Фотосинтез: что делать, когда все, что можно, уже

Фотосинтез: что делать, когда все, что можно, уже окислилось? а/ умереть от отсутствия энергии б/ найти способ «регенерации» восстановленных соединений : СО 2 + Н 2 О → (СН 2 О) + О 2 Для этого необходимо: 1. Найти «псевдонеиссякаемый» источник энергии (вспоминая первую лекцию – безотказного кредитора для безнадежной игры…) 2. Придумать систему трансформации этой энергии в энергию восстановленных соединений. Псевдонеиссякаемый источник энергии на Земле – только энергия звезды по имени Солнце… Таким образом, основные задачи : • поймать энергию солнечных квантов • преобразовать ее в энергию восстановленных соединений.

β — каротин Михаил Семенович Цвет СНО Хлорофилл b. СН 3 Хлорофилл a. Д р уги е ка р о ти н о и д ы

Хлорофилл: двуликий Янус Red-Ox реакций Хлорофиллов > 10: Хл. а, b, c 1 , с 2 , d, e ; Б-хл. a, b, c, d. Единственная молекула которая может: 1. Поглощать h ν и трансформировать эту энергию в е-* 2. Обратимо окисляться, т. е. отдавать е -* с последующим заполнением «дырки» Т. о. иметь два Е o ’

Различия между хлорофиллами Хл. а Хл. с 2 Хл. d Бхл. а Бхл. с. Хл. с 1 2 Бурые, диатомовые Красные

Основные структурные особенности молекулы хлорофилла • Конъюгированная система двойных связей: основная 18 -членная π — система + дополнителные в I, II, V кольцах. • Mg – минимум электроотрицательности; изменяет симметрию молекулы хлорофилла; «активирует» электроны пиррольных азотов • V -кольцо – «форбиновая структура» : две важных группы: карбонильная при С 9 (участвует в n – π переходах) и кетоэфирная при С 10 – транс- (хл-л а) или цис- (хл-л а ’ ). • Гидрофобный «хвост» (обычно С 20 – фитол). Структурная роль.

δ -амнолевулиновая кислота – проедшественник гема и хлорофиллов.

Спектры поглощения хлорофиллов Почему видимый свет ? 1. Оптимум энергии: 1 – 3 эв. 2. Максимальная «прозрачность» атмосферы для этих длин волн – более 50%. Хлорофиллы имеют два максимума поглощения — в красной области спектра (640 -700 нм) и в синей — 400 -450 нм. Каротиноиды поглощают в области 400 — 50 нм, главный максимум 480 нм

Энергетические уровни хлорофилла

Белковое окружение изменяет спектр поглощения хлорофилла

Первичные процессы фотосинтеза – временные интервалы различаются на 6 -7 порядков

Простейшая схема фотосинтеза — пурпурные бактерий. За счет работы b 6 c 1 -комплекса протоны «перекачиваются» через мембрану и за счет образующегося Δ µ Н + синтезируется АТФ. Но главная задача не решена – нет образования восстановленных соединений.

Вторая простейшая схема фотосинтеза — серные зеленые бактерий. Восстановленные соединения образуются! +0, 3 0 -0, 3 -0, 6 -0, 9 -1, 2 E m

Основные требования к донору электронов: 1. Ео’ меньше Ео’ хл+ (т. е. может отдавать е- на хл+ ) 2. Продукты окисления нетоксичны (желательно) 3. Его должно быть много Н 2 S – хорош по всем параметрам, кроме последнего: 1. Е о’ н 2 S = — 0, 23 – электрон достаточно легко «забрать» 2. Продукт окисления (сера) — легко уводится из реакции Н 2 О – отвратителен по всем параметрам, кроме последнего: 1. Е о’ н 2 о = +0, 82 – очень много, электрон «оторвать» трудно 2. Продукт окисления (кислород) — очень токсичен. Но последний фактор оказался решающим. Очередная проблема: где взять источник (донор) электронов (окисляемое соединение)?

Как решить проблемы водички в качестве донора электрона? Энергия квантов видимого света. 400 нм ( синий свет) — 700 нм (красный свет) λ энергия фотона Δ Ео’ 1 моль фотонов 700 нм 0, 28 аттодж. 1 , 77 э-в 1 , 7 в 171 кдж 640 нм 0, 31 аттодж. 1, 94 э-в 1, 9 в 187 кдж 500 нм 0, 40 аттодж. 2, 48 э-в 2, 4 в 239 кдж 400 нм 0, 50 аттодж 3, 1 э-в 3. 0 в 299 кдж Энергии кванта света (с учетом затрат на стабилизацию — ~ 50%) не хватает , чтобы и окислить воду, и восстановить НАДФ +. Что делать?

Гениальное решение: соединить две фотосистемы!

Z -схема: оптимальное сочетание фотосистем позволяет «втиснуть» между ними еще и b 6 f- комплекс

Кофакторы ЭТЦ фотосинтеза: знакомые все лица. . . 2 Fe-2 S и 4 Fe-4 S -белки, хиноны (пластохиноны и филохинон), цитохромы

Z- схема фотосинтеза. Расположение кофакторов И «механический» аналог — для наглядности. . . мономерный хла филохинон (вит. К)

Red-Ox потенциалы компонентов ЭТЦ хлоропластов ФС II P 680 * — 0. 7 Pheo — 0. 6 Q A — 0. 1 Q B ~ 0 cytb 559 L + 0. 08 cytb 559 H + 0. 38 H 2 O/O 2 + 0. 82 P 680 +1. 12 ФС I P 700 * ~ 1. 2 A 0 (P 695 ) — 1. 1 0 A 1 ( вит К ) — 0. 88 F x — 0. 73 F A — 0. 59 F B — 0. 5 P 700 + 0. 52 Cyt b/f Cyt b. L — 0. 15 Cyt b. H — 0. 05 Fe. S Риске + 0. 30 Cyt f + 0. 34 PQ ~ 0 Fd — 0. 42 FMN — 0. 36 NADPH — 0. 32 PC +0.

Организация фотосинтетического аппарата Тилакоиды образовались по-видимому, за счет инвагинации внутренней мембраны с последующим «отшнуровы-ва нием» . Таким образом, люмен топологически эквивалентен межмембран-но му пространству.

Организация фотосинтетического аппарата весьма похожа на ЭТЦ дыхания

Организация фотосинтетического аппарата, «реальная картинка» . Строма Люмен

В 6 f- комплекс: два такта работы Q -цикла. Как в митохондриях…

Схема строения белков b 6 f -комплекса Содержит 4 больших белка (18– 32 k. Da) – цитохром b 6 , цитохром f (на самом деле цит. с) железо-серный белок Риске, субъединица IV. Кроме того, еще 4 маленьких белочка. Любопытно, но там еще нашли и хлорофилл а и β — каротин. Зачем они там – неясно…

В 6 f -комплекс и структура цитохрома f и Fe. S -белка Риске Цитохромы-b 6 – фиолетовые ленточки, Субъединицы IV — серые, Белк Риске — оранжевые Цитохромы f — темно-синие Малые субъединицы ( Pet. G , Pet. L , Pet. M и Pet. N ) — светло-розовые. Гемы b. H , b. L f — красные Дополнительный гем — темно-красный. β — каротин — оранжевый , Хлорофилл — темно-зеленый (центральный ион магния – желтый шарик), Железо-серные кластеры — красные и зеленые шарики. Дополнительные гемы в Q цикле не работают…

В 6 f -комплекс и структура цитохрома f и Fe. S -белка Риске

Подвижные переносчики е — фотосинтетической ЭТЦ Пластохиноны ( PQ) E o ’ ~ 0 v min 9 видов (А, В, С. . ) E o ’ от -0, 05 до +0, 12 v Пластоцианин ( Pc), E o ’ +0, 37 v небольшой (10, 5 k. Da, 104 а-к) Cu -содержащий подвижный белок – аналог цит. С Принимает е — Tyr-83, затем Cu + , отдает — Hys-87 Ферредоксины ( Fd) E o ’ – 0, 43 v небольшие (6 -12 k. Da), 2 Fe 2 S, ( бакт. Fd – 4 Fe 4 S) Модель пластоцианина У некоторых водорослей и цианобактерий при недостатке меди в среде пластоцианин не образуется, вместо него синтезируется и выпольняет его функции цитохром с-553…

Два типа реакционных центров: феофитин-хиноновый и железо-серный Ну очень положительный потенциал…

Расположение кофакторов в различных реакционных центрах

Структура RC фотосистемы I 13 белков: А – 83 k. Da, 751 a- к В — 82, 5 k. Da , 7 35 a- к Гетеродимер, на нем: Р 700 , А 1 , Fx С – 8, 9 k. Da, — F A , FB D (19 k. Da), E – связь с Fd F (19 k. Da) — связь с Pc A O A OA 1 A 1 F X

Структура фотосистемы I в «реальном виде» В отличие от бактериального РЦ, в ФС I скорее всего работают обе ветви транспорта электронов

Структура реакционного центра пурпурных бактерий (прообраз ФС II)

Схема RC фотосистемы II 25 белков: D 1 — 3 2 k. Da, D 2 — 33 k. Da , Гетеродимер, на нем: Р 680 , Ph , Chl Z , Q A , Q B F (4 k. Da) , E (8 k. Da) – с yt b 559 O (3 3 k. Da), P (24 k. Da), Q (18 k. Da) — все три формируют водоокисляющий комплекс — O

Структура фотосистемы II в «реальном виде» .

Структура белка D 1 RC фотосистемы II

Кинетика работы водоокисляющей системы

Марганцевый кластер системы фотоокисления воды Тирозин-161 Гистидин-190 Глут. к-та-189 Только один из ионов марганца, а именно Mn 4, связывает молекулу воды в качестве субстрата и забирают от нее электроны. Предполагается, что непосредственно перед формированием O=O связи, Mn 4 переходит в состояние М n +5. В этом случае O=O связь может быть образована за счет нуклеофильной атаки на электрон-дефицитный комплекс М n +5 =O второй молекулой воды, которая связана с с близлежащим ионом кальция. HCO 3 — ?

Не все так просто и не все так ясно в системе водоокисления… В организации системы, по-видимому, участвует не только D 1 белок, но и D 2 и CP 43. . W – молекулы воды Х 1 Х 22 – участки связывания молекул воды

Организация фотосинтетического аппарата, «реальная картинка» . Белковые комплексы фотосистем существенно больше, чем их реакционные центры. Почему?

Антенны. Фикобилисомы: светособирающий комплекс цианобактерий и красных водорослей После поглощения h ν РЦ «закрывается на фотохимию» — и надолго. Для эффективной работы РЦ после его «открытия» он должен сразу получить следующий квант. Квантами РЦ снабжают антенны: пигменты (хлорофиллы, каротиноиды), расположенные на специальных белках. PE — фикоэритрины (красные, поглощают от 498 до 568 нм) PC — фикоцианины (сине-голубые, от 565 до 630 нм) AP — аллофикоцианины (синие от 585 до 650 нм)

Фикобилипротеиды. По набору пигментов в антенных комплексах, можно заключить что симбиоз фототрофов происходил неоднократно. .

Светособирающие комплексы различных организмов А – хлоросома зеленых серных бактерий ( Chlorobium ) ССК расположен на цитоплазматической стороне мембраны, содержит более 10000 м-л бхл-ла с (В 750) связанного с белками, окружен мембраной. В основании –белки с бхл-ми а ( В 790). В мембране – интегральный ССК с бхл-ми а ( B 804) и РЦ с бхл-ми а (пара P 840) B – фикобилисома цианобактерий и красных водорослей ( Rhodophyta ) ~ 400 фикобилисом на мкм 2 C – антенны пурпурных бактерий Встроены в цитоплазматическую мембрану. LH 1 кольцом окружает РЦ, содержит каротиноиды и 32 молекулы бхл а. К LH 1 у ряда видов присоединены 8 -10 LH 2 с 27 мол-ми бхл а , расположенных в два слоя. Т. о. РЦ обслуживают 250 – 300 бхл а. D – антенны высших растений.

Каротиноиды: каротины и ксантофиллы – тетратерпены (С 40 ) Различия по концевым группам, содержанию кислорода, изомерии, числу двойных связей.

Каротиноиды. Максимумы поглощения, расположение в мембране. Гидроксил придает гидрофильные свойства «концевым» циклам. .

Развлечения господ инженеров. Генных… Колонии E. coli, экспрессирующие гены биосинтеза соответствующих каротиноидов.

Хлорофилл-белковые комплексы ФС I и ФС II Одна «фотосинтетическая единица» — т. е. одна ЭТЦ ( от ФС II до ФС I) «обслуживается» порядка 500 молекулами пигментов — хлорофиллы a и b , каротиноиды.

Схема структуры фотосистемы II с антенными комплексами. в А D z Car.

Расположение хромофоров в фотосистеме II Вид со стороны стромы RC : фиолетовые –хл-лы розовый – Phe Антенны: Хл-лы с 9 по 21 – СР 43 Хл-лы с 22 по 37 – СР 47 Зеленые и желтый – передают h ν на RC, голубые — нет Красный – длинноволновый хл-л СР 47, связанный с His-114 Вид сбоку (строма сверху)

Структурная модель ФС II на основе данных кристаллографии Желто-оранжевые спирали – гетеродимер D 1 – D 2. Красные спирали – белки 47 и 43 k. Da антенного комплекса ФС II. Зеленая спираль – белок cyt. b 559. Голубые и серые спирали – минорные белки. Зеленая лента – белок 33 k. Da водоокисляющей системы. Справа – электронная плотность марганцевого кластера и вероятное расположение атомов Mn

Светособирающий комплекс LHC II ( Lhcb 1 &2) : мономер и тример Каждый белок содержит 7 молекул хлорофилла a , 5 молекул хлорофилла b и 2 молекулы лютеина. Молекулы хлорофилла b находятся на периферии белка, хлорофилла a – в центре белка. Расстояние между хлорофиллами – 0, 5 – 3 нм.

Структура фотосистемы II цианобактерий, вид «сбоку» и «сверху»

Структура «суперкомплекса» фотосистем II c ССК, вид со стороны люмена и «сбоку»

Фотосистема I со своими светособирающими комплексами ( Lhca 1 — Lhca

Фотосистема I скорее всего существует в виде тримера

Светособирающие комплексы фотосистем I и II

LHC II — подвижный светособирающий комплекс

Гетерогенная организация тилакиодный структур

Гетерогенная организация тилакиодных структур

Гетерогенная организация тилакиодный структур

Гетерогенность расположения компонентов ФСА в тилакоидах

Hosta ‘ Piedmont Gold’ Hosta sieboldiana ‘ Elegans’ Hosta ‘ Golden Haze’

Механизмы регулирования и защиты ФС II от фотодеструкции • нециклический поток , регулирование мобильными антеннами; • циклические потоки вокруг каждой фотосистемы; • псевдоциклический транспорт электронов • Хлоропластное дыхание — ? • виолоксантиновый цикл • «тушение» триплетного состояния хлорофилла каротиноидами • «обезвреживание» активных форм кислорода каротиноидами • каротиноиды «на заклание» • замена D 1 — белка

LHC II — подвижный светособирающий комплекс

Варианты работы ЭТЦ фотосинтеза мономерный хла филохинон (вит. К) Варианты: Циклические потоки вокруг каждой из фотосистем , Псевдоциклический транспорт электронов , Хлоропластное дыхание

Циклический транспорт электронов вокруг фотосистемы I и хлоропластное дыхание НАД(Ф)Н Дегид- роге- наза АО О 2 →Н 2 О е — В мембранах тилакоидов обнаружена НАД(Ф)- дегидрогеназа и оксидаза, гомологичная АО митохондрий. Сброс энергии или атавизм?

Циклически e потоки электронов вокруг фотосистемы II

Функции каротиноидов 1. Антенны (400 – 500 нм) 2. Структурная (организация ССК) 3. Фотопротекторная (виолоксантиновый цикл) 4. Защита от УФ и высоких интенсивностей света a/ R ˚ R Н h ν RH carо car P РЦ 1 Р 3 Р 3 car 1 car 3 O 2 P + 1 O 2 3 car 1 car b/ car + P +680 car+ + P 680 ( «жертвенная» )

Каротиноиды в хлоропластах 1. Разные состояния: мономерная или агрегированная форма, связь с белками. 2. Изомеры: транс – в антеннах, цис – в РЦ. При этом в РЦ – β -каротины, в ССК – ксантофиллы. Ядро ФС I высших растений содержит 14 молекул β -каротина, 2 из них в РЦ, 12 – во внутренней антенне. Ядро ФС II : на D 1 и D 2 белках расположены симметрично 2 молекулы β -каротина. На D 1 – все-транс форма, на D 2 – 15 — цис форма. Внутренняя антенна (СР 43 и СР 47) – 2 -3 молекулы β -каротина и несколько молекул лютеина. ССК (СР 24, СР 26, СР 29) – в каждом 1 -2 молекулы лютеина, а также молекулы неоксантина, зеаксантина, антероксантина и виолоксантина. Антенная функция – все-транс форма. Защитные функции — все-транс форма β -каротина на D 1 белке – альтернативный донор е- для Р 680 при низких tо и нарушении работы OEC. 15 — цис форма на D 2 – тушение триплета Р 680 за счет изомеризации во все-транс- форму.

Виолоксантиновый цикл –основа NPQ ( «нефотохимического тушения» ) Энергия S 1 ниже S 1 хлорофилла Энергия S 1 выше S 1 хлорофилла V Chl Z Основные игроки при этом — скорее всего белки ССК 26 и 29 k. Da , имеющие зеаксантин, и белок psb. Z

Фотозащита. «Переключение» виолоксантиновой системы. Виолоксантин-деэпоксидаза, 43 k. Da , тример, р. Н 7 – неактивна, р. Н 5 – активна. Т. к. она находится со стороны люмена, то может «обслуживать» только одно кольцо виолаксантина. Для изменения двух сторон каротиноидов нужен их поворот – флип-флоп, что редко. Этому способствует MGDG – моногалактозил-диглицериды. При повышении их доли в мембране с 5% до 30% реакция эпоксидации увеличивается с 0 о 100%. Они формируют гексагональные кластеры в мембране. V — виолоксантин Z — зеаксантин

D 1 белок – «камикадзе» растительной клетки • Разборка ФС II : уходят белки OEC, снимаются атомы Mn, отсоединяются CP 43, CP 47 • Удаление «испорченного» белка: «отгрызаются» выступающие из мембраны участки D 1 белка ( работает специальная протеаза deg. P 2 ), специальный белок «выталкивает» его останки из мембраны • Синтез нового D 1 белка: синтез идет в ламеллах, процессинг (удаляется N- концевой метионин, оставшийся треонин ацетилируется, этот треонин может обратимо фосфориллироваться). • Миграция D 1 белка в граны: белок пальмитинируется и в таком виде мигрирует в граны. • Обратная сборка ФС II Время «полужизни» D 1 белка – 30 минут. Интенсивность синтеза D 1 белка — 50% от всех синтезируемых в хлоропласте белков, тогда как его доля – 0, 1% от белков хлоропласта

Темновая фаза фотосинтеза – образование «основных фондов» из НАДФН и АТФ

Восстановительный пентозо-фосфатный цикл (ВПЦ)