Informatie

2017_SS1_Lecture_08 - Biologie


Lichtenergie en pigmenten

Licht energie

De zon zendt een enorme hoeveelheid elektromagnetische straling (zonne-energie) uit die zich over een groot deel van de elektromagnetisch spectrum, het bereik van alle mogelijke stralingsfrequenties. In BIS2A houden we ons voornamelijk bezig met het laatste, en hieronder bespreken we enkele zeer basale concepten met betrekking tot licht en de interactie ervan met biologie.

Eerst moeten we echter een aantal belangrijke eigenschappen van licht vernieuwen:

  1. Licht in vacuüm verplaatst zich met een constante snelheid van 299.792.458 m/s. Vaak korten we de lichtsnelheid af met de variabele "c".
  2. Licht heeft eigenschappen van golven. Een specifieke "kleur" van licht heeft een karakteristieke golflengte.

De afstand tussen pieken in een golf wordt de golflengte genoemd en wordt afgekort met de Griekse letter lambda (Ⲗ).

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

De omgekeerde evenredigheid van frequentie en golflengte. Golf 1 heeft een golflengte die 2x die van golf 2 is (Ⲗ1 > Ⲗ2). Als de twee golven met dezelfde snelheid reizen (c)stel je voor dat beide hele lijnen die getekend zijn met dezelfde snelheid langs de vaste verticale lijn worden gesleept dan is het aantal keren dat een golfpiek een vast punt passeert groter voor golf 2 dan voor golf 1 (f2 > f1). Facciotti (origineel werk)

3. Ten slotte wordt elke frequentie (of golflengte) van licht geassocieerd met een specifieke energie. We noemen energie "E". De relatie tussen frequentie en energie is:

E = h*f

waarbij h een constante is die de constante van Planck wordt genoemd (~ 6,626x10-34 Joule•seconde wanneer frequentie wordt uitgedrukt in cycli per seconde). Gezien de relatie tussen frequentie en golflengte, kun je ook E = h*c/Ⲗ schrijven. Daarom, hoe groter de frequentie (of korter de golflengte), hoe meer energie wordt geassocieerd met een specifieke "kleur". Golf 2 in de bovenstaande afbeelding wordt geassocieerd met meer energie dan golf 1.

De zon straalt energie uit in de vorm van elektromagnetische straling. Alle elektromagnetische straling, inclusief zichtbaar licht, wordt gekenmerkt door zijn golflengte. Hoe langer de golflengte, hoe minder energie het draagt. Hoe korter de golflengte, hoe meer energie wordt geassocieerd met die band van het elektromagnetische spectrum.

Het licht dat we zien

Het zichtbare licht dat door mensen als wit licht wordt gezien, bestaat uit een regenboog van kleuren, elk met een karakteristieke golflengte. Bepaalde objecten, zoals een prisma of een druppel water, verspreiden wit licht om de kleuren voor het menselijk oog te onthullen. In het zichtbare spectrum hebben violet en blauw licht kortere (hogere energie) golflengten, terwijl het oranje en rode licht langere (lagere energie) golflengten hebben.

De kleuren van zichtbaar licht dragen niet dezelfde hoeveelheid energie. Violet heeft de kortste golflengte en draagt ​​daarom de meeste energie, terwijl rood de langste golflengte heeft en de minste hoeveelheid energie draagt.

Credit: wijziging van het werk door NASA

Absorptie door pigmenten

De interactie tussen licht en biologische systemen vindt plaats via verschillende mechanismen, waarvan je er enkele kunt leren in cursussen op de hogere afdeling in cellulaire fysiologie of biofysische chemie. In BIS2A houden we ons vooral bezig met de interactie van licht en biologische pigmenten. Deze interacties kunnen een verscheidenheid aan lichtafhankelijke biologische processen initiëren die grofweg kunnen worden gegroepeerd in twee functionele categorieën: cellulaire signalering en energieoogst. Signaalinteracties zijn grotendeels verantwoordelijk voor het waarnemen van veranderingen in de omgeving (in dit geval veranderingen in licht). Een voorbeeld van een signaalinteractie kan de interactie zijn tussen licht en de pigmenten die in een oog worden uitgedrukt. Daarentegen worden licht/pigment-interacties die betrokken zijn bij het oogsten van energie gebruikt om - niet verrassend - de energie in het licht op te vangen en naar de cel over te brengen om biologische processen te voeden. Fotosynthese, waar we binnenkort meer over zullen leren, is een voorbeeld van een interactie met het oogsten van energie.

In het centrum van de biologische interacties met licht zijn groepen moleculen die we organische pigmenten noemen. Of het nu gaat om het menselijk netvlies, chloroplast thylakoïde of microbiële membraan, organische pigmenten hebben vaak specifieke energie- of golflengtebereiken die ze kunnen absorberen. De gevoeligheid van deze moleculen voor verschillende golflengten van licht is te wijten aan hun unieke chemische samenstellingen en structuren. Een reeks van het elektromagnetische spectrum krijgt een aantal speciale namen vanwege de gevoeligheid van enkele belangrijke biologische pigmenten: het retinale pigment in onze ogen, in combinatie met een opsin-sensoreiwit, "ziet" (absorbeert) licht voornamelijk tussen de golflengten tussen van 700 nm en 400 nm. Omdat dit bereik de fysieke grenzen definieert van het elektromagnetische spectrum dat we met onze ogen kunnen zien, noemen we dit golflengtebereik het "zichtbare bereik". Om vergelijkbare redenen, aangezien plantenpigmentmoleculen de neiging hebben om golflengten van licht te absorberen, meestal tussen 700 nm en 400 nm, verwijzen plantenfysiologen naar dit golflengtebereik als "fotosynthetisch actieve straling".

Drie belangrijke soorten pigmenten die we bespreken in BIS2A

Chlorofylen

Chlorofylen (inclusief bacteriochlorofylen) maken deel uit van een grote familie van pigmentmoleculen. Er zijn vijf belangrijke chlorofylpigmenten genaamd: een, B, C, NS, en F. chlorofyl een is gerelateerd aan een klasse van oudere moleculen gevonden in bacteriën genaamd bacteriochlorofylen. Chlorofylen worden structureel gekenmerkt door een ringachtige porfyrinegroep die een metaalion coördineert. Deze ringstructuur is chemisch verwant aan de structuur van heemverbindingen die ook een metaal coördineren en betrokken zijn bij zuurstofbinding en/of transport in veel organismen. Verschillende chlorofylen onderscheiden zich van elkaar door verschillende "versieringen"/chemische groepen op de porfyrinering.

De structuur van heem en chlorofyl a-moleculen. De gewone porfyrinering is rood gekleurd.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Carotenoïden

Carotenoïden zijn de rood/oranje/gele pigmenten die in de natuur voorkomen. Ze worden gevonden in fruit - het rood van tomaat (lycopeen), het geel van maïszaden (zeaxanthine) of het oranje van een sinaasappelschil (β-caroteen) - die worden gebruikt als biologische "reclame" om zaadverspreiders (dieren of insecten die elders zaden kunnen vervoeren). Bij fotosynthese fungeren carotenoïden als fotosynthetische pigmenten. Als een blad wordt blootgesteld aan de volle zon, moet dat oppervlak bovendien een enorme hoeveelheid energie verwerken; als die energie niet goed wordt behandeld, kan het aanzienlijke schade aanrichten. Daarom helpen veel carotenoïden overtollige energie in licht te absorberen en die energie veilig af te voeren als warmte.

Flavonoïden

Flavonoïden zijn een zeer brede klasse van verbindingen die in grote diversiteit in planten worden aangetroffen. Deze moleculen zijn er in vele vormen, maar ze delen allemaal een gemeenschappelijke kernstructuur die hieronder wordt getoond. De diversiteit van flavonoïden komt van de vele verschillende combinaties van functionele groepen die de kern van flavon kunnen "versieren".

De kernringstructuur van flavans.

Elk type pigment kan worden geïdentificeerd door het specifieke patroon van golflengten dat het absorbeert van zichtbaar licht. Deze eigenschap staat bekend als de pigmenten absorptiespectrum:. De grafiek in onderstaande figuur toont de absorptiespectra voor chlorofyl een, chlorofyl Ben een type carotenoïde pigment genaamd β-caroteen (dat blauw en groen licht absorbeert). Merk op hoe elk pigment zijn eigen reeks pieken en dalen heeft, waardoor een zeer specifiek absorptiepatroon wordt onthuld. Deze verschillen in absorptie zijn te wijten aan verschillen in chemische structuur (sommige zijn gemarkeerd in de afbeelding). chlorofyl een absorbeert golflengten van beide uiteinden van het zichtbare spectrum (blauw en rood), maar niet groen. Omdat groen wordt gereflecteerd of doorgelaten, lijkt chlorofyl groen. Carotenoïden absorberen in het blauwe gebied met korte golflengte en reflecteren de langere gele, rode en oranje golflengten.

(a) Chlorofyl a, (b) chlorofyl b en (c) β-caroteen zijn hydrofobe organische pigmenten die worden aangetroffen in het thylakoïde membraan. Chlorofyl a en b, die identiek zijn met uitzondering van het deel aangegeven in het rode vak, zijn verantwoordelijk voor de groene kleur van bladeren. Merk op hoe het kleine verschil in chemische samenstelling tussen verschillende chlorofylen leidt tot verschillende absorptiespectra. β-caroteen is verantwoordelijk voor de oranje kleur in wortelen. Elk pigment heeft een uniek absorptiespectrum (d).

Belang van het hebben van meerdere verschillende pigmenten

Niet alle fotosynthetische organismen hebben volledige toegang tot zonlicht. Sommige organismen groeien onder water waar de lichtintensiteit en de beschikbare golflengten respectievelijk afnemen en veranderen met de diepte. Andere organismen groeien in concurrentie om licht. Planten op de regenwoudbodem moeten bijvoorbeeld elk beetje licht dat doorkomt kunnen absorberen, omdat de hogere bomen het meeste zonlicht absorberen en de resterende zonnestraling verstrooien. Om rekening te houden met deze variabele lichtomstandigheden, hebben veel fotosynthetische organismen een mengsel van pigmenten waarvan de expressie kan worden aangepast om het vermogen van het organisme om energie te absorberen van een groter bereik aan golflengten te verbeteren dan mogelijk zou zijn met één pigment alleen.

Fotofosforylering

Fotofosforylering een overzicht

Fotofosforylering is het proces waarbij de energie van licht wordt omgezet in chemicaliën, met name ATP. De evolutionaire wortels van fotofosforylering liggen waarschijnlijk in de anaërobe wereld, tussen 3 miljard en 1,5 miljard jaar geleden, toen het leven overvloedig was in de afwezigheid van moleculaire zuurstof. Fotofosforylering evolueerde waarschijnlijk relatief kort na elektronentransportketens (ETC) en anaërobe ademhaling begon metabolische diversiteit te bieden. De eerste stap van het proces omvat de absorptie van een foton door een pigmentmolecuul. Lichtenergie wordt overgebracht naar het pigment en bevordert elektronen (e-) naar een hogere kwantumenergietoestand - iets wat biologen een "opgewonden toestand" noemen. Let hier op het gebruik van antropomorfisme; de elektronen zijn niet "opgewonden" in de klassieke zin en springen niet ineens helemaal over of vieren hun promotie. Ze bevinden zich gewoon in een hogere energiekwantumtoestand. In deze toestand worden de elektronen in de volksmond "bekrachtigd" genoemd. In de "opgewonden" toestand heeft het pigment nu een veel lager reductiepotentieel en kan het de "opgewonden" elektronen doneren aan andere dragers met grotere reductiepotentialen. Deze elektronenacceptoren kunnen op hun beurt donoren worden voor andere moleculen met grotere reductiepotentialen en zo een elektronentransportketen vormen.

Terwijl elektronen van de ene elektronendrager naar de andere gaan via rood/ox-reacties, kunnen deze exergonische overdrachten worden gekoppeld aan het endergonische transport (of pompen) van protonen over een membraan om een ​​elektrochemische gradiënt te creëren. Deze elektrochemische gradiënt genereert een proton-aandrijfkracht waarvan de exergonische drive om evenwicht te bereiken kan worden gekoppeld aan de endergonische productie van ATP, via ATP-synthase. Zoals we in meer detail zullen zien, kunnen de elektronen die betrokken zijn bij deze elektronentransportketen een van de volgende twee doelen hebben: (1) ze kunnen worden teruggebracht naar hun oorspronkelijke bron in een proces dat cyclische fotofosforylering wordt genoemd; of (2) ze kunnen worden gedeponeerd op een naaste verwant van NAD+ genaamd NADP+. Als de elektronen in een cyclisch proces weer op het oorspronkelijke pigment worden afgezet, kan het hele proces opnieuw beginnen. Als het elektron echter wordt afgezet op NADP+ om NADPH te vormen (**snelkoppeling - we hebben geen protonen expliciet genoemd, maar nemen aan dat het duidelijk is dat ze er ook bij betrokken zijn**), moet het oorspronkelijke pigment een elektron terugkrijgen van ergens anders. Dit elektron moet afkomstig zijn van een bron met een kleinere reductiepotentiaal dan het geoxideerde pigment en afhankelijk van het systeem zijn er verschillende mogelijke bronnen, waaronder H2O, gereduceerde zwavelverbindingen zoals SH2 en zelfs elementaire S0.

Wat gebeurt er als een verbinding een foton van licht absorbeert?

Wanneer een verbinding een foton van licht absorbeert, wordt gezegd dat de verbinding zijn grondtoestand verlaat en "opgewonden" wordt.

Figuur 1. Een diagram dat laat zien wat er gebeurt met een molecuul dat een foton van licht absorbeert.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Wat is het lot van het "opgewonden" elektron? Er zijn vier mogelijke uitkomsten, die in onderstaande figuur schematisch zijn weergegeven. Deze opties zijn:

  1. de e- kan ontspannen naar een lagere kwantumtoestand, waarbij energie wordt overgedragen als warmte.
  2. de e- kan ontspannen naar een lagere kwantumtoestand en energie overbrengen naar een foton van licht - een proces dat bekend staat als fluorescentie.
  3. De energie kan worden overgedragen door resonantie naar een naburig molecuul als de e- keert terug naar een lagere kwantumtoestand.
  4. De energie kan het reductiepotentieel zodanig veranderen dat het molecuul een e . kan worden- schenker. Deze opgewonden e . koppelen- donor aan een goede e- acceptor kan leiden tot een exergonische elektronenoverdracht. Met andere woorden, de aangeslagen toestand kan betrokken zijn bij red/ox-reacties.

Figuur 2. Wat kan er gebeuren met de energie die door een molecuul wordt geabsorbeerd.

Naarmate het aangeslagen elektron terugvalt naar zijn lagere energietoestand, kan de energie op verschillende manieren worden overgedragen. Hoewel veel zogenaamde antenne- of hulppigmenten lichtenergie absorberen en overbrengen naar iets dat bekend staat als een reactiecentrum (via mechanismen afgebeeld in optie III in figuur 2), is het wat er gebeurt in het reactiecentrum waar we ons het meest mee bezig houden (optie IV in de afbeelding hierboven). Hier absorbeert een chlorofyl- of bacteriochlorofylmolecuul de energie van een foton en wordt een elektron geëxciteerd. Deze energieoverdracht is voldoende om het reactiecentrum in staat te stellen het elektron in een rood/ox-reactie af te staan ​​aan een tweede molecuul. Dit initieert de elektronentransportreacties. Het resultaat is een geoxideerd reactiecentrum dat nu moet worden verkleind om het proces opnieuw te starten. Hoe dit gebeurt, is de basis van de elektronenstroom bij fotofosforylering en zal hieronder in detail worden beschreven.

Eenvoudige fotofosforylatiesystemen: anoxygene fotofosforylering

Vroeg in de evolutie van fotofosforylering evolueerden deze reacties in anaërobe omgevingen waar er zeer weinig moleculaire zuurstof beschikbaar was. Onder deze omstandigheden ontwikkelden zich twee reeksen reacties, beide rechtstreeks van anaërobe ademhalingsketens zoals eerder beschreven. Deze staan ​​bekend als de lichte reacties omdat ze de activering van een elektron (een "opgewonden" elektron) vereisen van de absorptie van een foton van licht door een reactiecentrumpigment, zoals bacteriochlorofyl. De lichtreacties zijn ofwel gecategoriseerd als: cyclisch of als niet-cyclisch fotofosforylering, afhankelijk van de eindtoestand van het (de) elektronen (elektronen) verwijderd uit de reactiecentrumpigmenten. Als de elektronen terugkeren naar het oorspronkelijke pigmentreactiecentrum, zoals bacteriochlorofyl, is dit cyclische fotofosforylering; de elektronen vormen een compleet circuit en is weergegeven in figuur 4. Als de elektronen worden gebruikt om NADP . te verminderen+ naar NADPH worden de elektron(nen) uit het pad verwijderd en komen op NADPH terecht; dit proces wordt niet-cyclisch genoemd omdat de elektronen niet langer deel uitmaken van het circuit. In dit geval moet het reactiecentrum opnieuw worden verkleind voordat het proces opnieuw kan plaatsvinden. Daarom is een externe elektronenbron vereist voor niet-cyclische fotofosforylering. In deze systemen gereduceerde vormen van zwavel, zoals H2S, die kan worden gebruikt als elektronendonor en is weergegeven in figuur 5. Om u te helpen de overeenkomsten tussen fotofosforylering en ademhaling beter te begrijpen, is er een rode/os-toren gemaakt die veel veelgebruikte verbindingen bevat die betrokken zijn bij fotofosforylering.

geoxideerde vorm

gereduceerde vorm

n (elektronen)

Eo´ (volt)

PS1* (os)

PS1* (rood)

-

-1.20

ferredoxin (ox) versie 1

ferredoxin (rood) versie 1

1

-0.7

PSII* (os)

PSII* (rood)

-

-0.67

P840* (os)

PS840* (rood)

-

-0.67

acetaat

aceetaldehyde

2

-0.6

CO2

Glucose

24

-0.43

ferredoxin (ox) versie 2

ferredoxin (rood) versie 2

1

-0.43

CO2

formaat

2

-0.42

2H+

H2

2

-0.42

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Complex I

FMN (enzymgebonden)

FMNH2

2

-0.3

Liponzuur, (os)

Liponzuur, (rood)

2

-0.29

DIK+ (gratis) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Pyruvaat + 2H+

melk geven

2

-0.19

DIK+ + 2H+ (gebonden)

FADH2 (gebonden)

2

0.003-0.09

CoQ (Ubiquinon - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Plastoquinon; (OS)

Plastoquinon; (rood)

-

0.08

Ubiquinon; (OS)

Ubiquinon; (rood)

2

0.1

Complex III cytochroom b2; Fe3+

cytochroom b2; Fe2+

1

0.12

Complex III cytochroom c1; Fe3+

cytochroom c1; Fe2+

1

0.22

Cytochroom c; Fe3+

Cytochroom c; Fe2+

1

0.25

Complex IV Cytochroom een; Fe3+

Cytochroom een; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (OS)

PS840GS (rood)

-

0.33

Complex IV Cytochroom a3; Fe3+

Cytochroom a3; Fe2+

1

0.35

Ferricyanide

ferrocyanide

2

0.36

Cytochroom f; Fe3+

Cytochroom f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (OS)

PSIGS (rood)

.

0.37

Nitraat

nitriet

1

0.42

Fe3+

Fe2+

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (OS)

PSIIGS (rood)

-

1.10

* Opgewonden toestand, na het absorberen van een foton van licht

GS Grondtoestand, toestand voorafgaand aan het absorberen van een foton van licht

PS1: Zuurstof fotosysteem I

P840: Bacterieel reactiecentrum met bacteriochlorofyl (anoxygeen)

PSII: zuurstofrijk fotosysteem II

figuur 3. Elektronentoren die een verscheidenheid aan gemeenschappelijke fotofosforyleringscomponenten heeft. PSI en PSII verwijzen naar fotosystemen I en II van de zuurstofhoudende fotofosforyleringsroutes.

Cyclische fotofosforylering

Bij cyclische fotofosforylering wordt het bacteriochlorofylrood molecuul absorbeert voldoende lichtenergie om een ​​elektron te activeren en uit te stoten om bacteriochlorofyl te vormenOS. Het elektron reduceert een dragermolecuul in het reactiecentrum dat op zijn beurt een reeks dragers reduceert via rood/ox-reacties. Deze dragers zijn dezelfde dragers als bij de ademhaling. Als de verandering in reductiepotentieel van de verschillende rood/ox-reacties voldoende groot is, H+ protonen kunnen over een membraan worden verplaatst. Uiteindelijk wordt het elektron gebruikt om bacteriochlorofyl te verminderenOS (een complete lus maken) en het hele proces kan opnieuw beginnen. Deze stroom van elektronen is cyclisch en zou daarom een ​​proces aansturen dat cyclische fotofosforylering wordt genoemd. De elektronen maken een volledige cyclus: bacteriochlorofyl is de initiële bron van elektronen en is de laatste elektronenacceptor. ATP wordt geproduceerd via de F1F0 ATPase. Het schema in figuur 4 laat zien hoe cyclische elektronen stromen en dus hoe cyclische fotofosforylering werkt.

Figuur 4. Cyclische elektronenstroom. Het reactiecentrum P840 absorbeert lichtenergie en wordt opgewonden, aangeduid met een *. Het geëxciteerde elektron wordt uitgeworpen en gebruikt om een ​​FeS-eiwit te reduceren, waardoor een geoxideerd reactiecentrum achterblijft. Het elektron wordt overgebracht naar een chinon en vervolgens naar een reeks cytochromen, wat op zijn beurt het P840-reactiecentrum vermindert. Het proces is cyclisch. Let op de grijze reeks die van het FeS-eiwit naar een ferridoxine (Fd) gaat, ook in grijs. Dit vertegenwoordigt een alternatieve route die het elektron kan nemen en zal hieronder worden besproken in niet-cyclische fotofosforylering. Opmerking dat het elektron dat aanvankelijk het P840-reactiecentrum verlaat, niet noodzakelijk hetzelfde elektron is dat uiteindelijk zijn weg terug vindt om de geoxideerde P840 te reduceren.

Let op: mogelijke discussie

De figuur van cyclische fotofosforylering hierboven geeft de stroom van elektronen in een ademhalingsketen weer. Hoe helpt dit proces bij het genereren van ATP?

Niet-cyclische fotofosforylering

Bij cyclische fotofosforylering gaan elektronen van bacteriochlorofyl (of chlorofyl) naar een reeks elektronendragers en uiteindelijk terug naar bacteriochlorofyl (of chlorofyl); er is theoretisch geen netto verlies van elektronen en ze blijven in het systeem. Bij niet-cyclische fotofosforylering worden elektronen uit het fotosysteem en de rood/os-keten verwijderd en komen ze uiteindelijk op NADPH terecht. Dat betekent dat er een bron van elektronen moet zijn, een bron die een kleiner reductiepotentieel heeft dan bacteriochlorofyl (of chlorofyl) die elektronen kan doneren aan bacteriochlorofylOS om het te verminderen. Als je naar de elektronentoren in figuur 3 kijkt, kun je zien welke verbindingen kunnen worden gebruikt om de geoxideerde vorm van bacteriochlorofyl te verminderen. De tweede vereiste is dat, wanneer bacteriochlorofyl wordt geoxideerd en het elektron wordt uitgeworpen, het een drager moet reduceren die een groter reductiepotentieel heeft dan NADP/NADPH (zie de elektronentoren). In dit geval kunnen elektronen van geactiveerd bacteriochlorofyl naar NADP stromen, waarbij NADPH en geoxideerd bacteriochlorofyl worden gevormd. Elektronen gaan verloren uit het systeem en komen terecht op NADPH; om het circuit te voltooien, bacteriochlorofylOS wordt gereduceerd door een externe elektronendonor zoals H2S of elementaire S0.

Niet-cyclische elektronenstroom

Figuur 5. Niet-cyclische elektronenstroom. In dit voorbeeld absorbeert het P840-reactiecentrum lichtenergie en wordt geactiveerd; het geëmitteerde elektron reduceert een FeS-eiwit en op zijn beurt reduceert het ferridoxine. Gereduceerd ferridoxine (Fdrood) kan nu NADP verminderen om NADPH te vormen. De elektronen worden nu uit het systeem verwijderd en vinden hun weg naar NADPH. De elektronen moeten worden vervangen op P840, waarvoor een externe elektronendonor nodig is. In dit geval H2S dient als de elektronendonor.

Let op: mogelijke discussie

Opgemerkt moet worden dat voor bacteriële fotofosforyleringsroutes, voor elk elektron dat wordt gedoneerd door een reactiecentrum [onthoud dat slechts één elektron daadwerkelijk wordt gedoneerd aan het reactiecentrum (of chlorofylmolecuul)], de resulterende output van die elektronentransportketen ofwel de vorming van NADPH (vereist twee elektronen) of ATP kan worden gemaakt, maar NIET beide. Met andere woorden, het pad dat de elektronen in de ETC afleggen, kan een of twee mogelijke uitkomsten hebben. Dit stelt grenzen aan de veelzijdigheid van de bacteriële anoxygene fotosynthetische systemen. Maar wat zou er gebeuren als er een proces zou ontstaan ​​dat beide systemen gebruikt, dat wil zeggen, een cyclische en niet-cyclische fotosyntheseroute waarin zowel ATP als NADPH kunnen worden gevormd uit een enkele invoer van elektronen? Een tweede beperking is dat deze bacteriële systemen verbindingen zoals gereduceerde zwavel nodig hebben om te werken als elektronendonoren om de geoxideerde reactiecentra te verminderen, maar het zijn niet noodzakelijk algemeen voorkomende verbindingen. Wat zou er gebeuren als een chlorofylOS molecuul zou een reductiepotentieel hebben dat hoger (positiever) is dan dat van het moleculaire O2/H2O reactie? Antwoord: een planetaire gamechanger.

Zuurstof fotofosforylering

Generatie van NADPH en ATP

De algemene functie van lichtafhankelijke reacties is om zonne-energie om te zetten in chemische verbindingen, grotendeels de moleculen NADPH en ATP. Deze energie ondersteunt de lichtonafhankelijke reacties en voedt de assemblage van suikermoleculen. De van licht afhankelijke reacties zijn weergegeven in Figuren 6 en 7. Eiwitcomplexen en pigmentmoleculen werken samen om NADPH en ATP te produceren.

Let op: mogelijke discussie

Stap een beetje terug. Waarom is het een redelijk doel om NADPH en ATP te willen maken? Bij de bespreking van glycolyse en de TCA-cyclus was het doel om ATP en NADH te maken. Wat is het belangrijkste verschil? Misschien hoe die moleculen zullen worden gebruikt? Iets anders?

Figuur 6. Een fotosysteem bestaat uit een lichtoogstcomplex en een reactiecentrum. Pigmenten in het lichtoogstcomplex geven lichtenergie door aan twee speciale chlorofyl een moleculen in het reactiecentrum. Het licht prikkelt een elektron uit het chlorofyl een paar, dat naar de primaire elektronenacceptor gaat. Het aangeslagen elektron moet dan worden vervangen. In (a) fotosysteem II is het elektron afkomstig van de splitsing van water, waarbij zuurstof als afvalproduct vrijkomt. In (b) fotosysteem I is het elektron afkomstig van de chloroplast-elektronentransportketen die hieronder wordt besproken.

De eigenlijke stap die lichtenergie in een biomolecuul overbrengt, vindt plaats in een multi-eiwitcomplex genaamd a fotosysteem, waarvan twee soorten worden gevonden ingebed in het thylakoïde membraan, fotosysteem II (PSII) en fotosysteem I (PSI). De twee complexen verschillen op basis van wat ze oxideren (dat wil zeggen, de bron van de lage energie-elektronentoevoer) en wat ze verminderen (de plaats waar ze hun geactiveerde elektronen afgeven).

Beide fotosystemen hebben dezelfde basisstructuur; een aantal antenne eiwitten waaraan de chlorofylmoleculen zijn gebonden, omringen de reactie centrum waarin de fotochemie plaatsvindt. Elk fotosysteem wordt onderhouden door de lichtoogstcomplex, die energie van zonlicht doorgeeft aan het reactiecentrum; het bestaat uit meerdere antenne-eiwitten die een mengsel van 300-400 chlorofyl bevatten een en B moleculen en andere pigmenten zoals carotenoïden. De absorptie van een single foton- een duidelijke hoeveelheid of "pakket" licht - door een van de chlorofylen duwt dat molecuul in een aangeslagen toestand. Kortom, de lichtenergie is nu opgevangen door biologische moleculen, maar is nog niet in een bruikbare vorm opgeslagen. De opgevangen energie wordt overgedragen van chlorofyl naar chlorofyl totdat het uiteindelijk (na ongeveer een miljoenste van een seconde) wordt afgeleverd aan het reactiecentrum. Tot nu toe is er alleen energie overgedragen tussen moleculen, geen elektronen.

Figuur 7. In het fotosysteem II (PSII) reactiecentrum wordt energie uit zonlicht gebruikt om elektronen uit water te halen. De elektronen reizen door de chloroplast-elektronentransportketen naar fotosysteem I (PSI), waardoor NADP . wordt verminderd+ naar NADPH. De elektronentransportketen verplaatst protonen over het thylakoïdemembraan naar het lumen. Tegelijkertijd voegt het splitsen van water protonen toe aan het lumen, en reductie van NADPH verwijdert protonen uit het stroma. Het netto resultaat is een lage pH in het thylakoïde lumen en een hoge pH in het stroma. ATP-synthase gebruikt deze elektrochemische gradiënt om ATP te maken.

Het reactiecentrum bevat een paar chlorofyl een moleculen met een speciale eigenschap. Die twee chlorofylen kunnen bij excitatie oxidatie ondergaan; ze kunnen zelfs een elektron opgeven in een proces dat a . wordt genoemd fotoactivering. Het is bij deze stap in het reactiecentrum, deze stap in fotofosforylering, dat lichtenergie wordt overgebracht naar een geëxciteerd elektron. Alle volgende stappen omvatten het krijgen van dat elektron op de energiedrager NADPH voor levering aan de Calvin-cyclus, waar het elektron op koolstof kan worden afgezet voor langdurige opslag in de vorm van een koolhydraat.

Het Z-schema

PSII en PSI zijn twee belangrijke componenten van de fotosynthese elektronentransportketen, waaronder ook de cytochroom complex. Het reactiecentrum van PSII (genaamd P680) levert zijn hoogenergetische elektronen één voor één af aan a primaire elektronenacceptor genaamd feophytine (Ph), en vervolgens achtereenvolgens aan twee gebonden plastochinonen QEEN en QB. Elektronen worden vervolgens van PSII overgebracht naar een pool van mobiele plastochinonen (Q-pool) die de elektronen vervolgens overbrengen naar een eiwitcomplex genaamd CytochromeB6F. Het cytochroomcomplex maakt gebruik van de rood/os-transfers om proton over het thylakoyd-membraan te pompen, waardoor een proton-aandrijvende kracht ontstaat die kan worden gebruikt voor de synthese van ATP. Elektronen die het cytochroom verlaten, worden overgebracht naar een koperbevattend eiwit dat plastocyanine (PC) wordt genoemd en dat vervolgens elektronen overbrengt naar PSI (P700). Het ontbrekende elektron van P680 wordt vervangen door een elektron uit water te extraheren; dus water wordt gesplitst en PSII wordt opnieuw verminderd na elke fotoactiveringsstap. Gewoon om wat getallen te delen: Een H . splitsen2O-molecuul geeft twee elektronen, twee waterstofatomen en één zuurstofatoom af. Het splitsen van twee moleculen water is nodig om één molecuul diatomisch O . te vormen2 gas. In planten wordt ongeveer tien procent van die zuurstof gebruikt door mitochondriën in het blad om oxidatieve fosforylering te ondersteunen. De rest ontsnapt naar de atmosfeer waar het door aerobe organismen wordt gebruikt om de ademhaling te ondersteunen.

Terwijl elektronen door de eiwitten bewegen die zich tussen PSII en PSI bevinden, nemen ze deel aan exergonische rood/os-overdrachten. De vrije energie die gepaard gaat met de exergonische rood/os-reactie is gekoppeld aan het endergonische transport van protonen van de stromale zijde van het membraan naar het thylakoïde lumen door het cytochroomcomplex. Die waterstofionen, plus die geproduceerd door het splitsen van water, hopen zich op in het thylakoïde lumen en creëren een proton-aandrijvende kracht die zal worden gebruikt om de synthese van ATP in een latere stap aan te drijven. Aangezien de elektronen op PSI nu een groter reductiepotentieel hebben dan toen ze aan hun trektocht begonnen (het is belangrijk op te merken dat niet-opgewonden PSI een groter rood/ox-potentieel heeft dan NADP+/NADPH), moeten ze opnieuw worden geactiveerd in PSI voordat ze op NADP worden gestort+. Om dit proces te voltooien, moet daarom een ​​ander foton worden geabsorbeerd door de PSI-antenne. Die energie wordt overgebracht naar het PSI-reactiecentrum (genaamd P700). P700 wordt vervolgens geoxideerd en stuurt een elektron door verschillende tussenliggende rood/ox-stappen naar NADP+ NADPH vormen. PSII vangt dus de energie in licht op en koppelt de overdracht ervan via rood / ox-reacties aan het creëren van een protongradiënt. Zoals reeds opgemerkt, kan de exergonische en gecontroleerde relaxatie van deze gradiënt worden gekoppeld aan de synthese van ATP. PSI vangt energie op in licht en koppelt die, via een reeks rood/os-reacties, om NADP . te verminderen+ in NADPH. De twee fotosystemen werken gedeeltelijk samen om te garanderen dat de productie van NADPH in de juiste verhouding staat tot de productie van ATP. Er bestaan ​​​​andere mechanismen om die verhouding nauwkeurig af te stemmen op de constant veranderende energiebehoeften van de chloroplast.

Figuur 8. Een diagram dat de stroom van elektronen en de rood/ox-potentialen van hun dragers in zuurstofrijke fotosynthetische systemen weergeeft die zowel fotosysteem I (omkaderd in blauw) als fotosysteem II (omkaderd in groen) tot uitdrukking brengen.

Ph = feofytine; QA = gebonden plastochinon, QB = losser geassocieerd plastochinon; Q pool = mobiele plastochinon pool; Cyt vriendje = Cytochroom b6f-complex; PC = plastocyanine; Chloa0 = speciaal chlorofyl; EEN1 = vitamine K; Fx en FAB = ijzer-zwavelcentra; FNS = ferredoxine; FNR = ferredoxine-NADP-reductase
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)