Fény szakasz

Írta: Ördögné Dr. Kolbert Zsuzsanna

1.3.2.1. A fotoszintetikus apparátus szerkezete: kloroplasztisz, pigmentek, fényabszorpció és gerjesztődés

A magasabbrendű növények fotoszintézisért felelős sejtszervecskéje a kloroplasztisz. A levél mezofillum sejtjei 20-60 db lencse alakú, kettős membránnal határolt, prokarióta eredetű kloroplasztiszt tartalmaznak. Sztrómának nevezett alapállománya CO2 redukciós enzimeket, cirkuláris DNS-t, 70S riboszómákat és keményítőszemcséket tartalmaz. A kloroplasztiszok belsejében, a sztrómába ágyazottan található meg a tilakoid membránrendszer, melyek összetapadó részei a gránumok. A gránumok belsejében összefüggő üregrendszer, lumen alakul ki. A tilakoid membránban fehérjékhez kapcsolódva találjuk a foton abszorpcióért felelős pigmenteket ún. pigment-protein komplexek formájában.

A fotokémia I. törvénye szerint csak az a fény válthat ki fotokémiai reakciót, ami az adott rendszerben elnyelődik, ezért szükség van a fény megkötését végző pigment rendszerre. Minden fotoszintetizáló szervezetben megtalálható pigmentek a klorofillok és a karotinoidok. A vörösmoszatok és cianobaktériumok jellemző pigmentjei a fikobilinek, a nem oxigénfejlesztő, fotoszintetizáló baktériumok pedig bakterioklorofillokat tartalmaznak.

A magasabbrendű növények kloroplasztiszaiból acetonnal könnyedén kivonhatóak a klorofillok.

Jelenleg 10-féle, különböző kémiai szerkezetű és elnyelési spektrumú klorofill formát ismerünk (5).

Porfirin vázuk 4 db pirrol gyűrűből, valamint egy ciklopentaton gyűrűből áll, a váz közepén magnézium (Mg²⁺) ion található, a gyűrűrendszer konjugált kettős kötésekkel rendelkezik, amin a gerjeszthetőségük alapul. A klorofill a (kl a) molekulában a B gyűrűhöz egy metil (-CH3) csoport, klorofill b (kl b) esetén pedig formil csoport (-CHO) kapcsolódik, ez a két leggyakrabban előforduló klorofill forma. A klorofillok porfirin vázát egy 20 szénatomos alkohol (fitol) rögzíti a tilakoid hidrofób közegében. Ami a klorofillok abszorpciós tulajdonságait illeti, a látható fény kék és a vörös hullámhossz tartományában mutatnak elnyelést, a zöld hullámhosszú fotonok nagyrészét azonban visszaverik. A kl a-nak van két kitüntetett szerepű formája, a 680 nm-en elnyelési maximumot mutató P680 és a 700 nm-en maximális elnyelést mutató P700, melyek fotokémiai reakciót katalizálnak. A többi kl a és kl b forma, valamint a karotinoidok a fényelnyelésben és a gerjesztési energia átadásában szerepelnek.

A klorofillok kísérőpigmentjei a karotinoidok, melyek szerepe kettős: gerjesztési energiát adnak le a klorofillok felé, valamint fénykárosodás ellen védő szerepűek. Poliizoprén molekulák, 40 szénatommal, konjugált kettős kötésekkel és a molekula végein α és β-ionon gyűrűkkel. Sárga színűek, és a kék tartományban abszorbeálnak fotonokat. Két csoportjuk a karotinok (pl. β-karotin) és az oxigént is tartalmazó xantofillok (pl. zeaxantin) (6).

A tilakoid membránok detergensekkel való kezelését követően gélelektroforézissel kétféle pigment-protein komplex választható szét. A kl a tartalmú fehérje komplexek a reakciócentrumokat és az ezeket körülvevő belső antennarendszereket alakítják ki. Ezek a fehérjék a kloroplasztiszban kódoltak, és core complex I-re és II-re (CCI és CCII) választhatók szét. A kl a-t és b-t is tartalmazó fehérje komplexek fénybegyűjtő funkciót látnak el, és ezesetben a fehérjerész sejtmagi kódolású, citoplazmában szintetizálódó. Ezek light harvesting complex I és II-re (LHC I és LHCII) választhatók szét. Ezek a klorofill-protein komplexek az 1-es fotokémiai rendszerbe (photosystem I, PSI) és a 2-es fotokémiai rendszerbe (photosystem II, PSII) rendeződnek.

A PSII négy funkcionális része különíthető el: reakciócentrum, reguláló sapka, proximális antenna, disztális antenna. A reakciócentrumot a D1 és D2 heterodimer fehérje alkotja, mely 5-5

50 transzmembrán szegmenttel rendelkezik, és 353 aminosavból áll. A reakciócentrumban egy P680 kl a dimér, további kl a-k és két feofitin-a (primer akceptor) található. A D1 fehérje tartalmaz egy tirozin aminosav oldalláncot (YZ), ami a primer elektron donor a P680+ felé. A D1 és D2 fehérjék további komponensei a plasztokinon A és B (PQA és PQB). A reakciócentrum tartalmaz egy fotoprotektív szerepű citokróm b559-et és a vízbontásban szerepet játszó Mn atomokat is. A reguláló sapka a lumen felöli oldalon kapcsolódik a PSII reakciócentrumához. Két-két 33, 23, 17 KDa-os fehérjéből áll és feltehetően a vízbontáshoz szükséges Ca²⁺ és Cl^- ionokat biztosítja. A proximális antenna két klorofill-protein komplexből áll (CP43 és CP47), és szerepe a fényenergia P680 kl a felé továbbítása. A disztális antennarendszer távolabb van a reakciócentrumtól, az LHCII-ből és járulékos klorofill-proteinből áll. Az LHC II-ben a kl a:kl b arány 1:1, ezeken kívül xantofilleket tartalmaz, míg a jarulékos klorofill-protein komplexben a kl a:kl b arány 2:1 (7).

A PSI reakciócentruma egy PsaA-nak nevezett 83 kDa-os és egy PsaB-nek nevezett 82 KDa fehérjerészből áll, mely tartalmazza a P700 kl a-t, 40-50 kl a molekulát és 1-2 β-karotint. Ezeken kívül az A0 kl a monomer és az A1 (K-vitamin vagy fillokinon) valamint ferredoxinok (FeSx, FeSA, FeSB) is találhatók a PSI reakciócentrumában. A PSI tartalmaz egy ferredoxin (Fd)-kötő és egy plasztocianin (PC)-kötő régiót, melyek elektrosztatikus kölcsönhatásba lépnek a molekulákkal (8).

A fénysugárzást diszkrét energiatartalommal bíró fényrészecskék, fotonok esőjeként foghatjuk fel.

Fény abszorpciókor a pigment molekula a foton teljes energiáját felveszi, és ennek a megnövekedett energiatartalomnak köszönhetően alapállapotból gerjesztett állapotba kerül. Ez elektron átmenetet okoz a molekulában, hiszen a pigment molekula egy delokalizált π elektronja kötőpályáról lazítópályára kerül (1.3.1. ábra).

1.3.1. ábra (A) Amikor a molekula elnyel egy fotont (foton abszorpció), felveszi annak energiáját és alapállapotból magasabb energiaszintre, azaz gerjesztett állapotba kerül. (B) Gerjesztett állapotban a molekula egy delokalizált elektronja kötőpályáról átlép az atommagtól távolabbi lazítópályára. (Ördögné Dr. Kolbert Zsuzsanna ábrája)

A P680 és P700 kl a esetén a lazítópályára juttatott elektron egy közeli akceptornak adódik át, ami redukálódik, miközben a kl a oxidálódik. Egy közeli donortól elektront felvéve tud újra redukálódni a kl a. Tehát egy fényenergia közvetítette elektron átadás zajlik le a P680 és a P700 kl a-k közvetítésével, amit fotoszenzibilizált elektrontranszfernek nevezünk. Csak két kl a forma, a P680 és a P700 tud ilyen töltésszeparációval járó folyamatban részt venni, ezek vannak ugyanis olyan molekuláris környezetben, a reakciócentrumokban, ami lehetővé teszi a közvetlen kapcsolatot az elektron donorral és akceptorral.

Mi a feladata a többi kl a pigmentnek, a kl b-nek és a karotinoidoknak a fényelnyelésben? Ezek a pigmentek a foton energiájának elnyelését követően a gerjesztett energiaszintről alapállapotba úgy térnek vissza, hogy a többlet energiát egy szomszédos klorofillnak adják le (energiatranszfer), ami

51 ezáltal gerjesztett állapotba kerül. Ha kémiailag azonos molekulák (kl b-ről kl b-re) között történik az energia átadás energiamigrációnak nevezzük. A transzfer energetikai feltétele az, hogy a donor és az akceptor abszorpciós spektrumai átfedőek legyenek. Minél nagyobb az átfedés a spektrumok között, annál hatékonyabb az energiatranszfer. Továbbá az energia átadás akkor működik hatékonyan, ha a pigmentek egymáshoz közel lokalizálódnak. Egy rendszerben lévő kl a és kl b pigment molekulák között energiatranszfer történik, ha az egyik pigmentre jellemző excitációs hullámhosszal történő gerjesztés esetén a másik pigmentre jellemző emisszió is megjelenik. Az energiatranszfer a rövidebb hullámhossznál abszorbeáló pigment irányából a hosszabb hullámhosszon abszorbeáló pigment irányába történik. A kl a és a kl b esetén az abszorpciós-emissziós spektrumok átfednek és ezek a pigmentek nagy koncentrációban lokalizálódnak a fotokémiai rendszerek reakciócentrumaiban, vagyis esetükben az energiatranszfer energetikai és térbeli feltétele is teljesül.

A fénybegyűjtő antennarendszerekben a gerjesztési energia átadásának sorrendje a következő:

karotinoidok, kl b-k és kl a-k, majd a reakciócentrum kl a (P680 vagy P700), melynek abszorpciós maximuma hosszabb hullámhossznál van, mint a környezetében lévő pigmenteké, ezért azoktól átveszi az energiát, vagyis energia csapdaként működik. Maga a P680 és a P700 is abszorbeál fotont, de mivel belőlük kevés van (a teljes kl a tartalom csupán 1-2%), az általuk elnyelt foton mennyiség a teljes apparátus által abszorbeált fotonoknak csak 1-2%-a. A rendszert az antennákban működő energiatranszfer teszi hatékonnyá azáltal, hogy a P680-t és a P700-t ismételten gerjeszti így megnöveli a fotokémiai reakciók gyakoriságát (1.3.2. ábra, 9).

1.3.2. ábra Az energiatranszfer koncepciója. A pigmentek összessége antennaként begyűjti a fény energiáját és továbbítja azt a reakciócentrum felé, ahol a fotokémiai reakció reakció során egy elektron átadódik az akceptornak. Ezt követően egy elektron donor visszaredukálja a reakciócentrum klorofillt. A fényenergia továbbítása az antennarendszerben tisztán fizikai jelenség, kémiai átalakulások nem vesznek részt benne.

(Ördögné Dr. Kolbert Zsuzsanna ábrája)

1.3.2.2. A fotoszintetikus elektrontranszportlánc működése

A két fotokémiai rendszernek és a kloroplasztiszban kimutatható citokróm, kinon és ferredoxin típusú vegyületeknek a figyelembevételével Hill és Bendall (10) alkotta meg a fotoszintetikus elektrontranszportlánc Z-sémáját. A séma az elektronok áramlását a víztől a NADP⁺ felé és az egyes komponensek redox potenciál változásait mutatja be. A redox potenciál egy molekula elektronfelvételi azaz redukálódási képességét adja meg. Jele E, mértékegysége volt (V). A hidrogén redox potenciálja

52 megegyezés szerint 0. Ennél nagyobb elektron felvételi képesség esetén az E pozitív előjelű, kisebb képesség esetén pedig negatív előjelű, ekkor a molekula „szívesebben ad le elektront”.

Az alapállapotú P680 kl a redox potenciálja +1.2 V, ekkor elektron felvevő képessége nagy. Foton abszorpciót követő gerjesztés hatására a redox potenciálja lecsökken (-0,6 V), ekkor elektron leadási képessége megnő a primer akceptora irányába. Az elektrontranszportlánc további tagjainak redox potenciáljai sorra nagyobb értékek, vagyis hajlamosak elektront felvenni az előző komponenstől. A P700

kl a nyugalmi redox potenciálja +0,45 V, ez lehetővé teszi, hogy a PSII felől áramló elektronokat felvegye. Gerjesztés hatására az E értéke -1,4 V-ra csökken, így elektron leadás történik a primer akceptor felé. Az elektrontranszportlánc további tagjainak redox potenciáljai egyre növekvő értékeket vesznek fel, így az elektronok átadása molekuláról molekulára, majd a végső akceptorra (NADP⁺) megtörténhet. A fotoszintetikus elektrontraszportlánc Z-sémáját a 1.3.3. ábra mutatja be.

1.3.3. ábra Az oxigénfejlesztő fotoszintetikus elektrontranszportlánc Z-sémája. Magyarázat a szövegben.

Rövidítések: Feo feofitin; PQA plasztokinon A, PQB plasztokinon B, FeSR Rieske-féle vas-kén protein, Cyt f citokróm f, Cyt b citokróm b, PC plasztocianin, Fd ferredoxin, FNR ferredoxin-NADP⁺-oxidoreduktáz (Ördögné Dr. Kolbert Zsuzsanna ábrája)

A PSII reakciócentrumában az elsődleges e^- akceptor a feofitin, ami az e^- felvétel következtében redukálódik, a P680 pedig oxidálódik. A feofitinről a PQA-ra, majd a PQB-re kerül az e^-. Ez utóbbi molekula két elektront, majd a tilakoid sztróma felöli oldaláról két protont (H⁺) vesz fel, így QBH2-vé redukálódik, ezt követően pedig leszakad a PSII reakciócentrumáról és mobilis formává (PQH2-vé) alakul. A kinonok konjugált gyűrűs dionok (két keton csoportot tartalmaznak). Kisméretük és apoláros jellegük lehetővé teszi szabad diffúziójukat a tilakoid lipidfázisában. A gerjesztés hatására oxidálódott P680 kl a visszaredukálása a víz bontásából felszabaduló elektronokkal valósul meg. A PSII lumen felöli oldalán lokalizálódik egy Mn tartalmú vízbontó komplex (oxygen evolving complex, OEC vagy M-enzim). A Mn ion oxidációs állapotainak megfelelően az enzimnek négyféle állapota lehet (S0, S1, S2, S3, S4, ami azonnal S0-vá alakul), ami a pozitív töltések összegyűjtését szolgálja a vízbontás számára. Egy ciklusban 4 e^- távozik két vízmolekuláról a Yz-re, majd a gerjesztett P680-ra, ehhez pedig 4 foton elnyelése szükséges a PSII reakciócentrumában. Mindeközben egy O2 molekula szabadul fel, valamint 4 H⁺ kerül a tilakoid lumenébe (11).

A mobilis PQH2 a citokróm b6/f komplex lumen felöli részén kötődik meg, majd két protonját a lumenbe juttatja. A komplexre juttatott két e- egyike a vas-kén fehérjén (Fe-SR) keresztül a citokróm

f-53 re, majd pedig a mobilis PC-ra kerül; innen a gerjesztett állapotú, e^- hiányos P700 (+0,45 V) átveszi az elektront.

A másik e^- az ún. Q ciklusba lép, vagyis a citokróm b6 alacsony, majd magas redox potenciálú hemjére, innen pedig a PQ-ra kerül. Egy e^- felvételével szemikinon (Q•^-) alakul ki, majd egy második PQH2

citokróm b6/f komplexen való megkötését követően egy újabb e^- és két H⁺ felvételével PQH2 alakul ki.

A Q ciklus lényege tehát az, hogy megnövelje a sztrómából a lumenbe irányuló H⁺ transzlokációt, aminek az ATP szintézisben van jelentősége (lásd később).

A PSI gerjesztett állapotú P700 kl a-ja elektront ad le a reakciócentrumban lokalizált elsődleges akceptorának, az A0-nak, ami az A1-nek továbbítja azt. Innen kötött ferredoxinok (Fd, vas-kén prosztetikus csoportot tartalmazó fehérjék) veszik át az elektront (sorrendben FeSx, FeSA majd FeSB), és juttatják a mobilis ferredoxinra, ami lineáris transzportlánc esetén a ferredoxin-NADP⁺ -oxidoreduktáz (FNR) enzim felé továbbítja az elektront. Az FNR egy 33 KDa-os, sejtmagi kódolású enzim, ami a tilakoid membrán sztróma felöli oldalán lokalizálódik. A FAD-ot prosztetikus csoportként köti, ezen kívül egy NADP-t és egy Fd-t kötő hely is van az enzimen. Az enzim két elektront juttat a NADP⁺-re, ehhez két egymást követő lépésben egy-egy Fd-t eloxidál. Az első molekula oxidált Fd és az enzim komplexe a szemikinon-FNR, majd az oxidált Fd leválik, helyére redukált lép be. A két e -felvételét, két H⁺ felvétele követi, így kialakul a redukált NADPH, ami a lineáris elektrontraszport egyik stabil végterméke. Ha a mobilis Fd-ról a PQ-ra jut vissza az elektron, a transzportlánc ciklikus lesz.

Ebben az esetben a sztrómából a lumenbe irányuló H⁺ transzlokáció fokozott, ami az ATP képződésnek kedvez. Míg a lineáris elektrontranszport esetén a víz oxidálódik és mindkét fotokémiai rendszer aktív, addig a ciklikus elektrontranszport esetén csak a PSI gerjesztődik és ez „meghajtja maga körül az elektronokat”. Ekkor O2 és NADPH nem termelődik, ATP viszont igen. Az elektrontranszportlánc két típusával a rendszer be tudja állítani a NADP és az ATP termelés arányát.

Az oxigén és a redukált koenzim mellett a fotoszintézis fényszakaszának harmadik terméke az ATP. Az ATP szintézis előfeltétele egy H⁺ koncentráció különbség (grádiens) kialakulása a tilakoid membrán két oldala között. A tilakoid lumenben megemelkedik a H⁺ koncentráció, hiszen a vízbontásból származó H⁺-ok és a PQ oxidációból származó H⁺-ok a membrán lumen felöli oldalán halmozódnak fel. A H⁺ koncentráció különbség a membránban lokalizálódó ATP szintáz enzim működése révén egyenlítődik ki, ami a lumenből a sztrómába irányuló H⁺ mozgást irányít (12). A CF0-CF1 típusú ATP szintáz funkciója a tilakoid membrán két oldala között kialakuló protongradiens elektrokémiai energiájának kémiai szabadenergiává alakítása.

1.3.3. Sötét szakasz