Photosynthese I Lichtreaktionen

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1 Vorlesung Zellbiologie Physiologie und Genetik SoSe 2016 Photosynthese I Lichtreaktionen Prof. Dr. Iris Finkemeier Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen Photosynthese I Photosynthese Einführung: Bedeutung, Evolution und Diversität Plastiden und Chloroplasten Licht und Pigmente Struktur und Funktion der Photosynthesekomplexe Linearer Elektronentransport und Wasserspaltung 2015 American Society of Plant Biologists 1

2 Joseph Priestley (1772) erkannte, dass die Atmung von Tieren und Menschen die Luft verbraucht..und Pflanzen die Fähigkeit besitzen, Luft wieder regenerieren zu können. Prinzip der Photosynthese 2

3 Pflanzen bilden die Grundlage unseres Lebens auf der Erde Weltweiter Vegetationsindex Mai 2015 Quelle: NEO NASA Earth Observations 99% des Sauerstoffs in der Atmosphäre stammt aus der Photosynthese 3

4 Pflanzen bilden die Grundlage unseres Lebens auf der Erde Chlorophyll im Phytoplankton Mai 2015 Quelle: NEO NASA Earth Observations pro Jahr werden ca. 258 *10 9 Tonnen Kohlendioxid durch Photosynthese gebunden Die Photosynthese besteht aus zwei miteinander verbundenen Reaktionen Photonenfluss in microeinstein (µe = µmol Quanten m -2 s -1 ) 2015 American Society of Plant Biologists 4

5 Die Photosynthese besteht aus zwei miteinander verbundenen Reaktionen 2 NADPH e 2 H + 2 NADP + 2 H 2 O O H e ADP ATP H + Chloroplast Die Lichtreaktionen in der Thylakoidmembran Die Kohlenstofffixierung im Stroma Adapted from Kramer, D.M., and Evans, J. R. (2010). The importance of energy balance in improving photosynthetic productivity. Plant Physiol.155: American Society of Plant Biologists Photosynthese Photosynthese liefert Triosephosphate, die in andere Kohlenhydrate umgewandelt und in andere Pflanzenteile transportiert werden müssen. Photosynthese ist naturbedingt diurnal mit wichtigen Konsequenzen für den Kohlenhydratmetabolismus bei Tag und Nacht. 5

6 Photosynthetische Organismen Vielzellige Braunalge Einzellige Grünalge Cyanobakterien Niedere (Moose, Farne) und Höhere Pflanzen (z.b. Klee) Purpurbakterien Höhere Pflanzen Niedere Pflanzen Vielzellige Algen Einzellige Algen Cyanobakterien Purpurbakterien 25 µm Eckhard Völker,

7 Cyanobakterien als Vorgänger der Chloroplasten Primäre Endosymbiose 7

8 8

9 ein Organismus lebt in einem anderen Vorticella Glockentierchen Heterotrophie Abhängigkeit von externen organischen Substanzen, die von anderen Lebewesen produziert werden. Tiere, Pilze, viele Bakterien Autotrophie Fähigkeit organische Substanzen aus Anorganischen zu synthetisieren Pflanzen, Algen, Cyanobakterien 9

10 Die einzellige Alge Oophila amblystomatis lebt in den Eikapseln des Molchs Photosynthetische Tiere: Flecken-Querzahnmolch Egg capsule Die Alge liefert Sauerstoff und Kohlenhydrate und profitiert selber vom Stickstoffabfall des Molchs Die Alge (rote Spots) wurde sogar in Zellen des Salamanders gefunden. Dies weist auf eine Endosymbiose mit dem Molch hin Ambystoma maculatum Kerney, R., Kim, E., Hangarter, R.P., Heiss, A.A., Bishop, C.D. and Hall, B.K. (2011). Intracellular invasion of green algae in a salamander host. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108: Camazine 2015 American Society of Plant Biologists Photosynthetische Tiere: Plastiden-stehlende Schnecke Vaucheria litorea (algae) Chloroplasts in sea slug Plastiden überleben mehrer Monate in den Zellen der Schnecke den Plastidendiebstahl nennt man Kleptoplasty Elysia chlorotica (lebt im Meer, nordamerikanische Atlantikküste) Pelletreau, K.N., Bhattacharya, D., Price, D.C., Worful, J.M., Moustafa, A. and Rumpho, M.E. (2011). Sea slug kleptoplasty and plastid maintenance in a metazoan. Plant Physiol. 155: Rumpho, M.E., Pelletreau, K.N., Moustafa, A. and Bhattacharya, D. (2011). The making of a photosynthetic animal. J. Exp. Biol. 214:

11 Photosynthese I Photosynthese Einführung: Bedeutung, Evolution und Diversität Plastiden und Chloroplasten Licht und Pigmente Struktur und Funktion der Photosynthesekomplexe Linearer Elektronentransport und Wasserspaltung 2015 American Society of Plant Biologists Plastide Ein Kompartiment (und circa 4000 zusätzliche Gene), das Tiere nicht haben. Viele metabolische Reaktionen finden in der Plastide statt und Metaboliten müssen importiert und exportiert werden. 11

12 Differenzierung von Plastiden In dunklen photosynthetischen Geweben Blüten und Früchten Leaf Samen, Embryo, Meristem und reproduktiven Geweben Speicherung von Stärke, Öl und Proteinen Immage credit LadyofHats; see also Sakamoto W., Miyagishima S., and Jarvis P. (2008). Chloroplast Biogenesis: Control of Plastid Development, Protein Import, Division and Inheritance. The Arabidopsis Book 6:e0110. doi: /tab.0110 Licht induziert Umwandlung von Etioplasten zu Chloroplasten Dunkel Licht Prolamellar Körper in Etioplast Bildung von Lamellen Granastapeln Primäre Lagen von Lamellen Pribil, M., Labs, M. and Leister, D. (2014). Structure and dynamics of thylakoids in land plants. J. Exp. Bot. 65: by permission of Oxford University Press. Von Wettstein, D., Gough, S. and Kannangara, C.G. (1995). Chlorophyll biosynthesis. Plant Cell. 7:

13 Plastiden in Pflanzenzellen Aufbau Chloroplast 13

14 Grana- und Stromathylakoide haben verschiedene Funktionen Lumen State 1 PSII PSII gepackt zwischen zwei Membranen Cyt b 6 f LHCII PSII findet man bevorzugt in Granathylakoiden, ATP synthase and PSI in Stromalamellen Cyt b 6 f überall in der Thylakoide Grana ATP synthase Cyt b 6 f PSI-LHCI supercomplex Daum, B., et al., (2010). Arrangement of Photosystem II and ATP synthase in chloroplast membranes of spinach and pea. Plant Cell. 22: ; Nagy, G., et al. and Minagawa, J. (2014). Chloroplast remodeling during state transitions in Chlamydomonas reinhardtii as revealed by noninvasive techniques in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 111: Photosynthese I Photosynthese Einführung: Bedeutung, Evolution und Diversität Plastiden und Chloroplasten Licht und Pigmente Struktur und Funktion der Photosynthesekomplexe Linearer Elektronentransport 2015 American Society of Plant Biologists 14

15 Wellenlängen des Lichts Wellenlängen 1 nm 1 μm 1 mm 1 m Gammastrahlen UV IR Radiowellen Röntgenstrahlen Wellenlängen 400 nm Visible 500 nm 600 nm Mikrowellen Viel Energie Hohe Frequenz Kurze Wellenlänge Geringe Energie Geringe Frequenz Lange Wellenlänge 2015 American Society of Plant Biologists Lichtenergie Die Energie des Lichts verhält sich umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge: blaues Licht ~ 300 kj/mol Quanten rotes Licht ~ 170 kj/mol Quanten Zum Vergleich: eine C-C Bindung hat einen Energiegehalt von 346 kj/mol E = hc / l E = Energie eines Lichtquants (Joule photon -1 ) h = Planck sches Wirkungsquantum (Proportionalitätskonstante) c = Lichtgeschwindigkeit (3 x 10 8 m s -1 ) l = Wellenlänge Internat. Einheit des Lichtflusses : Mol Quanten m -2 s -1 (Einstein) Max. Sonnenlicht: ca Mol Quanten m -2 s -1 (Hochlicht!) Sichtbarer Bereich: nm (blau bis rot) 15

16 Lichtspektrum des Sonnenlichts Erdoberfläche (μmol photos / m 2 -sec) Die Erdatmosphäre blockiert kurze Wellenlängen Das kurzwellige Licht wird durch die Erdatmosphäre herausgefiltert Ultraviolett Wellenlänge (nm) Abhängig von der Wellenlänge wird die Sonnenstrahlung von der Atmosphäre mehr oder weniger stark absorbiert. Die an der Erdoberfläche eintreffende Intensität hängt zudem stark von der Bewölkung und vom Sonnenstand ab. NASA 2015 American Society of Plant Biologists Was ist Farbe? 1. Weißes Licht ist eine Mischung aus Licht verschiedener Farben 2. Farbiger Gegenstand absorbiert einige Wellenlängen (rot: absorbiert alles bis auf rot) und besitzt ein Absorptionsspektrum 3. Substanz die Licht absorbieren kann: Pigment 4. Wichtigstes Pigment der Photosynthese: Chlorophyll (grüne Farbe): absorbiert im blauen und roten Bereich und reflektiert grünes Licht 16

17 Wichtige Pigmente der Photosynthese Tetrapyrrolring mit Mg im Zentrum Chlorophyll a Absorptionsspektrum photosynthetischer Pigmente Chlorophyll a Chlorophyll b β-carotin Phycoerythrin Phycocyanin Akzessorische Pigmente Wellenlänge (nm) Phycocyanobilin (lineares Tetrapyrrol) β-carotin 2015 American Society of Plant Biologists Absorptionsspektrum der photosynthetischen Pigmente Alle Chlorophyll-basierten Photosynthesesysteme benutzen Chlorophyll a Akzessorischen Pigmente: Chlorophyll b (Landpflanzen, Grünalgen und Cyanobakterien) Carotenoide (in allen Chlorophyll-basierten Photosynthesesystemen) Phycoerythrin (Cyanobakterien und nichtgrünen Algen) Phycocyanin (Cyanobakterien) Absorptionsspektrum photosynthetischer Pigmente Chlorophyll a Chlorophyll b β-carotin Phycoerythrin Phycocyanin Wellenlänge (nm) Akzessorische Pigmente 2015 American Society of Plant Biologists 17

18 Phycobiline Neben Chlorophyll-a verfügen die photosynthetischen Membranen von Cyanobakterien und Rotalgen über Phycobiline A B C D Thioether-Bindung mit Cystein A B C D Offenkettige Tetrapyrrole Kovalente Bindung an scheibenförmige Proteinstapel in Phycobilisomen 2015 American Society of Plant Biologists Carotinoide Alle photosynthetischen Membranen enthalten neben Chlorophyllen Carotinoide (nicht-kovalent an Chlorophyll-Bindeproteine gekoppelt) Carotinoide sind lipophile, gelb-orange Pigmente mit konjugierten Doppelbindungen (aliphat. Kette) und endständ. Ionon -Ringen ( -Carotin-Derivate) Xanthophylle enthalten Sauerstoff sind daher weniger lipophil als -Carotin Carotinoide sind akzessorische Photosynthese (PS)-Pigmente Funktion: Schutz des PS-Apparates vor zu hoher Lichtenergie (O 2 -Radikalen) Eigenschaften zeigen sich bei chromatographischer Trennung 2015 American Society of Plant Biologists 18

19 Abbr.: st, stroma thylacoid; pg, plastoglobuli; gt, grana thalycoid. Photosynthetische Organismen enthalten Chlorophyll als Photosynthese- Pigmente. WICHTIG: Diese sind immer an Membranproteine gebunden! Bei Bakterien sind die Pigmente an die Zellmembran oder an spezielle Photosynthese-Membranen gebunden, bei Algen und Pflanzen fungieren die Thylakoide (s. oben) als Träger der Chlorophyll-Proteinkomplexe. Chlorophylle Porphyrin-Ringsystem mit zentralem Metall- Atom (Magnesium) Methyl Aldehyd bestehen aus: polarem Tetrapyrrol-Ring ( farbig, durch konjugierte Doppelbindungen) zentralem Magnesium-Atom (Mg 2+ -freies Chlorophyll = Phaeophytin, griech. hässlich) hydrophobem Phytolschwanz (dient der Membran-Verankerung) nicht-kovalenter Assoziation mit sogen. chlorophyll-binding proteins (CBPs) Chlorophylle unterscheiden sich in ihren Seitengruppen und im Tetrapyrrolring (Abb. ob.) Seitengruppen (Methyl-, Aldehyd-, etc.), bedingen die Position der Absorptionsbanden 19

20 Die Absorptionsspektren der verschiedenen Chlorophylle unterscheiden sich in der Lage von je zwei Hauptbanden Grün-Lücke Eigenschaft der Pigmente: Wenn Chlorophylle oder andere Pigmente Licht absorbieren, werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben Pigment + Licht = Pigment* 20

21 Eigenschaften eines Pigments Pigmente ( farbige Moleküle) verfügen über ein konjugiertes pi-elektronensystem Durch Absorption von Licht kann ein Pigment von seinem Grundzustand (P) in einen angeregten Zustand (P*) überführt werden, sofern der Energiegehalt der absorbierten Lichtquanten der Energiedifferenz von P und P* entspricht. P P* angeregter Zustand Grundzustand Dabei werden konjugierte pi-elektronen auf ein energetisch höheres Energie- Niveau gehoben (bei gleichbleibendem Elektronenspin). Das Energieniveau von P* wird durch die molekularen Eigenschaften des Pigments bestimmt und äußert sich in charakteristischen Absorptionsbanden. Der angeregte Zustand von Chlorophyll ist kurzfristig. Rückkehr zum Grundzustand kann auf vier Wegen erfolgen: Photon Chl* 1. Relaxation (Nicht-photochemisches quenchen; Energie wird in Wärme umgewandelt) 2. Fluoreszenz (Energie wird in Form von langwelligerem Licht abgestrahlt) Chl 3. Resonanzenergieübertragung (Excitonentransfer):Energie wird auf anderes Pigmentmolekül übertragen und regt dieses an. 4. Elektronenübertragung (Photochemie): Energie wird als energiereiches Elektron auf benachbartes Molekül übertragen (Elektronenakzeptor) und hinterlässt Elektronenlücke im ursprünglichen Molekül (Ladungs-trennung) American Society of Plant Biologists 21

22 Chlorophylle haben zwei Haupt-Absorptionsbanden im blauen und roten Spektralbereich Chl a Absorption UV nm IR Energie Die zwei Haupt-Absorptionsbanden entsprechen den zwei Haupt-Anregungszuständen der Chlorophylle Absorption eines blauen Lichtquants Relaxation(en) Abs. e. roten Lichtquants 2. Anregungszustand 1. Anregungszustand Fluoreszenz Grundzustand der 1. Anregungszustand entspricht der Energie eines roten Lichtquants der 2. Anregungszustand entspricht der Energie eines blauen Lichtquants der energiereichere 2. Anregungszustand ist aber instabil und relaxiert spontan zum energieärmeren 1. Anregungszustand die Energiedifferenz geht als Wärme verloren der stabilere 1. Anregungszustand kann unter Abgabe eines dunkelroten Lichtquants relaxieren ( Fluoreszenz) nm Chl MERKE: Für Photosynthese ist nur der stabilere, 1. Anregungszustand nutzbar! 22

23 Licht Photosynthese Wärme Fluoreszenz Zellen des Schwammparenchyms (Tabak-Blatt) Die Chlorophyll-Fluoreszenz ist ein diagnostisches Werkzeug zum Nachweis und zur Untersuchung der Photosynthese (Effizienz) START Carotinoide Chl b, a -Carotin Dünnschichtchromatographische Trennung von Blattpigmenten (feste Phase: Papier, Kieselgel) abnehmende Polarität (bessere Pigment-Löslichkeit in der mobilen Phase (hydrophobes Laufmittel) Trennplatte im Dunkeln (bei Blaulicht-Anregung) Carotinoide Chl b, a -Carotin Chlorophylle relaxieren vom 1. Anregungszustand durch Abgabe von rotem Fluoreszenz-Licht Carotin(oide) relaxieren dagegen thermisch (strahlungslos) 23

24 Zusammenfassung Chlorophylle (Chl) bestehen aus einem polaren, farbigen Tetrapyrrolring mit zentralem Magnesium (Mg 2+ )-Atom und einem hydrophoben Phytolschwanz. Sie sind nicht-kovalent an Chl-Bindeproteine (in der Membran) gebunden. Phycobiline sind offenkettige Tetrapyrrole niederer Organismen, die kovalent an ihre Trägerproteine gebunden sind. Chlorophylle und Phycobiline dienen der Aufnahme und Weiterleitung von Lichtenergie in photosynthetischen Antennen. Carotinoide sind langkettige Pigmente (40 C-Atome), die ebenfalls nicht-kovalent an Chlorophyll-Bindeproteine gebunden sind. Sie üben eine Schutzfunktion bei übermäßiger Lichtanregung aus. Alle photosynthetischen Organismen enthalten Chlorophylle und Carotinoide, Cyanobakterien und Rotalgen enthalten zusätzlich Phycobiline. Photosynthese I Photosynthese Einführung: Bedeutung, Evolution und Diversität Plastiden und Chloroplasten Licht und Pigmente Struktur und Funktion der Photosynthesekomplexe Linearer Elektronentransport und Wasserspaltung 2015 American Society of Plant Biologists 24

25 Modellorganismen der Photosyntheseforschung Photosysteme in den Thylakoiden Höherer Pflanzen st, stroma thylacoid gt, grana thylacoid pg, plastoglobuli Form follows function! 25

26 Photosysteme Höherer Pflanzen (schematisch, Seitenansicht) Light Harvesting Complexes (LHCs) Thylakoid- Membran core Antenna Reaction Center (RC) RC, core Antennen und LHCs sind Komplexe aus transmembranen, Chlorophyll-bindenden Proteinen Molekulare Struktur eines PS Höherer Pflanzen core Antenne (gelbe Helices) und Reaktionszentrum (blaue und rote Helices) Chlorophylle sind in die hydrophoben Taschen der transmembranen Proteine eingesenkt. Spiralen: a-helices, grüne Ringsysteme: Chlorophyll a (Porphyrine, hier ohne Phytolschwanz) Seitenansicht 26

27 Photosysteme Höherer Pflanzen (Aufsicht) In der Regel bilden die core Antennen Dimere um das RC LHC LHC RC core Antenne LHC LHC special pair (2 Chl a) Chl a Chl b LHC LHC LHC 2 core Antennen und das RC bilden einen festen core Komplex, umgeben von schwächer gebundenen Lichtsammelkomplexen (light harvesting complexes, LHCs). Der gesamte core complex enthält ca. 50 Chl a und Carotinoide, davon 6 Chl a im RC. Die Lichtsammelkomplexe (LHCs) enthalten Chl a, Chl b und Carotinoide (ohne Symbol) Chlorophylle je Photosystem (PS) LHC P P special pair (2 Chl a) Chl a Chl b Phosphat LHC (dissoziiert) P RC core Antenne P LHC P LHC Ein Teil der Lichtsammelkomplexe ist nur schwach gebunden (mobile LHCs) und kann sich von den core Antennen lösen. Variable Dissoziation wird durch reversible Protein-Phosphorylierung (durch LHC-Kinasen!) vermittelt und dient der Regulation der Lichtzufuhr. 27

28 Einfangen von Lichtquanten und Energietransfer zum Reaktionszentrum (RC) LHC RC core Antenne Chlorphyll a und b in den peripheren LHCs fangen die Lichtquanten ein und leiten diese Anregungsenergie mittels Resonanzschwingungen über die core Antennen zum special pair im Reaktionszentrum (RC) weiter, bis die Energie für Ladungstrennung ausreicht Durch Absorption eines Lichtquants entsteht im Chl ein angeregter Zustand Chl b Chl b* Lichtquant 28

29 Angeregte Zustände ( Exitonen ) können zu benachbarten Chlorophyllen transferiert werden Chl b* Chl b Chl b Chl b* Exitonentransfer in der Antenne Chl b* Chl b Chl a Chl a 29

30 Exitonentransfer in der Antenne Chl b Chl b* Chl a Chl a Exitonentransfer in der Antenne Chl b Chl b Chl a* Chl a 30

31 Exitonentransfer in der Antenne Chl b Chl b Chl a Chl a* Exitonentransfer in der Antenne Chl b Chl b Chl a Chl a* kein Netto-Transfer von Elektronen! Transfer zwischen Chlorophyllen ist extrem schnell: sec! Energietransfer bevorzugt zwischen eng benachbarter Pigmenten mit überlappenden -Orbitalen. Aus energetischen Gründen bevorzugte Transferrichtung: Chl.b Chl.a special pair 31

32 Ladungstrennung im Reaktionszentrum Durch Exitonentransfer wird die Lichtenergie aus den Antennen zum special pair [Chl a] 2 im Reaktionszentrum übertragen. Das angeregte special pair gibt ein Elektron an einen benachbarten Akzeptor ab (A A - ). Das dadurch entstandene Elektronenloch im special pair wird durch Elektronentransfer von einem benachbarten Donor (D) aufgefüllt. Es entsteht ein arbeitsfähiges Redoxpaar, nämlich: D + / A - D [Chl a] 2 * A D [Chl a] 2+ A - D + [Chl a] 2 A - Die Thylakoidmembran ist dicht mit Photosystemen gefüllt ( Photosysteme pro Grana Etage ). Die Lichtsammelkomplexe stehen z.t. in engem Kontakt, so dass Lichtenergie zwischen den Photosystemen ausgetauscht werden kann. Die Gesamtheit der Photosysteme einer Membran- Ebene bilden daher eine Funktionseinheit. PSII- Komplexe (Aufsicht) Granastapel (Seitenansicht) 32

33 Bakterielle Photosysteme von Purpurbakterien und Cyanobakterien Während das photosynthetische Reaktionszentrum hoch konserviert ist, haben sich in verschiedenen Organismen sehr unterschiedliche Antennensysteme entwickelt Struktur des Reaktionzentrums von Purpurbakterien Nobelpreis für Chemie 1988, ging an drei deutsche Wissenschaftler: Johann Deisenhofer Robert Huber Hartmut Michel am Max-Planck-Instituts für Biochemie in Planegg-Martinsried (bei München). 33

34 Die Reaktionszentren von Höheren Pflanzen und photosynthetischen Bakterien sind homolog RC höherer Pflanzen bakterielles RC Vielfalt von photosynthetischen Membranen LH Die Reaktionszentren der Purpurbakterien sind von ringförmigen Chlorophyll-haltigen Antennen umgeben (Aufsicht) 34

35 Vielfalt von photosynthetischen Membranen Die Reaktionszentren der Purpurbakterien sind von ringförmigen chlorophyllhaltigen Antennen umgeben (Aufsicht) schematisch RC RC Vielfalt von photosynthetischen Membranen Die unterschiedliche Organisation der Lichtsammelkomplexe in Höheren Pflanzen (links) und Purpurbakterien (rechts) RC RC 35

36 Phycobilisomen: Lichtsammelkomplexe der Cyanobakterien und Rotalgen (Seitenansicht) Der Lichtsammelkomplex (Phycobilisom) sitzt auf dem core Komplex und ragt aus der Membran Phycobiline Geldrollen-artige Strukturen Stapel von scheibenförmigen Phycobilin-Bindeproteinen RC Chlorophylle Membran Der transmembrane core Komplex (RC + core Antennen) ist homolog zu dem in Höheren Pflanzen Die Phycobilisomen können sich ablösen ( Regulation der Lichtzufuhr) und enthalten nur Phycobiline Exitonentransfer in den Phycobilisomen 36

37 Die unterschiedliche Architektur der Lichtsammelkomplexe in Cyanobakterien (oben) und Pflanzen (unten) Seitenansicht Antennen- Dissoziation vertikal Membran Antennen- Dissoziation horizontal Membran Zusammenfassung Die Reaktionszentren (RCs) aller photosynthetischen Organismen enthalten Chl a und sind homolog (hoch konserviert). Die Lichtsammelkomplexe (LHCs) der verschiedenen Organismen unterscheiden sich dagegen grundlegend: Struktur von Chlorobacten ringförmige LHCs bei Purpurbakterien (Pigmente: B-Chl) Chlorosomen bei grünen Schwefelbakterien (phototroph obligate Anaerobier) auf der cytoplasmatischen Membranseite! Phycobilisomen bei Cyanobakterien und Rotalgen (Pigmente: Phycobiline) Periphere, mehr oder weniger mobile LHCs bei Höheren Pflanzen (Pigmente: Chl a und Chl b, nur mit Bindeproteinen assoziiert). 37

38 Photosynthese I Photosynthese Einführung: Bedeutung, Evolution und Diversität Plastiden und Chloroplasten Licht und Pigmente Struktur und Funktion der Photosynthesekomplexe Linearer Elektronentransport und Wasserspaltung 2015 American Society of Plant Biologists Der Emerson-Effekt (oder Enhancement-Effekt, entdeckt 1957) 38

39 Der Emerson-Effekt Enhancement effect : Überadditivität von rotem (R) und fern-rotem (FR) Licht bei der Photosynthese Der Emerson-Effekt lässt sich nur durch die Existenz zweier Photosysteme erklären: P680 und P700 Geburt des Z-Schema, d.h. zwei Photosysteme arbeiten in Serie Standardredoxpotential Der Cytochrom b 6 f- Komplex koppelt die beiden Photosysteme Mobile Elektronencarrier (Plastochinon und Plastocyanin) gewährleisten den Transport zwischen den Komplexen 39

40 Photosynthetischer linearer Elektronentransport Oxidation von Wasser und Reduktion von NADPH Eigentliche endotherme Redoxreaktion, die durch Sonnenenergie ermöglicht wird. Elektronentransport über mehrere Komplexe und Redox-Carrier Elektronen werden am OEC ( oxygen-evolving complex ) vom PSII aus Wasser extrahiert) In Pflanzen und Cyanobakterien sind zwei Photosysteme (PSII und PSI) in Serie geschaltet PSII entzieht dem Wasser Elektronen (e - ) PSI überträgt sie letztendlich auf NADP + NADPH + H + Fdx = Ferredoxin FNR = Fdx-NADP-Reduktase Der Cyt b 6 f -Komplex vermittelt beim Elektronentransport zwischen PSII und PSI Damit fungiert er gleichzeitig als Protonenpumpe ( ATP-Synthese) Abb. aus: Buchanan et al. Biochemistry & Molecular Biology of Plants ; Amer. Soc. of Plant Physiol. 40

41 Struktur und Funktion von Photosystem II LHCII complex PSII ist ein Multiproteinkomplex der als Dimer funktioniert. Monomer: Conserved reaction center core CP43 CP47 Das konservierte Reaktionszentrum besteht aus D1 and D2, und den internen Antennenproteinen CP43 und CP47 Dimer Struktur von PSII H 2 O D2 D1 Der Sauerstoffbildende Komplex besteht aus einem Mn 4 CaO 5 cluster befindet sich auf der Seite des Lumens 1/2 O H + Reprinted by permission from Calderone, V., Trabucco, M., Vujičić, A., Battistutta, R., Giacometti, G.M., Andreucci, F., Barbato, R. and Zanotti, G. (2003). Crystal structure of the PsbQ protein of Photosystem II from higher plants. EMBO reports. 4: ; Reprinted with permission Annual Reviews Nickelsen, J. and Rengstl, B. (2013).Photosystem II assembly: From cyanobacteria to plants. Annu. Rev. Plant Biol. 64: American Society of Plant Biologists Die Proteinzusammensetzung von PSII kann man mittels SGC, SDS-PAGE und EM untersuchen Sucrose gradient centrifugation (SGC) Trennung der Proteinkomplexe mittels SDS-PAGE Heavier Lighter EM Untersuchung von PSII Reprinted with permission from Caffarri, S., Kouřil, R., Kereïche, S., Boekema, E.J. and Croce, R. (2009). Functional architecture of higher plant Photosystem II supercomplexes. EMBO J. 28: American Society of Plant Biologists 41

42 Molekulare Struktur von PSII: Proteine positionieren Pigmentmoleküle Neveu,Curtis 2015 American Society of Plant Biologists Elektronentransfer in PSII (1) Licht regt Reaktionszentrum Chlorophyll (P680) an P680* (2) Elektron verlässt P680*, oxidiertes P680 + (Photooxidation, Ladungstrennung) (3) Pheophytin (Pheo) wird reduziert Pheo (4) Pheo reduziert Q A zu Q A (5) Q A reduziert Q B zu Q B (5) Q B Q B e (4) - Q A Q A e (3) - Pheo Pheo e - P680 P680* P680 (1) (2) + (4) (3) PSII (5) STROMA LUMEN 2015 American Society of Plant Biologists 42

43 Plastoquinon / Plastoquinol: ein Elektronen- und Protonencarrier 2 e Lipiddoppelschicht zu 2 H + Diffundiert durch Cyt b 6 f Plastoquinon (PQ) dockt an Q B Seite von PSII Plastoquinonol (PQH 2 ) Plastoquinon (PQ) wird reduziert zu PQ 2 und nimmt dabei zwei Protonen aus dem Stroma aif PQH 2 (Plastoquinol) PQH 2 trägt zwei Protonen und zwei Elektronen durch Lipiddoppelschicht See Cramer, W. A., Hasan, S.S., and Yamashita, E. (2011). The Q cycle of cytochrome bc complexes: A structure perspective. Biochim. Biophys. Acta - Bioenerg. 1807: American Society of Plant Biologists Reaktionen am Photosystem II Wasserspaltung Anregung PSII 2 H 2 O + 4 Lichtquanten O H Elektronen Abbildung aus Stryer, Biochemie, Kap. 19, Spektrum Verlag 43

44 Reaktionen am Photosystem II Wasserspaltung 2 Moleküle H 2 O werden an einen Mangan-Komplex (Mn 4 ) gebunden. Nach Entzug von 4 Elektronen aus dem Wasser-Mn 4 -Komplex werden 4 H + (Protonen) und ein O 2 frei. Der Mn 4 -Komplex fungiert als Ladungs- bzw. Redox -Akkumulator (d.h. er akkumuliert zunächst selbst 4 Elektronenlöcher ). Durch die konzertierte Oxidation von 2 Mol H 2 O (Entzug von 4 Elektronen) wird die Bildung von destruktiven Sauerstoffradikalen stark gemindert. 2 H 2 O + 4 Lichtquanten 1 O H + Lumen + 4 e - ET Q Zyklus und Cytochrome b 6 f Komplex PSII Reaction Center PSI Reaction Center Cytochrom b 6 f complex Stroma (electronegative side) Lumen (electropositive side) Mobiles PQH 2 transportiert Elektronen zum Cyt b 6 f Reprinted by permission from Baniulis, D., Yamashita, E., Zhang, H., Hasan, S.S. and Cramer, W.A. (2008). Structure Function of the Cytochrome b6f Complex. Photochem. Photobiol 84: American Society of Plant Biologists 44

45 Q-Zyklus am Cytochrom b 6 f-komplex 2 e - 1 e - Übergang 2 e - 1 e - Übergang Die Reduktion von Plastochinon (PQ, 1) zu Plastochinol (PQH2, 3) erfolgt über das Semichinon-Radikal (PQH, 2). Bilanz: 1 PQH PC ox + 4 H + (Stroma) 1 PQ + 2 PC red + 4 H + (Lumen) Abb. aus: Buchanan et al. Biochemistry & Molecular Biology of Plants ; Amer. Soc. of Plant Physiol. Photosynthetischer Elektronentransport (PET) Fdx = Ferredoxin FNR = Fdx-NADP-Reduktase FNR = Ferredoxin- NADP- Reduktase 2 mobile redox-carrier: - PQ (Plastochinon): PSII Cyt b 6 f (in der Lipidphase) - PC (Plastocyanin): Cyt b 6 f PSI (im Thylakoid-Lumen) Cytochrom b 6 f-komplex: - vermittelt Elektronentransport (PSII PQ und PC PSI) - fungiert als Protonenpumpe (Stroma Lumen) - homolog zum Cytochrom bc-komplex der Mitochondrien (Atmungskette) Abb. aus: Buchanan et al. Biochemistry & Molecular Biology of Plants ; Amer. Soc. of Plant Physiol. 45

46 Reaktionen am Photosystem I Donor: Plastocyanin (mobil im Thylakoid-Lumen, ca. 10 kda), kleines Protein mit redox-aktiver Kupfer-(Cu)-Gruppe Akzeptor: Ferredoxin (auf Stroma-Seite von PSI, ca. 10 kda), kleines Protein mit redox-aktivem Fe/S-Cluster Anregung PSI 4 PC red + 4 Quanten + 4 Fd ox 4 PC ox + 4 Fd red PSI besteht aus 17 Proteinuntereinheiten, vor allem PsaA and PsaB, and 178 prosthetischen Gruppen, vor allem Chlorophyll Molekulare Struktur von PS I Abbildung aus Stryer, Biochemie, Kap. 19, Spektrum Verlag 46

47 In Pflanzen ist PSI halbmondförmig von LHCI Komplexen umgeben Sicht vom Lumen auf die Membran Proteins Pigments PSI core Chlamydomonas Two rows of LHCI Pea complex Single row of LHCI LHCI Reprinted from Mazor, Y., Borovikova, A. and Nelson, N. (2015). The structure of plant photosystem I super-complex at 2.8 Å resolution. elife. 4: e Minagawa, J. (2013). Dynamic reorganization of photosynthetic supercomplexes during environmental acclimation. Front. Plant Sci. 4: American Society of Plant Biologists Ferredoxin transferiert Elektronen via Ferredoxin:NADP + Reduktase (FNR) From PSI e - Ferredoxin (Fd) Ferredoxin: NADP+ reductase H e Ferredoxin: kleines Fe 2 S 2 Protein Fe 2 S 2 NADP + NADPH Reprinted from Mulo, P. (2011). Chloroplast-targeted ferredoxin-nadp+ oxidoreductase (FNR): Structure, function and location. Biochim. Biophy. Acta (BBA) - Bioenergetics. 1807: with permission from Elsevier American Society of Plant Biologists 47

48 Das Z-Schema des photosynthetischen Elektronentransports (PET) MERKE: Exergone Reaktionen ( ) auf den Akzeptorseiten beider Photosysteme (PSII, P680* und PSI, P700*) stabilisieren die Ladungstrennung in den Reaktionszentren! Abb. aus: Buchanan et al., Biochemistry & Molecular Biology of Plants ; Amer. Soc. of Plant Physiol. Endprodukte des photosynthetischen Elektronentransports Fdx = Ferredoxin FNR = Fdx-NADP-Reduktase Abb. aus: Buchanan et al., Biochemistry & Molecular Biology of Plants ; Amer. Soc. of Plant Physiol. 48

49 Zusammenfassung Die Photosysteme PSII und PSI sind in Serie geschaltet (bei Cyanobakterien und Pflanzen). Photochemische Ladungstrennung am PSII führt zur Spaltung von Wasser. Die konzertierte Spaltung von 2 Mol H 2 O wird durch einen Mangan-Komplex vermittelt. Die dem Wasser entzogenen Elektronen werden auf Plastochinon (PQ); einen mobilen lipophilen Redox-Carrier in der Thylakoidmembran übertragen (2 e - + PQ + 2 H + PQH 2 ). Photochemische Ladungstrennung am PSI führt zur Reduktion von NADP + (NADPH + H + ), Elektronendonor ist der mobile Redox-Carrier Plastocyanin (PC) im Lumen der Thylakoide. Der Cytochrom b 6 f-komplex vermittelt bei der Elektronenübertragung zwischen PQ (2 e - ) und PC (1 e - ) und fungiert gleichzeitig als Protonenpumpe (H + ) Q-Zyklus. Endprodukte des Licht-getriebenen Elektronentransports sind (neben O 2 aus der Wasserspaltung) NADPH und ATP, die den so genannten Dunkel-Reaktionen (z.b. Calvin-Zyklus) im Chloroplasten-Stroma zur Verfügung stehen. 49