photosynthese i „lichtreaktionen“ - uni-muenster.de · durch absorption von licht kann ein...

12.05.2016

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Vorlesung „Zellbiologie Physiologie und Genetik“

SoSe 2016

Photosynthese I„Lichtreaktionen“

Prof. Dr. Iris Finkemeier

Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen

© 2015 American Society of Plant Biologists

Photosynthese I

• Photosynthese Einführung: Bedeutung, Evolution und Diversität

• Plastiden und Chloroplasten

• Licht und Pigmente

• Struktur und Funktion der Photosynthesekomplexe

• Linearer Elektronentransport und Wasserspaltung

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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

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Weltweiter Vegetationsindex Mai 2015

Quelle: NEO NASA Earth Observations

Pflanzen bilden die Grundlage unseres Lebens auf der Erde

99% des Sauerstoffs in der Atmosphäre stammt aus der Photosynthese

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Pflanzen bilden die Grundlage unseres Lebens auf der Erde

Quelle: NEO NASA Earth Observations

Chlorophyll im Phytoplankton Mai 2015

pro Jahr werden ca. 258 *109 Tonnen Kohlendioxid durch Photosynthese gebunden


Photonenfluss in microEinstein (µE = µmol Quanten m-2 s-1)

Die Photosynthese besteht aus zweimiteinander verbundenen Reaktionen

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Die Photosynthese besteht aus zweimiteinander verbundenen Reaktionen

Adapted from Kramer, D.M., and Evans, J. R. (2010). The importance of energy balance in improving photosynthetic productivity. Plant Physiol.155: 70–78.

Chloroplast2 H2O O2 + 2 H+ + 2 ADPH+

ATP

Die Lichtreaktionen in der Thylakoidmembran

Die Kohlenstofffixierungim Stroma

2 NADP+

2 NADPH

2 H+e−

e−

• 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.

Photosynthese

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Photosynthetische Organismen

Höhere Pflanzen

Niedere Pflanzen

Vielzellige Algen

Einzellige Algen

Cyanobakterien

PurpurbakterienPurpurbakterienCyanobakterienEinzellige Grünalge

Vielzellige BraunalgeNiedere (Moose, Farne) und Höhere Pflanzen (z.B. Klee)

25 µm Eckhard Völker, 2012

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Cyanobakterien als Vorgänger der Chloroplasten

Primäre Endosymbiose

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ein Organismus lebt in einem anderen

VorticellaGlockentierchen

HeterotrophieAbhängigkeit von externen organischen Substanzen, die von anderen Lebewesen produziert werden.Tiere, Pilze, viele Bakterien

AutotrophieFähigkeit organische Substanzenaus Anorganischen zu synthetisierenPflanzen, Algen, Cyanobakterien

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Photosynthetische Tiere:Flecken-Querzahnmolch

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: 6497-6502. Camazine

Egg capsule

Ambystoma maculatum

Die Alge liefert Sauerstoffund Kohlenhydrate und profitiert selber vomStickstoffabfall des Molchs

Die einzellige AlgeOophila amblystomatis lebtin den Eikapseln des Molchs

Die Alge (rote Spots) wurde sogarin Zellen des Salamanders gefunden. Dies weist auf eineEndosymbiose mit dem Molch hin

Photosynthetische Tiere:Plastiden-stehlende Schnecke

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: 1561-1565. Rumpho, M.E., Pelletreau, K.N., Moustafa, A. and Bhattacharya, D. (2011). The making of a photosynthetic animal. J. Exp. Biol. 214: 303-311.

Vaucheria litorea (algae)

Elysia chlorotica (lebt imMeer, nordamerikanischeAtlantikküste)

Plastiden überlebenmehrer Monate in den Zellen der Schnecke –den “Plastidendiebstahl” nennt man KleptoplastyChloroplasts in sea slug

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Photosynthese I






• 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.

Plastide

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Differenzierung von Plastiden

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:10.1199/tab.0110

LeafBlüten und Früchten

In dunklenphotosynthetischenGeweben

Samen, Embryo, Meristem und reproduktivenGeweben

Speicherung von Stärke, Öl und Proteinen

Licht induziert Umwandlung von Etioplastenzu Chloroplasten

Pribil, M., Labs, M. and Leister, D. (2014). Structure and dynamics of thylakoids in land plants. J. Exp. Bot. 65: 1955-1972 by permission of Oxford University Press . Von Wettstein, D., Gough, S. and Kannangara, C.G. (1995). Chlorophyll biosynthesis. Plant Cell. 7: 1039-1057..

Prolamellar Körper in Etioplast

Bildung von Lamellen

Primäre Lagenvon Lamellen

Granastapeln

Dunkel

Licht

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Plastiden in Pflanzenzellen

Aufbau Chloroplast

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Grana- und Stromathylakoide habenverschiedene Funktionen

Daum, B., et al., (2010). Arrangement of Photosystem II and ATP synthase in chloroplast membranes of spinach and pea. Plant Cell. 22: 1299-1312; 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: 5042-5047.

Lumen

Grana

PSII gepackt zwischen zwei Membranen

State 1

ATP synthase

PSI-LHCI supercomplex

Cyt b6f

LHCIICyt b6f

PSII

PSII findet man bevorzugt in Granathylakoiden, ATP synthase and PSIin StromalamellenCyt b6f überall in der Thylakoide


Photosynthese I





• Linearer Elektronentransport

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Wellenlängen des Lichts

Gammastrahlen

Röntgenstrahlen

IR

Visible

UV

Mikrowellen

Radiowellen

1 nm 1 μm 1 mm 1 mWellenlängen

500nm

400nm

600nm

Wellenlängen

Viel EnergieHohe FrequenzKurze Wellenlänge

Geringe EnergieGeringe FrequenzLange Wellenlänge

LichtenergieDie Energie des Lichts verhält sich umgekehrt proportionalzu seiner Wellenlänge:

blaues Licht ~ 300 kJ/mol Quantenrotes Licht ~ 170 kJ/mol Quanten

Zum Vergleich: eine C-C Bindung hat einen Energiegehalt von 346 kJ/mol

E = hc / lE = Energie eines Lichtquants (Joule photon-1)

h = Planck‘sches Wirkungsquantum (Proportionalitätskonstante)

c = Lichtgeschwindigkeit (3 x 108 m s-1)

l = Wellenlänge

Internat. Einheit des „Lichtflusses“: Mol Quanten m-2 s-1 (Einstein) Max. Sonnenlicht: ca. 2000 Mol Quanten m-2 s-1 (Hochlicht!)Sichtbarer Bereich: 400 – 700 nm (blau bis rot)

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Das kurzwellige Licht wird durch die Erdatmosphäre herausgefiltert

NASA

300 400 500 600 700 800

Wellenlänge (nm)

Lich

tspe

ktru

mde

s S

onne

nlic

hts

Erd

ober

fläch

e(μ

mol

phot

os /

m2 -

sec) 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.

Ultraviolett

Die Erdatmosphäreblockiert kurzeWellenlängen

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

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Wichtige Pigmente der Photosynthese

300 400 500 600 700 800

Wellenlänge (nm)

Abs

orpt

ions

spek

trum

phot

osyn

thet

isch

erP

igm

ente Chlorophyll a

Chlorophyll bβ-CarotinPhycoerythrinPhycocyanin

Akz

ess

oris

che

Pig

men

te

Phycocyanobilin(lineares Tetrapyrrol)

β-Carotin

Chlorophyll a

Tetrapyrrolring mitMg im Zentrum


Absorptionsspektrum der photosynthetischen Pigmente

300 400 500 600 700 800

Wellenlänge (nm)

Abs

orpt

ions

spek

trum

phot

osyn

thet

isch

erP

igm

ente Chlorophyll a

Chlorophyll bβ-CarotinPhycoerythrinPhycocyanin

Akz

ess

oris

che

Pig

men

te

Alle Chlorophyll-basiertenPhotosynthesesystemebenutzen Chlorophyll a

Akzessorischen Pigmente:• Chlorophyll b (Landpflanzen,

Grünalgen und Cyanobakterien)

• Carotenoide (in allenChlorophyll-basiertenPhotosynthesesystemen)

• Phycoerythrin(Cyanobakterien und nicht-grünen Algen)

• Phycocyanin(Cyanobakterien)

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Phycobiline

Neben Chlorophyll-a verfügen die photosynthetischen Membranen von Cyanobakterien und Rotalgen über Phycobiline

Offenkettige Tetrapyrrole

Kovalente Bindung an scheibenförmige Proteinstapel in Phycobilisomen

A B C D

A B C D

Thioether-Bindung mit Cystein


CarotinoideAlle photosynthetischen Membranen enthalten neben ChlorophyllenCarotinoide (nicht-kovalent an Chlorophyll-Bindeproteine gekoppelt)

Carotinoide sind lipophile, gelb-orange Pigmente mit konjugierten Doppel-bindungen (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 (O2-Radikalen)

Eigenschaften zeigen sich bei chromatographischer Trennung

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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.

Abbr.: st, stroma thylacoid; pg, plastoglobuli; gt, grana thalycoid.

polarem Tetrapyrrol-Ring („farbig“, durch konjugierte Doppelbindungen)

zentralem Magnesium-Atom (Mg2+-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

AldehydMethylChlorophyllePorphyrin-Ringsystem mit zentralem Metall-Atom (Magnesium)

bestehen aus:

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Die Absorptionsspektren der verschiedenen Chlorophylleunterscheiden 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*

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Eigenschaften eines Pigments Pigmente („farbige“ Moleküle) verfügen über ein konjugiertes pi-Elektronen-

system

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.

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.

P P*

Grundzustand

angeregter Zustand


Der angeregte Zustand von Chlorophyll ist kurzfristig. Rückkehr zum Grundzustand

kann auf vier Wegen erfolgen:

Chl

Chl*Photon

4. Elektronenübertragung (Photochemie): Energie wird als energiereiches Elektron auf benachbartes Molekül übertragen (Elektronenakzeptor) und hinterlässt Elektronenlücke im ursprünglichen Molekül (Ladungs-trennung).

1. Relaxation (Nicht-photochemisches quenchen; Energie wird in Wärme umgewandelt)

2. Fluoreszenz (Energie wird in Form von langwelligerem Licht abgestrahlt)

3. Resonanzenergieübertragung (Excitonentransfer):Energie wird auf anderes Pigmentmolekül übertragen und regt dieses an.

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UV 400 500 600 700 nm IR

Chl a

Chlorophylle haben zwei Haupt-Absorptionsbanden im blauen und roten Spektralbereich

Abs

orpt

ion

Die zwei Haupt-Absorptionsbanden entsprechen den zwei Haupt-Anregungszuständen der Chlorophylle

400 500 600 700 nm

Ch

l

2. Anregungszustand

1. Anregungszustand

Grundzustand

Rel

axat

ion(

en)

Fluo

resz

enz

Abs

orpt

ion

eine

s bl

auen

Lic

htqu

ants

Abs

. e. r

oten

Lic

htqu

ants

Energie

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)

MERKE: Für Photosynthese ist nur der stabilere, 1. Anregungszustand nutzbar!

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Die Chlorophyll-Fluoreszenz ist ein diagnostisches Werkzeug zum Nachweis und zur Untersuchung der Photosynthese (Effizienz)

PhotosyntheseLicht

Fluoreszenz Wärme

Zellen des Schwamm-parenchyms(Tabak-Blatt)

Trennplatte im Dunkeln

(bei Blaulicht-Anregung)

Chlorophylle relaxieren vom 1. Anregungszustand durch Abgabe von rotem Fluoreszenz-Licht

Carotin(oide) relaxieren dagegen „thermisch“ (strahlungslos)

Carotinoide Chl b, a -Carotin

abnehmende Polarität (bessere Pigment-Löslichkeit in der mobilen Phase (hydrophobes Laufmittel)

Dünnschicht-chromatographische Trennung

von Blattpigmenten

(feste Phase: Papier, Kieselgel)

START

Carotinoide Chl b, a -Carotin

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Zusammenfassung• Chlorophylle (Chl) bestehen aus einem polaren, „farbigen“ Tetra-

pyrrolring mit zentralem Magnesium (Mg2+)-Atom und einem hydrophoben Phytolschwanz. Sie sind nicht-kovalent an Chl-Binde-proteine (in der Membran) gebunden.

• Phycobiline sind offenkettige Tetrapyrrole niederer Organismen, die kovalent an ihre Trägerproteine gebunden sind.

• Chlorophylle und Phycobiline dienen der Aufnahme und Weiterleitungvon 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 zusätzlichPhycobiline.


Photosynthese I






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Modellorganismen der Photosyntheseforschung

Photosysteme in den ThylakoidenHöherer Pflanzen

st, stroma thylacoidgt, grana thylacoidpg, plastoglobuli

Form follows function!

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Photosysteme Höherer Pflanzen (schematisch, Seitenansicht)

Light Harvesting Complexes(LHCs)

core Antenna

Reaction Center (RC)

Thylakoid-Membran

RC, core Antennen und LHCs

sind Komplexe aus transmembranen, Chlorophyll-bindenden Proteinen

Chlorophylle sind in die hydrophoben Taschen der transmembranen Proteine eingesenkt.

Spiralen: a-Helices, grüne Ringsysteme: Chlorophyll a (Porphyrine, hier ohne Phytolschwanz)

Seitenansicht

Molekulare Struktur eines PS Höherer Pflanzencore Antenne (gelbe Helices) und Reaktionszentrum (blaue und rote Helices)

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LHC

LHC

LHC

LHCLHC

LHC

LHC

Photosysteme Höherer Pflanzen (Aufsicht)

coreAntenne

special pair (2 Chl a)

Chl a

Chl b

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).

RC

In der Regel bilden die core Antennen Dimere um das RC

LHC

LHC

LHC(dissoziiert)

200-400 Chlorophylle je Photosystem (PS)

coreAntenne

special pair (2 Chl a)

Chl a

Chl b

Phosphat

RC

LHC

P

P P

P

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.

P

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LHC

Einfangen von Lichtquanten und Energietransfer zum Reaktionszentrum (RC)

Chlorphyll a und b in den peripheren LHCs fangen die Lichtquanten ein und leiten diese Anregungsenergie mittels Resonanzschwingungenüber die core Antennen zum „special pair“ im Reaktionszentrum (RC) weiter, bis die Energie für Ladungstrennung ausreicht…

RCcore

Antenne

Durch Absorption eines Lichtquants entsteht im Chlein „angeregter“ Zustand

Chl b Chl b*

LichtquantLichtquant

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Chl b* Chl b

Angeregte Zustände (‚Exitonen‘) können zu benachbarten Chlorophyllen transferiert werden

Chl b Chl b*

Chl b* Chl b Chl a Chl a

Exitonentransfer in der Antenne

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Chl b Chl b* Chl a Chl a


Chl b Chl b Chl a* Chl a


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Chl b Chl b Chl a Chl a*


kein Netto-Transfer von Elektronen !

Transfer zwischen Chlorophyllen ist extrem schnell: 10-12 sec !

Energietransfer bevorzugt zwischen eng benachbarter Pigmenten mit überlappenden -Orbitalen.

Aus energetischen Gründen bevorzugte Transferrichtung: Chl.b Chl.a special pair

Chl b Chl b Chl a Chl a*


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D [Chl a]2* A D [Chl a]2+ A- D+ [Chl a]2 A-

Ladungstrennung im Reaktionszentrum

Durch Exitonentransfer wird die Lichtenergie aus den Antennen zumspecial 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-

Die Thylakoidmembran ist dicht mit Photosystemengefüllt (200 - 400 Photosysteme pro Grana „Etage“).

Die Lichtsammelkomplexe stehen z.T. in engem Kontakt, so dass Lichtenergie zwischen den Photosystemenausgetauscht werden kann.

Die Gesamtheit der Photosysteme einer Membran-Ebene bilden daher eine Funktionseinheit.

PSII- Komplexe(Aufsicht)

Granastapel (Seitenansicht)

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Bakterielle Photosystemevon 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).

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Die Reaktionszentren von Höheren Pflanzen und photosynthetischen Bakterien sind homolog

RC höherer Pflanzen

bakterielles RC

Vielfalt von photosynthetischen MembranenLH

Die Reaktionszentren der Purpurbakterien sind von ringförmigen Chlorophyll-haltigen Antennen umgeben (Aufsicht)

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Vielfalt von photosynthetischen Membranen

RC

RC

Die Reaktionszentren der Purpurbakterien sind von ringförmigen chlorophyllhaltigen Antennen umgeben (Aufsicht)

schematisch

Vielfalt von photosynthetischen MembranenDie unterschiedliche Organisation der Lichtsammelkomplexe in Höheren Pflanzen (links) und

Purpurbakterien (rechts)

RCRC

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Phycobilisomen: Lichtsammelkomplexe der Cyanobakterien und Rotalgen (Seitenansicht)

Die Phycobilisomen können sich ablösen ( Regulation der Lichtzufuhr) und enthalten nur Phycobiline

Der Lichtsammelkomplex(Phycobilisom) sitzt auf dem core Komplex und ragt aus der Membran

Der transmembrane core Komplex (RC + core Antennen) ist homolog zu dem in Höheren Pflanzen

Membran

Phycobiline

Chlorophylle

Geldrollen-artige Strukturen Stapel von scheibenförmigen Phycobilin-Bindeproteinen

RC

Exitonentransfer in den Phycobilisomen

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Die unterschiedliche Architektur der Lichtsammelkomplexe in Cyanobakterien (oben) und Pflanzen (unten)

Membran

Membran

Seitenansicht

Antennen-Dissoziation

vertikal

Antennen-Dissoziation

horizontal

ZusammenfassungDie Reaktionszentren (RCs) aller photosynthetischen Organismen enthalten Chl a und sind homolog (hoch konserviert).

Die Lichtsammelkomplexe (LHCs) der verschiedenen Organismen unterscheiden sich dagegen grundlegend:

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).

Struktur von Chlorobacten

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Photosynthese I






Der Emerson-Effekt (oder Enhancement-Effekt, entdeckt 1957)

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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

• Der Cytochrom b6f-Komplex koppelt die beiden Photosysteme

• Mobile Elektronencarrier(Plastochinon und Plastocyanin) gewährleisten den Transport zwischen den Komplexen

Sta

ndar

dred

oxpo

tent

ial

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• 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)

Photosynthetischer linearer ElektronentransportOxidation von Wasser und Reduktion von NADPH

Der Cyt b6f -Komplex vermittelt beim Elektronentransport zwischen PSII und PSI

Damit fungiert er gleichzeitig als Protonenpumpe ( ATP-Synthese)

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+

Abb. aus: Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“; Amer. Soc. of Plant Physiol.

Fdx = FerredoxinFNR = Fdx-NADP-Reduktase

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Struktur und Funktion von Photosystem II – LHCII complex

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: 900-905; Reprinted with permission © Annual Reviews Nickelsen, J. and Rengstl, B. (2013).Photosystem II assembly: From cyanobacteria to plants. Annu. Rev. Plant Biol. 64: 609 – 634.

Conserved reaction center core

PSII ist einMultiproteinkomplex der alsDimer funktioniert. Monomer:

D1D2

CP43 CP47

Dimer Struktur von PSIIDas konservierteReaktionszentrumbesteht aus D1 and D2, und den internenAntennenproteinenCP43 und CP47

Der SauerstoffbildendeKomplex besteht auseinem Mn4CaO5 cluster befindet sich auf der Seite des Lumens

H2O

1/2 O2 + 2 H+


Die Proteinzusammensetzung von PSII kann man mittels SGC, SDS-PAGE und EM untersuchen

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: 3052-3063.

Sucrose gradient centrifugation (SGC)

He

avi

er

Lig

hte

r

Trennung der Proteinkomplexe mittelsSDS-PAGE

EM Untersuchung von PSII

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Molekulare Struktur von PSII: Proteinepositionieren Pigmentmoleküle

Neveu,Curtis


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 QA zu QA−

(5) QA− reduziert QB zu QB

−

P680 → P680* → P680+

Pheo → Pheo−

e-e−

(1) (2)

(3)

QA → QA−

e-e−

(4)

PSII

(4)

(3)

STROMA

LUMEN

(5)

QB → QB−

(5)

e-e−

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Plastoquinon / Plastoquinol: einElektronen- und Protonencarrier

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: 788–802.

Plastoquinon (PQ) wird reduziertzu PQ2 − und nimmt dabei zweiProtonen aus dem Stroma aifPQH2 (Plastoquinol)

Plastoquinon (PQ) dockt an QB Seitevon PSII

Plastoquinonol (PQH2)

2 e−2 H+ Diffundiert durch

Lipiddoppelschicht zuCyt b6f

PQH2 trägt zweiProtonen und zweiElektronen durchLipiddoppelschicht

Reaktionen am Photosystem II

Abbildung aus „Stryer“, Biochemie, Kap. 19, Spektrum Verlag

2 H2O + 4 Lichtquanten O2 + 4 H+ + 4 Elektronen

Wasserspaltung

PSII

Anregung

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Der Mn4-Komplex fungiert als Ladungs- bzw. „Redox“-Akkumulator (d.h. er akkumuliert zunächst selbst 4 „Elektronenlöcher“).

Durch die konzertierte Oxidation von 2 Mol H2O (Entzug von 4 Elektronen) wird die Bildung von destruktiven Sauerstoffradikalen stark gemindert.

2 H2O + 4 Lichtquanten 1 O2 + 4 H+Lumen + 4 e-

2 Moleküle H2O werden an einen Mangan-Komplex (Mn4) gebunden.

Nach Entzug von 4 Elektronen aus dem Wasser-Mn4-Komplex werden 4 H+

(Protonen) und ein O2 frei.

Wasserspaltung

Reaktionen am Photosystem II

ET


Q Zyklus und Cytochrome b6f Komplex

Stroma(electro-

negative side)

Lumen(electro-

positive side)

PSII Reaction Center

Cytochromb6f complex

PSI Reaction Center

Mobiles PQH2

transportiert Elektronenzum Cyt b6f

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: 1349-1358.

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Q-Zyklus am Cytochrom b6f-Komplex

Bilanz: 1 PQH2 + 2 PCox + 4 H+(Stroma) 1 PQ + 2 PCred + 4 H+

(Lumen)Bilanz: 1 PQH2 + 2 PCox + 4 H+(Stroma) 1 PQ + 2 PCred + 4 H+

(Lumen)


2 e- 1 e-

Übergang2 e- 1 e-

Übergang

Die Reduktion von Plastochinon (PQ, 1) zu Plastochinol (PQH2, 3) erfolgt über das Semichinon-Radikal (PQH, 2).

2 mobile redox-Carrier: - PQ (Plastochinon): PSII Cyt b6f (in der Lipidphase) - PC (Plastocyanin): Cyt b6f PSI (im Thylakoid-Lumen)

Cytochrom b6f-Komplex: - vermittelt Elektronentransport (PSIIPQ und PCPSI) - fungiert als Protonenpumpe (StromaLumen)- homolog zum Cytochrom bc-Komplex der Mitochondrien (Atmungskette)

Photosynthetischer Elektronentransport (PET)

FNR = Ferredoxin-NADP-Reduktase



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Reaktionen am Photosystem IDonor: 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

4 PCred + 4 Quanten + 4 Fdox 4 PCox + 4 Fdred

PSI

Anregung

Abbildung aus „Stryer“, Biochemie, Kap. 19, Spektrum Verlag

Molekulare Struktur von PS IPSI besteht aus 17 Proteinuntereinheiten, vorallem PsaA and PsaB, and 178 prosthetischenGruppen, vor allemChlorophyll

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In Pflanzen ist PSI halbmondförmig von LHCI Komplexen umgeben

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: e07433. Minagawa, J. (2013). Dynamic reorganization of photosynthetic supercomplexes during environmental acclimation. Front. Plant Sci. 4: 513.

PSI core

LHCI

Proteins Pigments

Sicht vom Lumen auf die Membran

ChlamydomonasTwo rows of LHCI

Pea complexSingle row of LHCI


Ferredoxin transferiert Elektronen via Ferredoxin:NADP+ Reduktase (FNR)

Reprinted from Mulo, P. (2011). Chloroplast-targeted ferredoxin-NADP+ oxidoreductase (FNR): Structure, function and location. Biochim. Biophy. Acta (BBA) - Bioenergetics. 1807: 927-934 with permission from Elsevier.

From PSI

e-

NADP+ NADPH

e−H+ + 2

Ferredoxin: kleines Fe2S2

Protein

Ferredoxin (Fd) Ferredoxin: NADP+ reductase

Fe2S2

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Das „Z-Schema“ des photosynthetischenElektronentransports (PET)

Abb. aus: Buchanan et al., „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“; Amer. Soc. of Plant Physiol.

MERKE: Exergone Reaktionen (↓) auf den Akzeptorseitenbeider Photosysteme (PSII, P680* und PSI, P700*)

stabilisieren die Ladungstrennung in den Reaktionszentren!

MERKE: Exergone Reaktionen (↓) auf den Akzeptorseitenbeider 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

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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 H2O 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+ PQH2).

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 b6f-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 O2 aus der Wasser-spaltung) NADPH und ATP, die den so genannten „Dunkel-Reaktionen“ (z.B. Calvin-Zyklus) im Chloroplasten-Stroma zur Verfügung stehen.

photosynthese i „lichtreaktionen“ - uni-muenster.de · durch absorption von licht kann ein...

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