Photosynthetische … D i h f H t t Mi h l d R b t H b (1984)Hans Deisenhofer, Hartmut Michel und...

Photosynthetische ReaktionszentrenPhotosynthetische Reaktionszentren

Hendrik Küpper, Vorlesungsreihe “Einführung in Bau und Funktion der Pflanzen”, Sommersemester 2012

Photosystem = Antenne + ReaktionszentrumLi htLicht

Die Antennen absorbieren die Photonen und leiten deren Energie in die Reaktionszentren weiter Die in das Reaktionszentrum geleiteten ExcitonenReaktionszentren weiter. Die in das Reaktionszentrum geleiteten Excitonen bewirken dort eine Ladungstrennung.

Einfachstes R k iReaktionszentrum:

Reaktionszentrum der H l b kt iHalobakterien

(Bakteriorhodopsin)

von: commons.wikimedia.org

Reaktionszentrum derReaktionszentrum der Halobakterien

(Bakteriorhodopsin):(Bakteriorhodopsin): Mechanismus

von: ALSNews Vol. 148, March 15, 2000

von: upload.wikimedia.org

V l i h d R kti tVergleich der Reaktionszentren von Purpurbakterien und Pflanzen/Cyanobakterien

Von: aslo.com, jgi.doe.gov

H D i h f H t t Mi h l d R b t H b (1984)Hans Deisenhofer, Hartmut Michel und Robert Huber (1984):Reaktionszentren-Struktur (Nobelpreis 1988)

Von: upload wikimedia orgVon: Deutsches Museum Von: upload.wikimedia.orgVon: Deutsches Museum

Reaktionszentrum der PurpurbakterienReaktionszentrum der Purpurbakterien(Rhodopseudomonas viridis)

L M

Elektronentransport nur über die L-Seite; Geschwindigkeit der Energieübertragung im PSII-g g g g

Reaktionszentrum

L-SeiteM-Seite

Funktion des Reaktionszentrums von Purpurbakterien...

Von: commons.wikimedia.org

Von: Cardona T, et al (2012) Biochimica et Biophysica Acta 1817, 26-43

Photosystem II in PflanzenReaktionszentrum von...

... Photosystem II in Pflanzen, Algen, Cyanobakterien ... Purpurbakterien

Reaktionszentrum II ist mit einem wasserspaltenden Komplex gekoppelt!Von: Cardona T, et al (2012) Biochimica et Biophysica Acta 1817, 26-43

Photosystem II Reaktionszentrum

Von: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

bild t Di bildet Dimere mindestens 15 Transmembranproteine + 3 gut charakterisierte extrinsische Proteine

Mechanismus der Ladungstrennung

Aus: Barber J, 2003, QuartRevBiophys36, 71-89

1 “Special pair”-Chlorophylle (=P680) übernehmen Excitonen (=angeregte Zustände) 1. Special pair Chlorophylle ( P680) übernehmen Excitonen ( angeregte Zustände) von der Antenne 2. P680 überträgt ein Elektron auf ChlD1 (“initial charge separation”) 3 Binnen weniger ps wird das e- auf Phe ( P680+ / Phe-) übertragen (“primary 3. Binnen weniger ps wird das e auf Phe ( P680+ / Phe ) übertragen ( primary

charge separation”)

Der wasserspaltende Komplex ist an der Lumenseite der Thylakoidmembran lokalisiertThylakoidmembran lokalisiert

A d Bi d d Cl t i d 4 P t i b t ili tAn der Bindung des Clusters sind 4 Proteine beteiligt:OEC33 33 kDa ProteinOEC23 23 kDa ProteinOEC17 17 kDa ProteinOEC10 10 kDa Proteins

Funktionsschema des Wasserspaltungsapparates

1970 Pierre Joliot & Bessel Kok schlagen das "S-states“- Modell der Ladungsakkumulation on schrittweisen Wasseroxidation vorLadungsakkumulation on schrittweisen Wasseroxidation vor

Photosystem II Reaktionszentrum:Vorgeschlagener Mechanismus des g g

wasserspaltenden Komplexes

Von: McEvoy JP, Brudvig GW, 2006, Chemical Reviews 106, 4455-83

2 der 4 Mn-Ionen sind redox-aktiv (3+/4+): sie übernehmen Elektronen von Wasser und übergeben sie an P680 Ca2+ hilft bei der Bindung des Wassers

Photosystem II Reaktionszentrum:Zusammenfassung der ElektronentransferschritteZusammenfassung der Elektronentransferschritte

Aus: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

Robert Emerson (1957)“Red drop” und “Enhancement effect” zeigen die ExistenzRed drop und Enhancement effect zeigen die Existenz

zweier kooperierender Photosysteme

Mit Zusatzlichtng Mit Zusatzlicht

ffent

wic

klu

Ohne Zusatzlicht

r Sau

erst

ofus

beut

e de

r

Von: commons wikimedia orgQua

nten

au

Von: commons.wikimedia.org

Von: www.life.illinois.edu/govindjee/papers/ (übersetzt)

Wellenlänge (nm)

Q

Photosystem I Reaktionszentrum(a) Übersicht(a) Übersicht

Strukturlle Charakteristica bild t T i bildet Trimere 12 Untereinheiten pro

Monomer 127/133 Kofaktoren pro

Monomer (Cyanos/Pflanzen): ( y )96/102 Chlorophylle 22 Carotinoide2 Phylloquinone2 Phylloquinone3 [Fe4S4] Cluster4 Lipide

Von: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

Photosystem I Reaktionszentrum(b) Funktion

-580 mV

(b) Funktion

-520 mV

Primäre Ladungstrennung:“special pair” (=P700, Chl a / Chl a’ Heterodimer), gibt e- an A0 ab via A (beides Chl a)

-705 mV

gibt e an A0 ab via A (beides Chl a) e- Transport via A1 (Phylloquinon) und die [4Fe4S]-

cluster Fx, FA & FB auf den [4Fe4S]-Cluster von

1000 mV

-800 mVFerredoxin P700 wird re-reduziert durch Plastocyanin

-1000 mV

+430 mV

Von: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

Bindung von Eisen in Eisenproteinen

Häm

Von: dasher wustl edu

Wichtige Typen von Eisen-

Von: dasher.wustl.edu

Schwefel-Clustern

Von: www.chem.ox.ac.uk

Metalle in photosynthetischen Proteinen

FNRFe3+/2+FNR

P700*

Mg2+

A0, A1

Antennen Chl-Protein Fd

FxFA, FB

P700*

P680*QA

4 h·ν

Chl-Protein Komplexe,

Hauptprotein:LHCII

FdPhe

PQFe

QB

ChlChlChl

LHCII4 h·ν PQElektronen-transport

B Cyt b6/fkomplex

EETChl

Excitations-Chl

ChlChl

cyt b559,cyt c550

PCP700

P680

Excitationsenergie-transfer Ca2+ Cu+/2+

2 H2O O2 + 4 H+WSC 4 e-

Ca Cu /2

Mn3+/4+

Vergleich derPurpurbakterien

Vergleich der Reaktionszentren (I)

Von: unten: Charmain Ng et al. (2010) The ISME Journal 4, 1002–1019; rechts: Kyong-Hi Rhee, Edward P. Morris, James Barber, Werner

Kühlbrandt (1998) Nature 396, 283-286

Photosystem II

GrüneS h f l

Photosystem I

Schwefel-bakterien

Photosystem I

Cytoplasma

Periplasma

Vergleich der Reaktionszentren (II)Purpurbakterien Photosystem II Grüne SchwefelbakterienPhotosystem I

Phäophytin Fe-S-Typp y-Chinon-Typ

yp

Von: www.els.net, curtbowen.smugmug.com

Von: aslo.com, jgi.doe.gov

Wie wirken Herbizide?

Totalherbizide vernichten die gesamte Vegetation

Selektive Herbizide vernichten nur die "Unkräuter" und nicht diegesamte Vegetation nur die Unkräuter und nicht die Kulturpflanzen

Herbizidklassen

Photosynthesehemmer (z.B. Plastochinon-Antagonisten)

Stoffwechsel-Herbizide (z B greifen in den MechanismusStoffwechsel-Herbizide (z.B. greifen in den Mechanismusder Fixierung von Ammoniak an)

Synthese Hemmer (z B Hemmen die Synthese vonSynthese-Hemmer (z.B. Hemmen die Synthese von Fettsäuren, Aminosäuren, Carotinoiden oder Chlorophyll)

Phytohormonenanaloge (z.B. Mitosehemmer)

DCMU als der bekannteste Photosynthesehemmer

DCMUDCMU

D1 Protein vom PSII Reaktionszentrum bindet Herbizide

Wirkungsweise von Photosynthesehemmer-Herbiziden

Von: Rutherford AW, Krieger-Liszkay A (2001) TrendsBiochemSci26_648-

Problem von PSII-Herbiziden: Bildung von Resistenzen durch Mutation einer einzigen Aminosäure (Ser 264 Gly)durch Mutation einer einzigen Aminosäure (Ser 264 Gly)

Von: plantsinaction.science.uq.edu.au

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