül a citokróm b6f komplexbe , majd onnan a plasztocianin fehérjébe . A plasztocianin a lumenben a következő reakcióközpontba, az I fotorendszerbe diffundál , és egy elektront továbbít.

A II. fotorendszerhez és a bakteriális reakcióközponthoz hasonlóan a folyamat egy pár klorofill a molekulával kezdődik, amelyben fotoindukált töltésszétválás következik be. Ezt a párost P 700 - nak nevezik , ahol 700 a klorofillmolekulák maximális abszorpciójának hullámhossza. A P 700 a fehérjemolekula közepén található. A töltés szétválása után az elektron a transzportláncon keresztül a klorofill a molekulákhoz , a kinon molekulához, három 4Fe-4S vas-kén klaszteren keresztül a ferredoxinhoz [11] . A ferredoxin egy oldható fehérje, amely 2Fe-2S klasztert tartalmaz, amelyet négy cisztein csoport koordinál . A P 700 - nál megmaradó pozitív töltést a plasztocianinból származó elektronok elektronátvitele semlegesíti . A reakció általános képlete az I. fotorendszerben:

Az I. és II. fotorendszerek közötti kölcsönhatás elektronáramlást hoz létre a H 2 O-ból a NADP + felé . Ezt a fotoszintézis Z-sémájának nevezik, mivel a P 680 -tól P 700 -ig tartó elektronátviteli út redox diagramja úgy néz ki, mint a Z betű [12] .

Lásd még

Jegyzetek

Cikkek

  1. ↑ 1 2 3 Biokémia: Ötödik kiadás archiválva : 2010. május 31., a Wayback Machine , 19. fejezet.
  2. ↑ Understanding the atom Archiválva : 2015. május 9. a Wayback Machine -nél (2000). Letöltve: 2010. február 28.
  3. ↑ Arie Uittenbogaard (2005). Kvantummechanika archiválva : 2015. február 8., a Wayback Machine oldalon . Letöltve: 2010. február 28.
  4. ↑ Reed, D. W. és Clayton, R. K. (1968). Reakciócentrum frakció izolálása Rhodopseudomonas spheroidesből. Biokémiai és biofizikai kutatási közlemények , 30 (5), 471-475.
  5. ↑ Egy membránfehérje komplex röntgensugaras szerkezetének elemzése. Elektronsűrűség térkép 3 angström felbontással és a Rhodopseudomonas Viridis fotoszintetikus reakcióközpont kromoforjainak modellje. Deisenhofer és mtsai. J.MOL.BIOL. kötet:180, oldal:385 (1984)
  6. ↑ A kémiai Nobel-díj 1988 . Hozzáférés dátuma: 2015. február 7. Az eredetiből archiválva : 2014. március 28.
  7. ↑ Hauska G , Schoedl T , Remigy Hervé , Tsiotis G. A zöld kénbaktériumok reakcióközpontja1 Dedicated to the memory of Jan Amesz.1  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2001. - október ( 1507. évf. , 1-3. szám ). - S. 260-277 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/S0005-2728(01)00200-6 .
  8. ↑ Mohammad Yunus et al. (2000). A Photosynthesis Research mérföldkövei archiválva 2014. május 24-én a Wayback Machine -nél . Letöltve: 2010. február 28.
  9. ↑ Gary E. Kaiser (2003. február 24.) Oxigén fotoszintézis Bakteriális növekedés és mikrobiális anyagcsere. Letöltve: 2010. február 28.
  10. ↑ A kloroplaszt Archiválva az eredetiről 2003. augusztus 3-án. (2003. augusztus 10.) Ultranet biológia
  11. ↑ Jagannathan, Bharat; Golbeck, John. Fotoszintézis: mikrobiális  (angol)  // Encyclopedia of Microbiology 3rd Edit : könyv. - 2009. - P. 325-341 . - doi : 10.1016/B978-012373944-5.00352-7 .
  12. ↑ The Z-Scheme Diagram of Photosynthesis Archivált 2014. június 25-én a Wayback Machine -nél , készítette: Rajni Govindjee. Letöltve: 2010. február 28.

Források

Linkek