photosynthese ii „lichtreaktionen“ · 22.05.2016 2 die photosynthese besteht aus zwei...

22.05.2016

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Vorlesung „Zellbiologie Physiologie und Genetik“

SoSe 2016

Photosynthese II„Lichtreaktionen“

Prof. Dr. Iris Finkemeier

Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen

Photosynthese II

• Photosynthese Überblick

• Linearer Elektronentransport

• Zyklischer Elektonentransport und Wasser-Wasser Zyklus

• Bakterienphotosynthese

• ATP Synthese (Photo-Phosphorylierung)

• Mechanismen der Photosynthese zur Akklimatisierung an Licht

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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−

Hill, R. (1937): Oxygen evolution by isolated chloroplasts. In: Nature. Bd. 139, S. 881–882.

Sir Robert Hill

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„Linearer“ Elektronentransport dient der Erzeugung von Reduktionskraft (NADPH)

und eines Protonengradienten, der die ATP-Synthese antreibt

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

2 H2Oe-

4 H+O2

Photosystem II

e−

e−

e−

e−

Cytochromeb6f complex

Photosystem I

Plastoquinone

Plastocyanin

Ferredoxin

H2O PSII PQ Cyt b6f PC PSI Fd NADP+ NADPH

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.

Photosynthetischer linearer ElektronentransportOxidation von Wasser und Reduktion von NADPH

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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 Emerson-Effekt (oder Enhancement-Effekt)

Emerson, Robert (1957). "Dependence of yield of photosynthesis in long wave red on wavelength and intensity of supplementary light". Science 125: 746.

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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

Photosynthese II






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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



Q Zyklus und Cytochrom 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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Cytochrom b6f Komplex

Rieske JS, Maclennan DH, Coleman, R (1964). "Isolation and properties of an iron-protein from the(reduced coenzyme Q)-cytochrome C reductase complex of the respiratory chain". Biochem. Biophys. Res. Commun. 15 (4): 338–344

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).

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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

Molekulare Struktur von PS I

PSI besteht aus 17 Proteinuntereinheiten, vorallem PsaA und PsaB, und 178 prosthetischenGruppen, vor allemChlorophyll

Å

Å

Reprinted from Amunts, A. and Nelson, N. (2009). Plant photosystem I design in the light of evolution. Structure. 17: 637-650 with permission from Elsevier.

4Fe 4S-Cluster

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In Pflanzen umgeben LHCI Komplexe PSI halbmondförmig

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

Proteine Pigmente

Sicht vom Lumen auf die Membran

ChlamydomonasZwei Reihen LHCI

ErbseEine Reihe von LHCI

Ferredoxin transferiert Elektronen auf NADP+ 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+

Reduktase

Fe2S2

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Ferredoxin:NADP+ Reduktase (FNR)

Ferredoxin verbindet PET mit verschiedenen Stoffwechselreaktionen

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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 Kohlenstoffreaktionen (z.B. Calvin-Zyklus) im Chloroplasten-Stroma zur Verfügung stehen.

Photosynthese II







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Drei Wege des photosynthetischenElektronentransports (PET)

Linearer ET (LET) Zyklischer ET (CET) Wasser-Waser Zyklus

• Elektronentransfer von H2O auf NADPH

• PSII, Cyt b6f, und PSI• NADPH und pmf für ATP

Synthese

• Cyt b6f and PSI• Generiert pmf für ATP

synthese, kein NADPH

H2O

NADPHH+

H+

H+

H+

H2O

H+

H+

H2O

• Elektronentransfer vonH2O to H2O

• PSII, Cyc b6f, and PSI• Generiert pmf für ATP

synthese, kein NADPH

PSI kann ohne PSII arbeitenZyklischer Elektronentransport

dient ausschließlich dem Pumpen von Protonen

P700*

P700+

P700

PSI

Cyt b6f

PQ

PC

Die Elektronentransportkettegeneriert die pmf zur Produktionvon ATP

Zyklischer Elektronentransport: • nur PSI, nicht PSII• Involviert die Elektronentransportkette• zur ATP Produktion• Keine O2 Produktion• Keine NADPH Produktion

Dadurch kann ATP-Mangel ausgeglichen werden.

Der zyklische Elektronentransport ähnelt der bakteriellen Photosynthese!

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Beim zyklischen Elektronentransporttransferiert PSI Elektronen auf Cyt b6f

Elektronen werdennicht auf NADP+

transferiert, nur pmfim Lumen aufgebaut.

Das Verhältniszwischen ATP und NADPH wird erhöht.

Wichtig zurVermeidung von Photoinhibition!

Reprinted from Shikanai, T. (2014). Central role of cyclic electron transport around photosystem I in the regulation of photosynthesis. Curr. Opin. Biotechnol. 26: 25-30 by permission from Elsevier..

Reprinted from Shikanai, T. (2014). Central role of cyclic electron transport around photosystem I in the regulation of photosynthesis. Curr. Opin. Biotechnol. 26: 25-30 by permission from Elsevier..

Es gibt mindestens zwei Wege des zyklischen Elektronentransports

(1) PSI Fd PQ Cyt b6f PC PSI

(2) PSI Fd NADP+ PQ Cyt b6f PC PSI

Weg 1 benötigt PGR5 (PROTON GRADIENT

REGULATED5) und PGRL1 (PGR-LIKE1) Weg 2 involviert NAD(P)H

Dehydrogenase (NDH)

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1. PGRL1/PGR5-abhängiger zkylischer Elektronentransport

2. NAD(P)H dehydrogenase-abhängigerzyklischer Elektronentransport

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Warum zkylischer Elektronentransport?

Stöchiometrie des Ertrags durch den Elektronentransport

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

1. Bei einer Quanten-Effizienz von ~0.8: für 5 Photonen in PSII gelangen 4 e− in LET

3… und 4 H+

freigesetzt: Oxidation von H2O

4. Die 4 e− von PSII führen zu 8 H+ im Lumen durch den Q-Zyklus

7. Daher werdenwenigstens 2 H+ durchden CEF benötigt um den Calvin-Benson Zyklus zubetreiben

2… 4 e−

reduzieren2 NADP+

+ 2 H+ zuNADPH…

5. Der Calvin-Benson Zyklus benötigt 3 ATP für je 2 NADPH

6. ATP synthase benötigt 14 H+

um 3 ATP zuproduzieren

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Der Wasser-Wasser Zyklus(Mehler Reaktion, Mehler 1957)

2 H2Oe-

4 H+O2

Photosystem II

e−

e−

e−

Cytochrom b6f Komplex

Photosystem I

e−O2 O2·− H2O2 H2O

SOD APX

SOD = Superoxiddismutase

APX = AscorbatPeroxidase

Beim Wasser-Wasser Zyklus wird ATP jedoch kein NADPH produziert! Wichtigin der frühen Phase des Dunkel-Licht Übergangs, wenn Calvin Benson Zyklus noch nicht voll aktiv ist.

H2O PSII PQ Cyt b6f PC PSI O2 H2O2 H2O

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.

Die plastidäre terminale Oxidase (PTOX) oxidiert PQH2 und reduziert O2

Reprinted with permission from Rumeau, D., Peltier, G. and Cournac, L. (2007). Chlororespiration and cyclic electron flow around PSI during photosynthesis and plant stress response. Plant Cell Environ. 30: 1041-1051. See also Nawrocki, W.J., Tourasse, N.J., Taly, A., Rappaport, F. and Wollman, F.-A. (2015). The plastid terminal oxidase: Its elusive function points to multiple contributions to plastid physiology. Annu. Rev. Plant Biol. 66: 49 -74.

Wasser-Wasser ZyklusChloro-

respiration

Chlororespirationvermindert den Elektronendruck bei starker Anregung der Photosynthese

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Zusammenfassung: Wege des photosynthetischen Elektronentransports

Beim LET ist Wasser (H2O) der Elektronendonor und NADP+ der Akzeptor.

Beim CET werden Elektronenvom PSI wieder an PSI übertragen.

Beim Wasser-Wasser Zyklus werden Elektronenvom Wasser auf O2

übertragen und dabei wiederzu Wasser reduziert.

Der Anteil der jeweiligen Wegewird durch den Bedarf des

Metabolismus an ATP und NADPH definiert

RUBISCO

3 GAP

Photosynthese II







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1.5 billion years ago

Glaucophytes

Rhodophytes (Red algae)

Chlorophytes (Green algae)

Plants

PlastidPrimary eukaryotic host

Nucleus

Free-livingβ-Cyanobacterium

Mitochondrion

0.06 billion years ago

Free-livingα-Cyanobacterium

Eukaryotic amoeba host

Photosynthetic amoeba Paulinella chromatophora

chromatophores

5 μm

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: from Gould, S.B. (2012). Evolutionary genomics: Algae's complex origins. Nature. 492: 46-48. Reproduced with permission © Annual Reviews Gould, S.B., Waller, R. F., and McFadden, G. (2008). Plastid evolution. Annu. Rev. Plant Biol. 59: 491 – 517; See also Mackiewicz, P., Bodył, A. and Gagat, P. (2012). Possible import routes of proteins into the cyanobacterial endosymbionts/plastids of Paulinella chromatophora. Theory in Biosciences. 131: 1-18.

Beweis für ein weiteres unabhängigesendosymbiotisches Ereignis: Paulinella chromatophora

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Evolution und Diversität der Photosynthese

Zwei Typen von Reaktionszentren (RC): Typ I & Typ II• Beide kommen unabhängig voneinander in verschiedenen

photosynthetischen Bakterien vor• Beide Typen findet man in Cyanobakterien und Chloroplasten

Typ I: Eisen-SchwefelReaktionszentren

Typ II: Phaeophytin-Quinon Reaktionszentren

PSII

PSI

Sauerstoff-produzierendePhotosynthesebenötigt parallel geschaltete TypI & Typ II RCs

O2

Die meistenphotosynthetischen

Prokaryotenbenutzen nur ein

RC-Typ und setzenkein Sauerstoff frei

Reprinted from Allen, J.P. and Williams, J.C. (1998). Photosynthetic reaction centers. FEBS Letters. 438: 5-9 with permission from Elsevier.

Typ I & Typ II Reaktionszentren sind in Prokaryoten weit verbreitet

Reprinted from Macalady, J.L., Hamilton, T.L., Grettenberger, C.L., Jones, D.S., Tsao, L.E. and Burgos, W.D. (2013). Energy, ecology and the distribution of microbial life. Phil. Trans. Roy. Soc. B: 368: 20120383. by permission of the Royal Society. See also Blankenship, R.E. (2010). Early evolution of photosynthesis. Plant Physiol. 154: 434–438;

Typ I

Typ II

Typ II

Typ I

Typ I

Cyanobakterien, Chloroplasten

Typ I + Typ II

Lateraler Gentransfer war entscheidend für die Evolution der Photosynthese.

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Prokaryotische Diversität der Photosynthese

Adapted from Raymond, J. (2008). Coloring in the tree of life. Trends Microbiology. 16: 41-43.

Phylum Entdeckung RC Pigmente

Cyanobakterien 1800s Typ I + Tye II Chl a,b,c,d

Proteobakterienz. B. Purpurbakterien

1800s Typ II BChl a,b

ChlorobiGrüne Schwefelbakterien

1906 Typ I BChl a,c, d, e; Chl a

ChloroflexiFilamentöse anoxische Phototrophe

1974 Typ II BChl a,c

FirmicutesHeliobakterien

1983 Typ I BChl g; Chl a

Acidobakterien 2007 Typ I BChl a,c

Typ I sind die ursprünglchen RCs

With kind permission from Springer Science+Business Media Nelson, N. (2013). Evolution of photosystem I and the control of global enthalpy in an oxidizing world. Photosynth. Res. 116: 145-151.

Model zur Evolution der RCs

Gene duplication: PsA → PsaB

tim

epa

stpr

esen

t

Chlorobi Cyanobacteria

Fe-S cluster as electron acceptor

Ancestral reaction center

ProteobacteriaCyanobacteria Rhodopseudomonas

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Bakterien-Photosynthese (außer Cyanobakterien, spalten bereits Wasser)

Photosynthetische Bakterien enthalten:

nur ein Photosystem

einen Cytochrom-bc-Komplex als Protonenpumpe (homolog zum Cytochrom-bf- Komplex der Pflanzen)

eine rotierende ATP-Synthase(homolog zur ATP-Synthase in Thylakoiden und Mitochondrien)

MERKE: Photosynthese hat sich im Anaeroben entwickelt!

Purpurbakterienbetreiben zyklische Photosynthese

Abbildung aus H-W Heldt „Pflanzenbiochemie“

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PET und Oxidation von Schwefelwasserstoff (z.B. bei grünen Schwefelbakterien )

Abbildung aus H-W Heldt „Pflanzenbiochemie“

Photosynthese II







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ATP-Synthese „Photo-Phosphorylierung“

„Lehninger Biochemie“

ATP: Adenosintriphosphat

ATP-Spaltung:

ADP + Pi (Orthophosphat)AMP + PPi (Pyrophosphat)

PhosphoesterbindungPhosphoanhydridbindung

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Elektrische und H+ Gradienten betreibenATP Synthese

ADP + Pi

PSI

Cyt b6f

2 NADP+

2 NADPH

2 H+ e−

PSII

H+

ATP

[H+]ProtonenGradient von hoch(Lumen)

nach gering(Stroma)

2 H2O e−

4 H+ O2

4

Thylakoid Membran

ATP Synthase

Struktur und Funktion der ATP Synthase

Daum, B., Nicastro, D., Austin, J., McIntosh, J.R. and Kühlbrandt, W. (2010). Arrangement of Photosystem II and ATP synthase in chloroplast membranes of spinach and pea. Plant Cell. 22: 1299-1312.

Thylakoid Lumen

ADP + Pi

H+

ATP

H+

ATP Synthase

H+

H+

H+H+ H+

H+ H+

H+

H+

Die Dissipation des Protonengradienten ist mit ATP Synthese gekoppelt

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Plastidäre (CF-ATPase) und mitochondriale (F-ATPase) sind homologe Enzyme und weitgehend identisch.

Plastidäre (CF-ATPase) und mitochondriale (F-ATPase) sind homologe Enzyme und weitgehend identisch.

Die molekulare Struktur der ATP-Synthase ist aufgeklärt.Die molekulare Struktur der ATP-Synthase ist aufgeklärt.

Kopf

Hals

Stator

Membran-anteil

Die Struktur der F- ATPase ist hoch konserviert.

rot Kern-codiert rosa Plastom-codiert

Die Untereinheiten aus Spinat (rot) und E. coli (rosa) können funktionelle Chimären bilden !

Die UE der F- ATPase sind in verschiedenen Genomen kodiert.

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Molekulare Evolution der (C)F-ATP-Synthasen

Vorläufer: V-ATPase (Protonenpumpe, Ionentransport)

Geschätzt: ca. 2 Mrd. Jahre alt

ATPasen kommen in allen aeroben Organismen vor!

F1-Kopf wahrscheinlich von hexameren DNA-Helikasen abgeleitet

Fo-Untereinheiten homolog zu (abgeleitet von) transmembranen, Protonen-bindenden Untereinheiten des Flagellen-Motors(30 Einheiten beim Flagellen-Motor, 10-14 Einheiten bei ATPasen)

Molekulare Evolution der (C)F-ATP-Synthasen

Vorläufer: V-ATPase (Protonenpumpe, Ionentransport)

Geschätzt: ca. 2 Mrd. Jahre alt

ATPasen kommen in allen aeroben Organismen vor!

F1-Kopf wahrscheinlich von hexameren DNA-Helikasen abgeleitet

Fo-Untereinheiten homolog zu (abgeleitet von) transmembranen, Protonen-bindenden Untereinheiten des Flagellen-Motors(30 Einheiten beim Flagellen-Motor, 10-14 Einheiten bei ATPasen)

Die ATP-Synthase ist ein rotierender molekularer Motor, der durch „Protonen-motorische Kraft“ angetrieben wird

„Stator“

- verbindet CF1 und CFo

- fest mit CF1 verbunden

„Stator“

- verbindet CF1 und CFo

- fest mit CF1 verbunden-Untereinheit (Hals) - verbindet CF1 mit CFo

- dreht sich IN CF1

- starr mit CFo verbunden

CFo (Membrananteil)

- 10 – 15 c-subunits (-Helices) - je eine H+-Bindestelle

CFo (Membrananteil)


CFo (Membrananteil)


CF1 (Kopfteil) - 3 - und 3 -Untereinheiten - 3 katalytische Bindestellen

Buchanan et al., „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“

CFo = Oligomycin (ein Antibiotikum)

Der Protonenfluss durch CFO dreht den zentralen Hals /Stiel (stalk subunit) und liefert durch das Drehmoment Energiezur ATP Synthese

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Summengleichung Photo-Phosphorylierung:

ADP + Pi + pmf ATP + H2O

Die ATP-Synthese wird durch Protonen-motorische Kraft (proton-motive force, pmf) angetrieben, und setzt sich aus dem chemischen Gradienten (pH) und dem elektrischen Potential (y) zusammen:

pmf = mH+ = pH + y

Die pmf wird durch Licht-getriebenen e--Transport aufgebaut (H+ Lumen).

Bei ATP-Synthese fließen 4,67 H+ pro ATP zurück ins Stroma (Abbau der pmf).

Proton motive force (pmf)

Problem: In wässriger Lösung liegt das Gleichgewicht auf Seite der hydrolytischen Spaltung von ATP!

ATP + H2O ADP + Pi

Problem: In wässriger Lösung liegt das Gleichgewicht auf Seite der hydrolytischen Spaltung von ATP!

ATP + H2O ADP + Pi


In wässriger Umgebung: ATP + H2O ADP + Pi

In wasserfreier Umgebung: ADP + Pi ATP (+ H2O, gebunden)

In der geschlossenen Bindetasche wird H2O vorübergehend gebunden und damit dem chemischen Gleichgewicht entzogen!

Die ATP-Synthese geht mit zyklischen, pmf-getriebenen Konformationsänderungen der 3 Bindetaschen am CF1 einher. Dabei werden die Bindetaschen vorübergehend „wasserfrei“.

Die ATP-Synthese geht mit zyklischen, pmf-getriebenen Konformationsänderungen der 3 Bindetaschen am CF1 einher. Dabei werden die Bindetaschen vorübergehend „wasserfrei“.


F1 binding sites can adopt an „open“ (O), „tight“ (T), or „loose“ (L) conformation (Paul Boyer, 1977)

ATP wird im „Boyer's binding change mechanism” gebildet(Nobelpreis für Chemie 1997, Boyer, Walker, Skou)

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Der Protonen-Rückfluss löst eine Drehung von [CFo + g-UE] gegenüber [CF1 + Stator] aus.

Die Drehung der -UE im Kopfteil treibt den katalytischen „binding change cycle“ an.

Pro Drehung (im katalytischen Zyklus) werden 14 Protonen transportiert und 3 ATP gebildet.

Rotation wird durch sukzessive Protonierung (Einbringen positiver Ladung in die 12 -Helices des CFo) ausgelöst.

4 Protonen

Konformations-

änderungen!

Chemiosmotische Kopplung durch Rotation der ATP-Synthase


Video-Empfehlung: https://www.youtube.com/watch?v=XI8m6o0gXDY

Zusammenfassung: Struktur und Funktion der Photosynthese Komplexe

ATP Synthase

Die einzelnen Photosynthesekomplexe bestehen aus Dutzenden Proteinen und Hunderten von Pigmenten und Co-Faktoren. Ihre Aufklärung und das Verständnisgehen auf die Forschung von Hunderten von Wissenschaftlern über die letztenJahrzehnte zurück.

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. Photochemistry and Photobiology. 84: 1349-1358.

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Photosynthese II



• Zyklischer Elektonentransport




Anpassung an Lichtstress

Adapted from Li, Z., Wakao, S., Fischer, B.B. and Niyogi, K.K. (2009). Sensing and responding to excess light. Annu. Rev.Plant Biol. 60: 239-260.

Light intensity

Rat

e o

f p

ho

tosy

nth

esis

Bei geringerLichtintensität:

Lichtintensitätlimitiert

Photosynthese-leistung

Bei hoher Lichtintensität: Zu viel Licht kann die

Photosynthesekomplexe schädigen

Der metabolische und physiologische Status der Pflanze oder Zelledefiniert wieviel Licht

“zu viel” ist

Optimal conditions

Stressed conditions

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Zu viel Anregungsenergie kann zu photo-oxidativen Schäden führen

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd Demmig-Adams, B. and Adams, W.W. (2000). Photosynthesis: Harvesting sunlight safely. Nature. 403: 371-374.

Photonen-angeregtes Chlorophyll bildet angeregtes SingulettChlorophyll 1Chl*1Chl* kehrt zum Grundzustandzurück durch:

PhotochemieFluoreszenzDissipation

(z.B., Hitze, NPQ)

Alternativ, wird 1Chl* zumangeregten Triplett Chlorophyll 3Chl* umgewandelt, welches seine Energie auf Sauerstoff transferiert. Dabei entsteht Singulett-Sauerstoff, der Zellschädenverursachen kann.

P

F

D

NPQ

Lichtreaktionen

Kohlenstofffixierung

ATP NADPHADP NADP+

Hohe Temp.Erhöhte

Membranpermeabilitätund verringerte pmf

TrockenheitinduziertStomataschluss und verhindert CO2

Aufnahme

KälteverringertGeschwindigkeitvon Enzymreaktionen

Nährstoffmangeloder ÜberschussbeeinflusstElektronentransport

Hitze, Trockenheit, Temperatur & andereFaktoren beeinflussen die Effizienz der

Photosynthese

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Photoinhibition (qI) verursacht vor allemSchaden an PSII

Reprinted by permission from Takahashi, S. and Murata, N. (2008). How do environmental stresses accelerate photoinhibition? Trends Plant Sci 178-182.

Das D1 Protein von PSII wirdleicht geschädigt. Das D1 Protein wird daher sehrschnell neusynthetisiert und ausgetauscht. Wenn die Syntheserate mitder Schädigungnicht mithält, trittPhotoinhibitionein.

1. Kurzfristige Strategien zur Vermeidungvon Schäden durch Starklicht

Li, Z., Ahn, T.K., Avenson, T.J., Ballottari, M., Cruz, J.A., Kramer, D.M., Bassi, R., Fleming, G.R., Keasling, J.D. and Niyogi, K.K. (2009). Lutein accumulation in the absence of zeaxanthin restores nonphotochemical quenching in the Arabidopsis thaliana npq1 mutant. Plant Cell. 21: 1798-1812. Havaux, M. and Niyogi, K.K. (1999). The violaxanthin cycle protects plants from photooxidative damage by more than one mechanism. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 96: 8762-8767; Adapted from Li, Z., Wakao, S., Fischer, B.B. and Niyogi, K.K. (2009). Sensing and responding to excess light. Annu. Rev.Plant Biol. 60: 239-260

Dynamische Anpassung der Antennenkomplexe

Reaction center

Antenna complex

Abgabe der Energie als Hitzeoder Fluoreszenz

Quenching von Triplettchlorophyllund Entgiftung von reaktivenSauerstoffspezies

lutein

Npq1 Pflanzen haben einen Defekt beider Disspation von Strahlungsenergie

und bleichen bei Starklicht aus.

zeaxanthin

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Oikawa, K., Kasahara, M., Kiyosue, T., Kagawa, T., Suetsugu, N., Takahashi, F., Kanegae, T., Niwa, Y., Kadota, A. and Wada, M. (2003). CHLOROPLAST UNUSUAL POSITIONING1 is essential for proper chloroplast positioning. Plant Cell. 15: 2805-2815. Donald Hoburn; Walter Siegmund; Kristian Peters

Sch

wac

hlic

ht

Sta

rklic

ht

Top view Side view

Chloroplastenwandern an die Seite der Zellen

Selaginella lepidophylla

Änderung des Blattwinkels oderEinrollen von Blättern.

Arctostaphylos patula

Eucalyptus rossii

2. Mittelfristige Strategien zur Vermeidungvon Schäden durch Starklicht

Chloroplastenbewegung

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Akklimatisierung durch Veränderung in der Stöchiometrie der Photosynthesekomplexe

Walters, R.G. (2005). Towards an understanding of photosynthetic acclimation. J. Exp. Bot. 56: 435-447.

Schwachlicht: Mehr Antennen(LHCII)

Starklicht: GrößerephotosynthetischeKapazität (mehrPSII etc)

Arabidopsis im Schwachlicht (schwarze Balken) oderStarklicht (weiße Balken).

3. Langfristige Strategien zur Vermeidungvon Schäden durch Starklicht

Dissipation von zu viel Licht via “non-photochemical quenching” NPQ

“Non-photochemical quenching” Setzt sich zusammen aus:

qE = Energie-abhängiges Quenching: Xanthophyll-ZyklusqT = State transition: Bewegung von LHCIIqI = Photoinhibition: Verlust der Photosyntheseleistungdurch Licht-induzierte Schädigung

Chl

1Chl*

Photon Non-photochemical quenching (NPQ)

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Energie-abhängiges quenching (qE) macht den Haupteil von NPQ aus

PSII

[H+]

LHC PSIILHC

Normallicht: HoheEffizienz der Photosynthesebei Ausnutzungder vollenLichtenergie

[H+]

[H+]

[H+][H+]

VDEStarklicht:Energie-abhängigesquenching 1. Ansäuerung des Lumens aktiviert dieViolaxanthin De-epoxidase (VDE)

2. VDE wandeltViolaxanthin in Zeaxanthin um. Absorption des Lichts durch Zeaxanthin führt zurDissipation der Lichtenergie

Xanthophyll Zyklus: reversible Umwandlung von Carotenoiden

Violaxanthin de-epoxidase

(VDE)

Zeaxanthin epoxidase

(ZE)

Starklicht/ geringer luminalerpH induziert VDE, welche die Umwandlung von Violaxanthinzu Zeaxanthin katalysiert.Bei Schwachlicht/ hohemluminalen pH, wird die Reaktion durch ZE revertiert.

Hieber, A.D., Kawabata, O. and Yamamoto, H.Y. (2004). Significance of the lipid phase in the dynamics and functions of the xanthophyll cycle as revealed by PsbS overexpression in tobacco and in-vitro de-epoxidation in monogalactosyldiacylglycerol micelles. Plant Cell Physiol 45: 92-102 by permission of Oxford University Press.

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Zeaxanthin fördert strukturelle Änderungenund Hitze-Dissipation im Photosystem

Reprinted with permission from Ruban, A.V. (2015). Evolution under the sun: optimizing light harvesting in Photosynthesis. J. Exp. Bot. 66: 7 – 23; Müller-Moulé, P., Conklin, P.L. and Niyogi, K.K. (2002). Ascorbate Deficiency Can Limit Violaxanthin De-Epoxidase Activity in Vivo. Plant Physiol. 128: 970-977.

Die Akkumulation von Zeaxanthin (durch VDE Aktivierung) führt zurUmlagerung von LHCII und RCII. Vermindert Lichttransfer an RCII

Die strukturellen Änderungenführen dazu, dass mehrEnergie als Hitze abgestrahltwird.

Energie-abhängiges quenching (qE) macht den Haupteil von NPQ aus

Neben dem Xantophyll-Zyklus wird auch das PSBS-Protein durch Protonierung aktiviert und hilft bei der Reorganisation von PSII.

Buchanan et al., „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“

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Zeaxanthin und Lutein sind wichtigeAntioxidantien zum Schutz vor Lichtschäden

Niyogi, K.K., Björkman, O. and Grossman, A.R. (1997). The roles of specific xanthophylls in photoprotection. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 14162-14167.

Mangel an Zeaxanthin und Lutein beiChlamydomonas führt zum Ausbleichen

Akkumulation von Zeaxanthin und Lutein (aus dem Essen) in der Makula(orange Farbe), schützen auch das menschliche Auge vor photooxidativenSchäden.

Asymmetrische Verteilung

der Photosynthese-Komplexe

in der Thylakoidmembran

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Die Menge an CURT1 Protein bestimmt das Ausmaß der Ausbildung von Granastapeln.

Armbruster et al. (2013) Arabidopsis CURVATURE THYLAKOID1 proteins modify thylakoid architectureby inducing membrane curvature. Plant Cell

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CURT1 Oligomere stabilisieren die Grana-Ränder (margins). Protein-Phosphorylierung spielt auch eine große Rolle bei der Ausbildung von

Granastapeln.Pribil M, Labs M, Leister D. 2014 Structure and dynamics of thylakoids in land plants. J Exp Bot.

Die Membranen der Chloroplastensind ungewöhnlich

Lipid-Zusammensetzung

Nur 10-15% Phospholipide

75% Galactolipide

Stark ungesättigt

O

H

HH

OH

H

OH

H OH

O

OH

O

O

O

R

O

R

galactose

linolenoyl

Sehr flüssig

Kleine Kopfgruppe

Keine Ladung

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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

Wie entsteht laterale Heterogenität der Proteinkomplexe?

- Sterische Hinderung ATP Synthase

- Anziehung durch Lichtsammelkomplexe in den Granamembranen

Pribil, M., Labs, M., and Leister, D. (2014). Structure and dynamics of thylakoids in land plants. J. Exp. Bot.

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Die Kernbereiche der Grana-Stapel sind Orte der Wasserspaltung

Von den Grana-Randbereichen („margins“) werden im Licht ATP und NADPH in das Stroma entlassen und zur CO2-Fixierung genutzt

Stroma-Lamellen sind Orte von Biosynthese, Abbau und „Reparatur“ (Protein turn-over)

NADPH

ATP

Abbildung verändert

State transitions: LHCII wandert von Granastapeln zu Stromalamellen nach Belichtung

mit PSII Licht (650 nm)

Ein reduzierter PQH2 Pool aktiviert die Kinase STN7 LHCII wird phosphoryliert. Oxidation aktiviert die Phosphatase TAP38.

State 1: Lhcb2 (dephosphoryliert) vermehrt an PSII

State 2: Lhb2 (phosphoryliert) vermehrt an PSI

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Der Redoxstatus des PQ Pools reguliertstate transitions (qT)

Rosso, D., Bode, R., Li, W., Krol, M., Saccon, D., Wang, S., Schillaci, L.A., Rodermel, S.R., Maxwell, D.P. and Hüner, N.P.A. (2009). Photosynthetic redox imbalance governs leaf sectoring in the Arabidopsis thaliana variegation mutants immutans, spotty, var1, and var2. Plant Cell. 21: 3473-3492.

Wenn PSII und PSI imGleichgewicht sind, dann istauch der PQ Pool imGleichgewicht zwischen PQ (oxidiert) und PQH2 (reduziert)

Starklicht (oder PSI Licht) oder Inhibition des Metabolismus führen zueiner Überreduktion des PQ pools

LHCII Phosphorylierung und Migration

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Langzeitakklimatisierung an PSII Licht: vermehrte Bildung von PSI (PsaA/B)

Retrograde Signale vom Plastiden an den Zellkern sindentscheidend für die Anpassung der Photosynthese durch

Steuerung der nukleären Genexpression

Reprinted with permission from Macmillan Publishing Ltd from Jarvis, P. and López-Juez, E. (2013). Biogenesis and homeostasis of chloroplasts and other plastids. Nat Rev Mol Cell Biol. 14: 787-802; see also Dietz, K.-J. (2015). Efficient high light acclimation involves rapid processes at multiple mechanistic levels. J. Exp. Bot. 66: 2401-2414l Chi, W., Sun, X. and Zhang, L. (2013). Intracellular signaling from plastid to nucleus. Annu. Rev. Plant Biol. 64: 559-582; Estavillo, G.M., Chan, K.X., Phua, S.Y. and Pogson, B.J. (2013). Reconsidering the nature and mode of action of metabolite retrograde signals from the chloroplast. Frontiers Plant Sci. 3: 300.

Es gibt biogene(Entwicklung) und operative (Funktion)retrograde Signale

Verschiedenste Moleküle fungierenals retrograde Signale, z. B. Produkte

der Hämbiosynthese und reaktiveSauerstoffspezies und andere

Metabolite

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Zeitskala der Hochlichtantwort

Sekunden Minuten Stunden Tage

Elektronentransport gestört

∆ pH

reduzierter PQ pool

Protein Degradation und PSII Reparatur

Antennengröße

erhöhter Xanthophyll Pool Änderung der PSI/ PSII Stöchiometrie

Photochemie

Metabolismus

Translatom

Transkriptom

Wachstum

Dark qE

qT

qI10 – 200 s

10 – 60 s

10 – >30 min

10 – 60 min

NPQ Kinetiken

Adapted from Jahns, P. and Holzwarth, A.R. (2012). The role of the xanthophyll cycle and of lutein in photoprotection of Photosystem II. Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics. 1817: 182-193. Dietz, K.-J. (2015). Efficient high light acclimation involves rapid processes at multiple mechanistic levels. J. Exp. Bot. 66: 2401-2414. Erickson, E., Wakao, S. and Niyogi, K.K. (2015). Light stress and photoprotection in Chlamydomonas reinhardtii. Plant J. 82: 449-465.

State transitions

Bedarf an NADPH and ATP regulieren die Lichtreaktionen

from Schöttler, M.A., Tóth, S.Z., Boulouis, A. and Kahlau, S. (2015). Photosynthetic complex stoichiometry dynamics in higher plants: biogenesis, function, and turnover of ATP synthase and the cytochrome b6f complex. J. Exp. Bot. 66: 2373-2400.

Ist Angebot > Nachfrage: erhöhte NADPH & ATP Spiegel induzieren Photoprotektion (rote Pfeile)

NPQ

pH-induzierte Umwandlung von Violaxanthin (V) zu Zeaxanthin (Z)

PhotosynthetischeKontrolle der PlastoquinolReoxidation

Metabolische Ungleichgewichte, Trockenheit, Kälte, Infektionenund andere Umweltfaktorenkönnen den Flux durch den Calvin-Benson Zyklusvermindern.

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Zusammenfassung: Photosynthese-Reaktionen sind flexibel und können sich

anpassenVariabel

Lichtintensität, Wellenlänge, Winkel, Dauer

AntwortLichtsammlung ändert sich

Chloroplasten und Blattbewegungen, Akkumulation von Pigmentenund Proteinen

VariabelChloroplasten ChemieTransthylakoid pH/ pmfPQ / PQH2

Energie Dissipation und Photonen Gleichgewicht

Photoprotektion

qE, quenching in LHC

* *

qT, state transition

VariabelPhysiologyUmwelstress

Plastidäre terminale OxidaseAntioxidantien

VariabelLicht und Stress-induzierte ReaktiveSauerstoffspecies

Schutzmechanismen vorphoto-oxidativem

Schaden erhöhen die Photosyntheseleistung

photosynthese ii „lichtreaktionen“ · 22.05.2016 2 die photosynthese besteht aus zwei...

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