Ondřej Prášil

Fotosyntéza
9
Ondřej Prášil
[email protected]
384-340430
Antény
Pigmentová anténa – mechanismus pro akumulaci kvant ve slabém
světle. Zvýší efektivní absorbční průřez RC více než 100 x. Kombinací
různých pigmentů se využije světlo různých vlnových délek.
Mechanismus ekologické adaptace na prostředí.
Univerzální architektura antén:
pigment - proteinové komplexy
•
•
Vnitřní- u reakčního centra,
pevné, neměnné, někdy přímo
spojené s reakčním centrem
Vnější- plastické, přizpůsobení
prostředí
Vnější
periferní - vněmembránové
•
zelené sirné bakterie,sinice,
ruduchy, skrytěnky
integrální - vnitromembránové
•
•
hydrofobní alfa šroubovice
purpurové fotosyntetické
bakterie, řasy (kromě ruduch a
skrytěnek), vyšší rostliny.
Antenna Complexes
Extreme diversity of antenna systems strongly suggests
multiple independent evolutionary origins
Nejjednodušší systémy - rhodopsiny
Prokaryota
Photosynthetic
Prokaryotes
Diverse classes of antenna,
reaction center and electron
transfer complexes
Martin Hohmann-Marriott
Antény u fotosyntetických prokaryot
Purpurové bakterie
Světlosběrné (Light-harvesting) komplexy LH1, LH2
LH1 okolo RC, pevné
LH2 plastické, vnější
Oba jsou oligomery základních jednotek - hydrofobní bílkoviny  a 
Váží 2-3 bakteriochlorofyly a 1-2 karotenoidy
Purpurové bakterie
Purpurové bakterie
základní heterodimer  a  podjednotek; oligomer LH 1: 16xdimer, LH2 9x
His31
His30
LH 2 komplex
Bchl a
Bchla 850


Bchla 800
Faktory, které určují
Polohu Qy pásu:
18 Bchla 850
hydrofóbní prostředí
Dexterův přenos
excitonová interakce
Delokalizace excitace
9 Bchla 800
koordinace ?
N-terminální Asp
Deformace makrocyklu
Přítomnost nábojů
Rotace C3 acetyl. sk.
Vodíkové vazby
na C3 –acetylu
a C13-keto skupiny
Försterův přenos
rezonanční interakce
Individuální molekuly
Přenos energie bchla  car
Karotenoid rhodopin glukosid
Slabé van der Waalsovy interakce – strukturní integrita
Ochrana – zhášení tripletů
High-resolution topograph of a
high-light adapted Rsp.
photometricum chromatophore
Přenos energie v LH
Přenos energie ~ 100 ps
95% účinnost
Zastoupení pigmentů v anténách a jejich evoluce
Photosynthetic
Prokaryotes
Diverse classes of antenna,
reaction center and electron
transfer complexes
Chlorosome Antenna System of Green
Sulfur Bacteria
•Efficient, ultrafast energy
collection system
•Low intensity--one
photon absorbed per
pigment every eight
hours!
•Unique pigment
organization–pigment
oligomers instead of
pigment-proteins
•Redox-activated
modulation of energy
transfer
hv
*
**
*
*
*
*
*
FMO
FMO
Cytoplasm
Periplasm
Electron tomography
Cells contain ~100
chlorosomes
appressed to the
cytoplasmic
membrane
Connected via a
complex internal
structural network.
Each chlorosome
contains ~200,000
molecules of BChl c.
FMO protein
Fenna-MatthewsOlson
trimer
3x7 bhcla
Photosynthetic
Prokaryotes
Diverse classes of antenna,
reaction center and electron
transfer complexes
Martin Hohmann-Marriott
Fykobiliproteiny
sinice, ruduchy, (skrytěnky)
1 fykobilisom na 2 RC PSII, 50x30x12 nm
Fykobilisomy
•několik různých druhů, až 50% rozpustných proteinů v buňce
•polokruhové fykobilisomy: biliproteiny + linkery,
•„trychýřovitý“ přenos energie
•úloha linkerů
•chromatická adaptace
kovalentní vazba bilinů
Fykoerythrin
(fykoerythrobilin, fykourobilin)
Fykocyanin
(fykocyanobilin)
Allofykocyanin
(fykocyanobilin)
Stavba fykobiliproteinů
 podjednotky 16-22 kDa
cyklické hexamery
Zastoupení pigmentů v anténách a jejich evoluce
Absorption of the light harvesting antenna of Trichodesmium
Transmission of the filters
applied for measurement
Car
PUB
PE
PC
APC
Chl
RC
Synechococcus Cells Display a Wide Variety of
Pigmentation
1
2
3a 3b 3c
=> 3 main pigment types and several
subtypes
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 1
1
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Type
1 (WH5701)
Col
8 vs
Col 9
Col 8 vs Col 11
Col 8 vs Col 13
Col 8 vs Col 15
Col 8 vs Col 17
1,4
1,2
1,0
0,8
Phycocyanin
0,6
0,4
0,2
0,0
400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm)
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 1
C-Phycocyanin
Allophycocyanin
Photo: Chisholm et al. (1988)
Rod
Core Rod
PCB: Blue chromophore
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 2
2
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Phycoerythrin-I
1,4
1,2
Col 8 vs Col 9
Type
2 (WH7805)
Col
8 vs
Col 11
Col 8 vs Col 13
Col 8 vs Col 15
Col 8 vs Col 17
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm)
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 2
Phycoerythrin-I
C-Phycocyanin or R-PCIII
Allophycocyanin
Photo: Chisholm et al. (1988)
Rod
PCB: Blue chromophore
Core
Rod
PEB: pink chromophore
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 Subtype a
3a
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Phycoerythrin-II
1,4
1,2
Phycourobilin
(PUB)
1,0
Phycoerythrobilin
(PEB)
Col 8 vs Col 9
Col 8 vs Col 11
Type
3aCol
(WH7803)
Col
8 vs
13
Col 8 vs Col 15
Col 8 vs Col 17
Whole cell PUB:PEB
fluorescence excitation ratio
0.4<F495 nm:F550 nm<0.5
(Em:580 nm)
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm)
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 Subtype b
3b
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Col 8 vs Col 9
Col 8 vs Col 11
Col 8 vs Col 13
Col
8 vs
15
Type
3bCol
(RCC307)
Col 8 vs Col 17
Phycoerythrin-II
1,4
1,2
PUB
1,0
Whole cell PUB:PEB
fluorescence excitation ratio
0.6<F495 nm:F550 nm<0.8
PEB
(Em:580 nm)
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm)
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 Subtype c
3c
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
Col 8 vs Col 9
Col 8 vs Col 11
Col 8 vs Col 13
Col 8 vs Col 15
Col
8 vs
17
Type
3cCol
(WH8102
)
Phycoerythrin-II
1,4
1,2
PUB
Whole cell PUB:PEB
fluorescence excitation ratio
1,0
1.6<F495 nm:F550 nm<2.2
0,8
(Em:580 nm)
PEB
0,6
0,4
0,2
0,0
400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm)
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3 Subtype d = Type IV Chromatic
Adapter
3d
infrared
Relative absorbance (AU)
1,6
1,4
White or green light (GL)
1,2
PUB
Col 8 vs Col 9
Col 8 vs Col 11
Col 8 vs Col 13
Col 8 vs Col 15
Col 8 vs Col 17
GL : 0.6<F495 nm:F550 nm<0.8
PEB
1,0
3d = chromatic
adapter
0,8
0,6
0,4
Whole cell PUB:PEB
fluorescence excitation ratio
BL : 1.6<F495 nm:F550 nm<1.9
Blue light (BL)
0,2
0,0
400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength (nm)
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigment Type 3
R-Phycocyanin-II or V
Phycoerythrin-I
Phycoerythrin-II
Photo: Chisholm et al. (1988)
Rod
- PEI : PUB:PEB 0:5
- PEII: PUB:PEB 1:5
3
a
Allophycocyanin
Core
Rod
3
b
3c
- PEI : PUB:PEB 2:3
- PEII: PUB:PEB 2:4
GL or WL
- PEI : PUB:PEB 2:3
- PEII: PUB:PEB 4:2
3d
BL
PCB: Blue chromophore
PEB: Pink chromophore
PUB: Orange chromophore
Everroad, Six et al., J. Bact 2006
Six et al., Genome Biology, 2007
Pigmentation and Light Quality Niches
Oligotrophic
Mesotrophic
Coastal 0 m
Nutrients
50 m
100 m
150 m
 This wide variety of pigmentation likely allows Synechococcus cells to colonize all
available
marine environments reached by light, explaining the remarkable ubiquity of this genus
The dominant pigmentation in the oligotrophic waters is high-PUB (e.g. Olson et al. 1990,
But are these cells belonging to pigment type 3c or are they blue light-adapted forms of
L&O)
chromatic adapters ?
Proteiny typu CP43
“PSII Core Complex”
•CP43, CP47 u PSII
•Pcb u prochlorofyt
•N terminální PSI
•isiA
6 helixů
isiA z CP43
CP47 most divergent
Fotosystém I
CP43 a CP47 – vnitřní antény PSII
chla, β- karoten
Pcb proteiny u Prochlorothrix
Prochlorofyta – Prochlorococcus, Prochlorothrix,
Prochloron
Pcb váží (dv)chl a/b
Pcb proteiny o Prochlorococcus
IsiA váže pouze chla
18 jednotek okolo PSI
stres nedostatkem Fe
LHC antény
Asi 15 různých chlorofyl vážících bílkovin u PSI a PSII. Všechny jsou
kódovány v jádře. Geny se označují Lhca1… Lhcb1… nebo cab.
Proteiny Lhca1…nebo CP. Dohromady tvoří komplex LHCI nebo
LHCII.
Lhc
50% všech
proteinů
thylakoidu
20-30 kDa
3 transmembránové  šroubovice + 1 malá paralelní
Lhcb:
12 chlorofylů (7 chl a + 5 chl b)
2 luteiny – strukturní funkce
LHCII v rozlišení 2.5 A
Chromofyta a dinofyta: chla, chlc, xanthofyly
FCP – fucoxanthin
PCP - peridinin