VL 9: Biochemie des lichtgetriebenen Energiestoffwechsels

Question 1

Lichtgetriebene Energiekonservierung

Answer 1

• Photosynthetische Lichtreaktionen
  
  • Antennen
  • Reaktionszentren
• Lichtgetriebene Protonenpumpen
  
  • Bakteriorhodopsin (irreführender Name, weil in Haloarchaea vorkkommend)
  • Proteorhodopsin

Question 2

Antennen als Lichtsammler

Answer 2

• Reaktionszentrum
  
  • Komplexe von integralen Membranproteinen
  • Stattfindungsort der Ladungstrennung
    
    • nach Lichtsabsorption wird Elektron auf ein negatives Redoxpotential gebracht
• Pigment
  
  • versch. Varianten von Antennensystemen, da RZ alleine nicht ausreichend
  • unterschiedl. AS in unterschiedlichen Organismen für efizientes Lichtsammeln

Question 3

Schematisches Zusammenspiel von Antennensystemen und Reaktionszentren - Cyanobakterien

Answer 3

• Phycobilisomen
  
  • Proteinkomplexe
  • mol Masse > ganzes Ribosom
  • sitzen auf PS II
    
    • bestehend aus 2 Kern-UE (D1 und D2)
    • umgebend von zwei intrinsischen Antennenproteinen (CP 43 und CP 57)
      
      • Chl a und Carotinoid bindend
• Q und FeS
  
  • jeweils erster stabiler elektronenakzeptor nach Lichtreaktion eines Photosystems
  • PS II : Q (Chinon/Quinone)
    
    • fettlösliche Elektronencarrier
    • 2 Carbonylgruppen
    • einzeln nacheeinander reduziert werden können
  • PS I: Fe-S
    
    • 4Fe-4S Zentrum
    • Cystein-Schwefel
    • 1 der 4 Eisenionen valenzwechsel durchlaufen (+3 –> +2 bzw. +2 –> +3)

Question 4

Elektronencarrier

Answer 4

• Q und FeS
  
  • jeweils erster stabiler elektronenakzeptor nach Lichtreaktion eines Photosystems
  • PS II : Q (Chinon/Quinone)
    
    • fettlösliche Elektronencarrier
    • 2 Carbonylgruppen
    • einzeln nacheeinander reduziert werden können
  • PS I: Fe-S
    
    • 4Fe-4S Zentrum
    • Cystein-Schwefel
    • 1 der 4 Eisenionen valenzwechsel durchlaufen (+3 –> +2 bzw. +2 –> +3)

Question 5

Schematisches Zusammenspiel von Antennensystemen und Reaktionszentren (RC) - Prochlorophyten

Answer 5

• Prochlorophyten
  
  • besondere Gruppe von Cyanobakterien
  • in riesen Konzenrationen in Weltmeeren
  • keine Phycobilisomen sondern Chlorophyllbindende Proteine
    
    • fungieren als Antennen
    • enthalten Chlb (sonst nur in Chloroplasten)

Question 6

Antennen und Reaktionszentren Heliobakterien, Purpurbakterien, grüne Schwefelbakterien, Grüne nichtschwefelbakterien

Answer 6

• nur 1 PS in jeweiligen Organismen
  
  • PS II
    
    • Heterodimere (dunkel und hellmagenta)
    • Chinon (Q) als Elektronencarrier
  • PS I
    
    • Homodimere
    • Fe-S-Zentren als Elektronencarrier
• Chlorosomen
  
  • Lichtsammel(antennen) Komplexe der Grünen Bakterien
  • Lipidmonoschicht Kompartimente
  • riesege Anzahl v bChl c, d und e eingeschlossen
  • Größe kann variieren
• Grüne Nichtschwefelbakterien
  
  • kleine Chlorosomen
  • bis zu 50 000 BChl Moleküle
• Grüne Schwefelbaktrien
  
  • große Chlorosomen
    
    • bis zu 250 000 BChl Moleküle
    • keine direkte Interaktion mit RC
  • BChl a bindenendes Protein (FannerMatthews-Olson) FMO Protein zwischengeschaltet
  • Basalschicht weggelassen
  • Spektrale Eigenschaften der Pigmente in jeweiligen Ketten (?)
    
    • erlauben Energietransfer von den Pigmenten in AS bis RC
    • BChl c (742nm) ,d,e in Chlorosomen in Rotbereich kurzwelligere Anregungswellenlängen als BChl a in Basalplatte
    • BChl a in Basalplatte (792 nm) kurzwelliger als BChl a in FMO Proteinen
    • BChl a in FMO (805 nm) kurzwelliger als im RC (865 nm)
    • Energiegefälle, sodass thermodynamisch möglich vorgeschaltete Pigmente ihre E an nachgeschaltete Pigmente weiterzugeben
• Heliobakterien
  
  • nacktes Homodimeres RC
  • keinerlei Antennensysteme nachgewiesen
• Purpurbakterien
  
  • RC durch ringförmig angeordnete Proteinkomplexe umgeben
  • diese PK enthalten BChl a, Bezeichnung LH

Question 7

Phycobilisomen

Answer 7

• Antennenkomplexe der Cyanobakterien
• aus 3 Arten von Lichtabsorbierenden Proteinkomplexen
  
  • Allophycocyanin
    
    • sitzt direkt auf RC
  • Phycocyanin
    
    • peripher angeordnet
  • Phycoerythrin
    
    • peripher angeordnet

Question 8

Phycoerythrine, Phycocyanine

Answer 8

• offenkettige Tetrapyrrole
• werden aus Häm gebildet
• kovalent an Cysteinrest der Proteinkette
• unterscheiden sich an Reduktionsgrad
• Spektrale Eigenschaften von Antennen und RC den effizienten Transfer von Lichtenergie
• Phycoerythrine absorbieren im grünen - gelben Bereich des sichtbaren Spektrums
• Phycocyanine im langwelligeren Oragnen
• RC im Roten

Question 9

Phycobiliproteine und Phycobilisomen, Phycocyanin, Struktur, Anordnung

Answer 9

• (a) Phycocyanin
  
  • typischer Vertreter der Biline
  • offenettiges Tetrapyrrol
  • biosynthetisch von einem geschlossenen Prrhyrinringsystem durch den Verlust eines Kohlenstoffatoms als Kohlenmonoxis ableitet
  • dargestellte Struktur prosthetische Gruppe von Phycocyanin
  • kommt bei Cyanobakterien und Rotalgen vor
• (b) Struktur Phycobilisom
  
  • Phycocyanin absorbiert bei höheren Energien (kürzeren Wellenlängen) als Allophycocyanin
  • Chl a absorbiert bei längerren WL (niedrigeren Energien) als Allophycocyanin
  • Energiefluss
    
    • Phycocyanin –> Allophycocyanin –> Chlorophyll a von PS II
• (c) Elektronenmikroskopische Aufnahme Dünnschnitt Cyanobakterium Synechocyis
  
  • dunkelfarbige, kugelige Phycobilisomen
  • an die lamellaern Membranen angeheftet
    *

Question 10

Ringförmige Darstellung der Phycobilisomen

Answer 10

• grundlegender Aufbau von Allophycocyanin, Phycocyanin und Phycooerythrin ist gleich
• alphabeta-Dimere
• Allophycocyanin
  
  • 2 Phycocyanobiline pro alpha-beta-Dimere gebunden
• Phycocyanin
  
  • 3 Phycocyanobiline pro ab-Dimer
• Phycoerythrin
  
  • 5 Erythrobilino pro ab-Dimer
• 3 ab-Dimere lagern sich zu Trimer an
• 2 Trimere lageren sich zu Hexamer an

Question 11

Superkomplexe aus Phycobilisomen/PSI/PSII

Answer 11

• 2 - 5 Doppelhexamere APS Kern
• in diesem Fall 3 Doppelhexamere
• Anzahl Doppelhexamere Phycocyanins und Phycoerythrins variiert
  
  • abhängig von Stickstoffversorgung der Zellen
  • aufgrund der Stickstoffhaltigen AS in Proteinen
  • abhängig der Lichtintensität unter der die Bakterien wachsen
    *

Question 12

Light-harvesting Komplexe der Purpurbakterien

Answer 12

• unmittelbar RC herum sitzt LH1
• RC
  
  • absorbieren bei 870 nm
• LH1
  
  • 16 alpha-beta-Dimere
  • pro ab-Dimer 2 Chla Moleküle
  • absorbieren 850 nm
• peripher LH2
• LH2
  
  • alpha-betaDimere
  • versch. Organismen 8-10 fach
  • 3 Chla Moleküle, 1 Carotinoid
  • absorbieren max. bei 800 nm

Question 13

Zusammenfassung Antennenkomplexe

Answer 13

• Cyanobakterien
  
  • Phycobilisomen (Phycoerythrine, Phycocyanine
• Purpurbakterien
  
  • LH Komplexe 1 und 2
• Grüne Bakterien
  
  • Chlorosomen

Question 14

Reaktionszentren

Answer 14

• Typ I
  
  • PS 1
  • RC 1
  • Grüne Schwefelbakterien, Heliobakterien
  • Eisen-Schwefel-Zentrum als Elektronenakzeptor
• Typ II
  
  • PS II
  • RC II
  • Purpurbakterien, Grüne Nichtschwefelbakterien
  • Chinon als Elektronenakzeptor
• Merke
  
  • Das Redox-Potential des reduzierten Fe-S-Akzeptors von Typ I-RC ist deutlich negativer als das des Chinonakzeptors von Typ II-RC

Question 15

Elektronentransportkette - Cyanobkterien

Answer 15

• nach Lichtreaktion in PS II landet jeweils ein Elektron in stabilen Chinon
• tauscht mit Chinon aus Chinonpool aus Thylakoidmembran
• Cytochrom b6f-Komplex oxidiert reduziertes Chinon, reduziert dabei Kupferion in Plastocyanin (PC), Reduktion durch Aufnahme Elektron von Kuper(II) –> Kupfer (II), durch Abgabe Elektron Rückreaktion Oxidation
• Reoxidation erfolgt am PS-I, Lichtreaktion, Elektron landet im stabilen FeS-Akzeptor
• Redoxpotential des FeS ist negativ genug um damit Ferredoxin zu reduzieren
• reduziertes Fd wird von der Ferredoxin NADP Oxidoreduktase als Elektronendonator genutzt um NADP+ zu NADPH zu reduzieren
• Protonenpotential wird aufgebaut für ATP-Synthase als treibende Kraft

Question 16

Elektronenfluss bei der oxygenen Photosynthese der Pflanzen (das so genannte Z-Schema)

Answer 16

• Intermediate nach Standardpotentialen angeordnet
• Standardpotentiale der stabilen Akzeptoren (Qb bei PS II und FeS bei PS I) deutlich voneinander unterscheiden
• Elektron landet nicht sofort beim stabilen Elektronenakzeptor, sondern weiter Akzeptoren kurzlebig zwischengeschaltet
  
  • kurzlebig (ps-ns)
  • langlebig (mikros-ms)
• beim Zyklischen Elektronenfluss wird ATP synthetisiert aber keine Reduktionskraft aufgebaut
  
  • von Fd zu Cyt bf

Question 17

Elektronenfluss bei der anoxygenen PS von Purpurbakterien

Answer 17

• Typ II RC
• besitzen nur 1 Typ RC
• nach Lichtreaktion gelangen Elektronen über Bacteriophyophytin zu stabilen QbAkzeptor in Chinonpool, zu Cyt bc1 Komplex
• Elektronen fließen über C-Typ Cytochrom zurück in Reaktionszentrum
• Protonenpotential wird generiert
• zyklischer Elektronentransfer, der keinen exogenen Elektronendonator benötigt
• für CO2 Assimilation muss aber Reduktionskraft regeneriert werden
  
  • rückläufiger Elektronentransport (energie verbrauchend)

Question 18

Struktur des Reaktionszentrums eines phototrophen Purpurbakteriums

Answer 18

(a) Anordnung der Pigmentmoleküle

• Proteinketten weg, nur noch Cofaktoren
• Zentrum: Special Pair von BChl a (organge), auf die bei Reaktion die gesamte Energie übertragen wird
• unmittelbar benachbarte akzessorische BChl a Moleküle (gelb)
• Bacteriopheophytin Moleküle (blau)
• unten dunkelgelb 2 Chinone

(b) Strukturmodell

• in Membran eingebettet
• 2 integrale Membranproteine (M und L)
• H UE mit RC direkt assoziiert

Answer 19

Question 20

Reaktionszentren - Vergleich

Answer 20

• NADH 320 mV Redoxpotential!!

Question 21

Bacteriorhodopsin Struktur, Bedeutung

Answer 21

• nicht in Bakterien sondern Halophilen Bakterien
• integrales Mmebranprotein
• protonenpumpendes Chromoprotein
• Sekundärstrukturelemente
  
  • 7 Helikale Bereiche , die Membran drchspannen
  • in 7. Transmaemban Helix ist an Lysinrest Retinal gebunden
• Retinal
  
  • all-trans-Retinal
  • Cofaktor
• Salzkonzentrationen an Sättigungsgrenze
• Aerobier
• nutzen Bacteriorhodopsin unter sauerstoffmangel
• große Mengen an Bakteriorhodopsin in Membran, purpur
  *

Question 22

Lichtreaktion Bakteriorhopsin

Answer 22

• nach Lichtreaktion all-trans-Retinal zu 13-cis-Retinal
• protonierte Schiffsche Base ihre Position in Protein verändert von Innenseite zur Außenseite wandert
• Proton wird zunächst aus saure AS übertragen und auf Außenseite freigesetzt
• Retinalcofaktor geht wieder in Grundzustand über
• Saure AS wird mit H versorgt
• geht in all-trans Konfig über

Question 23

Zusammenfassung

Answer 23

• In den verschiedenen Gruppen photosynthetischer Prokaryoten sind Pigmente in der Cytoplasmamembran, in Thylakoiden, intrazellulären membranstapeln oder Vesikeln, oder in Chlorosomen lokalisiert
• Lichtsammelkomplexe (Antennen) leiten die Lichtenergie zu den Reaktionszentren. Als Antennen dienen Phycobilisomen (Cyanobakterien), “light-harvesting”-omplexe (Purpurbakterien) und Chlorosomen (Grüne Bakterien)
• Typ I- und Typ II-Reaktionszentren unterscheiden sich u.a. durch das Redoxpotential des stabilen Primäakzeptors. Typ I-Reaktionszentren ermöglicheen diie direkte Reduktion von NADP+. Typ II_reaktionszentren machen rückläufigen Elektronentransport erforderlich
• Lichtgetriebene Ionenpumpen bilden Protonen-(Bakteriorhodopsin, Proteirhodopsin) oder Chloridgradienten (Halorhodopsin), die der ATP-Synthese bzw. Als Anpassung an Standorte mit hoher Osmolarität dienen