Reakcijski centri: struktura in evolucija biološke sončne energije

1. Reakcijski centri: struktura in evolucija biološke sončne energije Seminar pri predmetu BIOKEMIJA Pripravila: KATJA REPNIK

2. Reakcijski centri = kompleksi pigmenta in proteinov, ki pretvarjajo • elektromagnetno energijo v kemijsko potencialno energijo. • Najdemo jih v rastlinah, algah in v mnogih bakterijskih vrstah, ter se zelo • razlikujejo v sestavi in kompleksnosti. Namen seminarja: Predstaviti nove informacije o strukturi, ki so skupne različnim tipom reakcijskih centrov. Predstaviti spoznanja o razvoju reakcijskih centrov in o možnem izvoru prvega klorofil – proteinskega kompleksa, ki izkorišča energijo sončne svetlobe.

3. Za evkarionte, prokarionte in archee je značilno, da kot vir energije uporabljajo • sončno svetlobo. • Fotosintetske archee, kot na primer Halobacterium, izkoriščajo svetlobno energijo • preko proteina, ki se imenuje bakteriorodopsin in deluje kot črpalka za • svetlobne protone. • Pri evkariontih in prokariontih uporabljajo kompleksi pigment – protein svetlobno • energijo, da potečejo reakcije, pri katerih se vrši prenos elektronov in so združljive • s translokacijo protonov preko membrane, ki je neprepustna za naboje. Protonski • elektrokemični gradient, ki pri tem procesu nastane, je potreben za sintezo ATP in • druge energijsko odvisne procese. • V prokariontskih in evkariotskih fotosintetskih aparatih so za skladiščenje sončne • energije odgovorni antena proteini. Ti kompleksi so sestavljeni iz mešanice proteinov • in pigmentov (klorofili, karotenoidi), ter se pojavljajo v različnih oblikah: • – vstavljeni v membrani, • – pritrjeni na površini.

4. pigmenti absorbirajo svetlobo energija se takoj shrani v obliki vzbujenega elektronskega stanja antena pigmenti prenesejo to vzbujeno energijo do specialnih klorofilnih kofaktorjev v drugem tipu fotosintetskega kompleksa - reakcijskega centra fotokemična reakcija ujame to energijo

5. Reakcijski centri so integrirani na fotosintetsko membrano in jih klasificiramo glede • na terminalne elektronske akceptorje: • skupina z 4-železo-4-žveplo grozdi (Fe-S tip ali Tip I), • skupina z (bakterijskimi)feofitini in kinoni (feofitin – kinon tip ali Tip II). V srednjih 1980 – ih so s kristalografijo (X-žarki) odkrili strukturo tipa II reakcijskih centrov dveh vrst škrlatnih fotosintetskih bakterij; Rhodopseudomonas viridis in Rhodobacter sphaeroides. • 3 polipeptidi in 10 kofaktorjev • L in M polipeptida imata 5 transmembranskih • a-heliksov (škrlatno in zeleno) • H polipeptid (vijolična) zapira citoplazmatsko stran • L in M polipeptida in ima en sam transmembranski • a-heliks. • Kofaktorji so prikazani z rumeno barvo. • Približna postavitev membrane je prikazana • z modro.

6. REAKCIJSKI CENTER FOTOSISTEM II Kombinacija spektroskopije, biokemije in bioinformatike je pokazala, da ima reakcijski center tip II, lociran na jedru fotosistema II (PS II) rastlinskih, alginih in cianobakterisjkih tilakoidnih membranah, mnogo podobnosti z reakcijskimi centri škrlatnih bakterij. To so potrdile elektronske in rentgenske difrakcijske študije PS II kompleksa. Organizacija monomera PS II antena reakcijskega centra. • PSII kompleks termofilne cianobakterije Synechococcus elongatus • kristalizira kot dimer. Prikazana je ena monomerna enota. • - Pri dani resoluciji (3.8 Å) so kot sled Ca modelirani le veliki proteinski • elementi, kot a-heliksi in b-listi. Klorofil a, feofitin a in hem kofaktorji pa • so bili modelirani kor porfirinski obroči. • - Največje podenote PSII (D1, D2,CP43, CP47 in citohrom (Cyt) b559) • spadajo med 24 transmembranskih a-heliksov, ki so jih modelirali • (škrlatna, zelena, rumena, rdeča in svetlo modra). • Prav tako so modelirali 5 dodatnih manjših podenot, vsako s posameznim • transmembranskim a-heliksom (siva barva) + dve od treh zunanje • membranskih podenot (PsbO – temno zeleno, Cyt c550 – rdeče). • 3 podenote na notranji strani membrane niso bile določene in domnevno • ustrezajo nekaterim ali vsem od sedmih nedoločenih transmembranskih • a-heliksov, ki s dokazani iz podatkov o elektronski gostoti (prav tako v • sivi barvi). Na boku kompleksa reakcijskega centra sta dva antena proteina, CP43 in CP47, ki shranjujeta svetlobo.Vsak je sestavljen iz omota šestih membrankih razprtih a-heliksov, ki so povezani z 12 ali 14 molekulami klorofila a.

7. Ureditev kofaktorjev PSII kompleksa Cyt b559 • 36 porfirinskih obročev na eno monomerno enoto, • ki ustrezajo 32 klorofilom a, dvema feofitinoma a • in dvema citohromskima hem-oma, ter enemu • plastokinonu, modeliranemu kot benzenski obroč. • *- oba polipeptida, D1 in D2, se vežeta na dodaten klorofil a, • ki deluje kot kanal za prenos energije iz klorofilov PS II anten • na tiste na reakcijskem centru * Cyt c550 Ključne strukturne komponente reakcijskega centra Kofaktorji, ki katalizirajo reakcijo prenosa elektronov, so urejeni v 2 veji. Vsaka veja sestoji iz 2 klorofilov a, 1 feofitina a in enega ubikinona (QA na veji 1). Nakazan je približen položaj QB kinona. Izboklina v elektronski gostoti glede na C heliks D1 polipeptida je bila pripisana redoks aktivnemu ostanku Tyr161, ki je znan kot TyrZ. QA QB PheD1 PheD2 ? ChlD2 Simetrično urejeni transmembranski a-heliksi L in M polipeptida obdajajo kofaktorje reakcijskega centra. ChlD1 PD1 PD2 TyrZ Mn grozd

8. Dve najbolj očitni razliki med reakcijskim centrom pri škrlatnih bakterijah in PS II • vključujeta redoks reakcije na donorski strani kompleksa. • identiteta vrste, ki re-reducira foto-oksidirani primarni donor elektronov, ki ga • imenujemo P680 v PS II reakcijskem centru. Pri škrlatnih bakterijah foto-oksidiran • P870+ re-reducira elektron, katerega donor je citohrom. V PS II reakcijskem centru, • foto-oksidirano vrsto re-reducira elektron, ki pride iz vode pri reakciji, ki sprosti • molekulo kisika kot stranski produkt. Oksidacija vode vključuje grozd 4 manganovih • atomov v področju, znanem kot kisik-razvijajoči kompleks (ali vodo-oksidirajoči • kompleks), ki je unikaten za PS II reakcijski center. • zelo visok redoks potencial (~ +1.1 V) primarnega donorja elektronov v PS II. • Kako je ta ekstremni redoks potencial dosežen še ni čisto jasno → debate o • identiteti P680 vrste v PS II reakcijskem centru. QA Neaktivna veja Fe Zanimivost strukturnega modela PS II je razmik dveh klorofilov, lociranih bližje lumenalni strani membrane. V reakcijskem centru škrlatnih bakterij so P870 bakterioklorofili zadostno skupaj, da se obnašajo kot dimer. QB Aktivna veja HB HA Kofaktorji sestavljeni iz 4 molekul bakterioklorofila (BA in BB ter P870 dimer), 2 molekul bakterifeofitina a (HA in HB), 2 molekul ubikinona 10 (QA in QB), 1 fotozaščitnega karotenoida (Crt) in ne-hemskega železovega atoma (Fe). BB Crt BA P870

9. REAKCIJSKI CENTER TIP I V kisikovih fotosintetskih organizmih – rastline, alge in cianobakterije, PS II reakcijski sistem deluje skupaj s Tip I reakcijskim centrom, ki se imenuje fotosistem I (PS I). Jedra PsaA in PsaB polipeptidov Tipa I reakcijskih centrov so mnogo večji kot njihovi nasprotniki v kompleksu Tipa II in vsebujejo prbližno 90 klorofilnih molekul, ki shranjujejo svetlobo, kot dodatek k šestim klorofilom, ki so povezani z verigo prenosa elektronov. Veriga prenosa elektronov v Tipu I reakcijskih centrov je bolj ekstenziven od Tipa II in ima vezane tri Fe-S grozde ter 2 kinonska in 6 klorinskih kofaktorjev, ki so značilni za vse znane reakcijske centre. PS I kompleks Synechococcus elongatus • kompleks organiziran v tri osnovne domene • vsak monomer sestoji iz 12 polipeptidov, ki so • povezani s 127 kofaktorji. • glavni strukturni element kompleksa je heterodimer, • sestavljen iz dveh polipeptidov, PsaA in PsaB • (škrlatno in zeleno), vsak ima 11 transmembranskih • a-heliksov

10. Kofaktorji, ki so vključeni v transmembranski prenos elektronov, so obdani s 5 C-terminalnimi membranskimi a-heliksi PsaA (škrlatno) in PsaB (zeleno) polipeptidov. Kot pri Tipu II so heliksi urejeni okoli osi dvojne simetrije. N-terminalne regije polipeptidov PsaA in PsaB prispevajo 6 membransko-razprtih a-heliksov k antena domenam, ki so locirani na obeh straneh jedrnih domen.

11. Nove informacije o strukturi PS I reakcijskega centra dajejo zanimiv vpogled v dolgoletna vprašanja o kompleksu ter prav tako odkrivajo presenetljive posebnosti, kot npr. nove vezavne interakcije med antena klorofili in okolišnimi proteini. Kofaktorji prenosa elektronov Novi podatki o strukturi potrjujejo domnevo, da je primerni donor P700 pravzaprav heterodimer klorofila a in kisikovega C132 epimera klorofila a (klorofil a'). Epimerizacija povzroči veliko spremembo v komformaciji substituenta, pripetega na C13 klorofila in selektivno vklučitev klorofila a' na PsaA strani P700 dimera, kar se kaže v steričnem efektu – struktura proteina prepreči vezavo klorofila a na ta položaj. Novi podatki o strukturi prav tako kažejo na to, kako lahko proteini uskladijo elektrokemijske lastnosti elektronskih akceptorskih kofaktorjev PS I reakcijskega centra v takšni smeri, da lahko delujejo pri zelo nizkem potencialu, potrebnem za reduciranje terminalnih Fe-S redoks centrov.

12. Novejše domneve: • Vloga filokinonov PS I reakcijskega centra → prenos elektronov k Fe-S centrom, ki • predstavljajo en-elektronski redoks center. • Katera izmed dveh vej kofaktorjev katalizira transmembranski prenos elektronov • iz P700 do Fe-S centrov, in preko katerih simetrično urejenih filokinonov • je tako imenovan A1 elektronski prenos vmesnik? Prenos elektronov naj bi potekal v obeh vejah PS I reakcijskega centra. Detektirali so dve hitrosti reoksidacije filokinonskega aniona (18 ns in 160 ns) z optično tehniko v PS II alg Chlorella sorokiniana. Pri katerekoli hitrosti reakcijskega centra, je komponenta A1 elektronskega prenosa ena izmed dveh simetrično urejenih filokinonov.