Fotosüsteem II

Fotosüsteem II (FSII) on esimene osa fotosünteesi mehhanismist. See on valgust neelav kompleks, mis asub tülakoidide membraanides. See on sarnane nii taimedes, vetikates kui ka bakterites. Fotosüsteem II kasutab valgusenergiat vee molekulide lagundamiseks ja plastokinooni redutseerimiseks. See on ainuke teadaolev valgukompleks, mis suudab lagundada veemolekuli, mille järel toimub hapniku eraldumine atmosfääri. Lisaks hapniku tootmisele varustab fotosüsteem II elektrontransportahelat elektronidega ja aitab luua prootongradienti membraanil. Fotosüsteem II nimetatakse tema ensüümide järgi veel plastokinooni oksidoreduktaasiks. Oksidoreduktaas on valgussõltuv ensüüm, mis kasutab valgusenergia footoneid elektronide ergastamiseks. Seejärel transporditakse need üle erinevate koensüümide ja kofaktorite, et redutseerida plastokinoon plastokinooliks. Vee lagundamisega teeb fotosüsteem II võimalikuks kogu fotosünteesi toimumise. Veemolekuli lagundamisel saadud vesinikioonid ehk prootonid aitavad tekitada prootongradienti, mida kasutab teine tülakoidide membraanis paiknev valkkompleks ATP süntaas, mis genereerib ADP-st ja anorgaanilisest fosforist ATP-d. ATP süntaas pumpab prootoneid kloroplastide stroomasse. Numbrid II ja I fotosüsteemide järel tulevad nende süsteemide avastamise ajaloolisest järjekorrast. Biokeemilised ja biofüüsikalised uurimused on näidanud, et fotosüsteem II asub tülakoidide membraanis nii, et vett oksüdeeriv sait ehk doonorsait on suunatud tülakoidide sisemuse ehk luumeni poole ja plastokinooni reduktaasi sait ehk aktseptorsait asub stroomapoolsel küljel. Fotosüsteemi keskosa koosneb kahest valgust: D1 ja D2 ning neid ümbritsevatest valkudest. Tsentrivalkude lähedal on mitu klorofülli valku CP43, CP47, CP26, CP29. Kõige kaugemal asuvad trimeersed valgustkoguvad kompleksid LHCII (inglise light-harvesting complex II). LHCII-ga on seotud nii klorofüll a, klorofüll b kui ka erinevad ksantofüllid. See kompleks sisaldab vähemalt kuut erinevat klorofüll a/b-d siduvat valkude kompleksi, mida nimetatakse Lhcb 1–6. LHCII moodustab rohelistes taimedes suure osa antennikompleksidest. See seob umbes 65% fotosüsteem II-s sisalduvast klorofüllist. LHCII koosneb kolmest monomeerist, millest igaüks sisaldab 12–13 klorofülli molekuli. Fotosüsteem II koosneb enam kui 15 polüpeptiidist ja vähemalt üheksast erinevast redokskomponendist (klorofüll, feofütiin, plastokinoon, türosiin, mangaaniklaster, raud, tsütokroomb559, karotinoidid ja histidiin), mis asuvad valguse indutseeritud elektronide ülekandeahelas. Kõikides reaktsioonitsentrites on kofaktorid sümmeetriliselt paigutunud. Valgud D1 ja D2 kannavad ligandi Mn4 klastrile. Rohelistes taimedes esineb klorofüll kahe vormina, need on klorofüll a ja klorofüll b, mis erinevad üksteisest vaid ühe kõrvalahela poolest. Klorofüll on tetrapürool, mida iseloomustab laiendatud, konjugeeritud π-elektronide süsteem, mis põhiliselt määrabki selle optilised omadused. Klorofülli monomeeride neeldumismaksimumid lahustes asuvad punase ja sinise valguse lainepikkusel. Vähem neeldub klorofüllis roheline valgus, sellest ka taimede roheline värvus. Klorofülli valgustneelavad omadused tulevad tema aromaatsusest. Peale klorofülli on fotosünteesivates organismides veel teisigi pigmente, näiteks karotinoidid ja fükobiliinid (inglise phycobilins). Need pigmendid suurendavad pealelangenud valguse neeldumist ja neid kutsutakse accessor-pigmentideks. Karotinoidid ja fükobiliinid muudavadki sügisel puud värvikirevaks, kuna nad säilivad lehes kauem kui klorofüllid. Vett lagundav kompleks on fotosüsteemiga ühendatud tülakoidi luumenipoolsel küljel. Selle koosseisus on tähtsad neli mangaani aatomit, kaltsiumi aatom ja 4 hapniku aatomit. ehk Mn4 klaster. Peale mangaani sisaldab klaster veel kaltsiumit (1 aatom) ja 4 hapniku aatomit. Kui valguskvant ühes klorofülli molekulis neeldub, ergastab see ühe molekuli elektroni. Ergastus liigub edasi klorofüllilt klorofüllile, kuni jõuab tsentriklorofüllile P680. Tsentriklorofüll ei anna ergastust edasi, vaid ioniseerub, andes oma ergastunud elektroni aktseptormolekulile, milleks fotosüsteem II-s on plastokinoon. Nüüd on tsentriklorofüll positiivselt laetud ja vajab uut elektroni. Antud molekul on sedavõrd tugev oksüdeerija, et suudab vahendavate molekulide abiga põhjustada vee molekuli lagunemise. Fotosünteetiline vee lõhustamine on üks olulisemaid reaktsioone meie planeedil, kuna see on peaaegu kogu atmosfääris leiduva molekulaarse hapniku allikas. Veelgi enam, kunstlik fotosünteetiline vee lõhustumine võib anda panuse efektiivsele valgusenergia kasutamisele alternatiivse energiaallikana. Vee oksüdeerimise mehhanism ei ole siiani täielikult välja selgitatud, siiski on selle protsessi kohta teada mitmeid detaile ja üldine skeem on lihtne ja arusaadav. Kahe vee molekuli negatiivse osalaenguga hapnikud seonduvad vettlagundava ensüümiga, mida nimetatakse ka mangaani klastriks. Veemolekulid nakkuvad positiivse laenguga klastriaatomitega. Elektrone hakatakse veemolekulidelt eraldama ühe kaupa, et täita augud, mille tekitab iga neelduv sobiva lainepikkusega ja energiaga päikesevalguse footon keskse klorofülli molekuli P680 reaktsioonitsentrisse. Iga neelduv footon viib tsentrist ühe elektroni. Niipea kui neli elektroni on eemaldatud, vabastab ensüüm hapnikumolekuli ja 4 prootonit ja tõmbab järgmised 2 veemolekuli ligi. Seega katalüüsib fotosüsteem II järgnevat endotermilist reaktsiooni: 2H2O→4H++4e-+O2. Reaktsiooni toimumiseks vajalik energia saadakse footoni neeldumisega. Seega vee oksüdeerimiseks, molekulaarse hapniku eraldamisega on vaja nelja elektroni eraldamist kahest vee molekulist. Kui elektronid on läinud, eralduvad ühtlasi ka neli prootonit. Esimesi tõendeid selle kohta, kuidas toimub vee oksüdatsiooni reaktsioon fotosüsteem II-s, said prantsuse bioloog Pierre Joliot 1968. ja Bessel Kok 1970. aastal. Nad kasutasid oma eksperimentides isoleeritud kloroplastide tülakoidide membraane, mis sisaldavad klorofülli ja teisi fotosünteetilise elektrontransportahela kompleksi komponente. Neid membraane hoiti väga tundlikel plaatinast elektroodidel, mis suudavad registreerida väga kiireid ja väikeseid hapniku kontsentratsiooni muutusi. Neid membraane hoiti pimedas (pimeadapteerimine), seejärel töödeldi neid ~10 mikrosekundiliste valgussähvatustega, mis vallandas üheelektronilisi ülekandeid. Eksperimendi käigus tuli ilmsiks, et iga nelja valgussähvatuse järel eraldus hapnik. See tõestas, et hapniku eraldumine on neljaastmeline redoksreaktsioon. Esimene hapnikumolekul eraldub kolmanda sähvatuse järel ja pärast seda iga neljanda sähvatuse järel. See näitab seda, et vee oksüdeerimisreaktsiooni katalüsaator on pimeadapteeritud membraanis juba ühe elektroni poolt oksüdeeritud. Vesi on nõrk elektronide doonor. See annab elektroni üle P680+le. P680+ oksüdeerib türosiini jäägi valgus D1. Ergastuse ülekande teel on kaod, mis avalduvad energia eraldumisel soojusena. Lisaks on veel ergastuse mittefotokeemiline kustutamine, mis on vajalik stressitingimustes, siis kui süsinikdioksiidi neeldumine on takistatud, kuna õhulõhed on vee kadude vältimiseks suletud ja seega ei saa ka CO2 taime siseneda. Kui süsihappegaasi ei ole piisavalt, ei saa ka ergastust üle anda. Ergastus püsib kuni 2 ns ja see on ohtlik, kuna suureneb tõenäosus hapniku aktiivvormide moodustumiseks, mis kahjustavad biomolekule. Mittefotokeemiline kustutamine aktiveerub vastavalt sellele, kuidas fotosünteesivõime kahaneb. Aktiveerivaks signaaliks on happeline pH tülakoidis. Mehhanism peab olema tasakaalustatud, et kustutamine toimuks enne, kui luumeni pH langeb nii palju, et hakkab reaktsioone inhibeerima. Selle mehhanismiga kaasnevad antennikompleksi konformatsioonilised muutused. Mittefotokeemilise kustutamise puhul satub ergastus pigmendile, selleks võib olla zeaksantiin. Selles pigmendis muutub ergastus kiiresti soojuseks, eraldudes fluorestsentsina. Fluorestsentsentsina väljendub eksitoni energia eraldumine soojusena, enne kui see energia jõuab fotosüsteem II reaktsioonitsentrisse. Zeaksantiin tekib violaksantiinist suure luumeni happesuse korral. Fluorestsents on pikema lainepikkusega kui kompleksis neeldunud valgus ja on seega väiksema energiasisaldusega. Valgusreaktsioonide käigus neeldub valguskvant pigmendis, selle energia abil viiakse klorofülli elektron kõrgemale energiatasemele. Klorofüll ongi peamine pigmentmolekul fotosünteesi aparaadis. See esineb kahe erineva vormina, klorofüll a ja klorofüll b-na, mis erinevad ainult ühe kõrvalahela poolest. Kui ergastus jõuab tsentripigmendile, siis see vabastab ergastunud elektroni, mis liigub vastavate ülekandeahelate abil ühendile, millelt see on lõpuks valmis elektroni CO2-le üle minema. Elektroni kaotanud pigment võtab kohe türosiini molekuli ja mangaaniklastri abil vee molekulilt uue elektroni. Elektroni tee läheb esmalt membraani siseküljelt väliskülje poole ja siis, sealt strooma poolt tagasi luumeni poole kaldu läbi membraani. Elektroni ülekandel veelt plastokinoonile osaleb mangaan (oksüdeerib vee molekuli), türosiin, klorofüll, P680 (reaktsioonitsenter), feofütiin, plastokinoonid QA ja QB (Hoogu annab neelduv footon oma energiaga). Need redokskomponendid on seotud kahe polüpeptiidiga (D1 ja D2), mis moodustavad FSII heterodimeerse reaktsioonitsentri tuuma. Elektron eraldub dimeerselt tsentripigmendilt P680 ja lõpuks stabiliseerub aktseptorpoolel kinooni molekulil QA ja QB. Redutseerunud plastokinoon QH2 eraldub ja difundeerub membraani sees, kuni jõuab Cytb6f kompleksini. Seal QB oksüdeerub ja annab elektroni edasi kompleksis olevatele heemidele Cytf ja Cytb. Lõplik elektroni aktseptor on NADP+, mis võtab uue footoni poolt ergastatud elektroni vastu fotosüsteem I-st. Fotosüsteem II reaktsioonitsenter sisaldab veel palju redokskomponente, mille funktsioon ei ole teada. Üheks näiteks on tsütokroom b559, mis on põhiline komponent kõigis fotosüsteem II reaktsioonitsentrites. Ilma selle heemita ei moodustu stabiilseid FSII reaktsioonitsentreid. Siiski on teada, et see ei võta osa fotosüsteem II primaarsest ensümaatilisest aktiivsusest, milleks on elektronide transport veelt plastokinoonile. Arvatakse, et selliste redokskomponentide, mis ei võta osa primaarsest ensümaatilisest aktiivsusest, olemasolu on seotud sellega, et fotosüsteem II reaktsioonitsentrid töötavad väga kõrgel energiatasemel. Fotosüsteem II on energiat muundav ensüüm, mis peab lülituma ühe energia olekult teisele. Sellega kaasneb võimsate oksüdantide loomine, mis on vajalik elektronide eraldamiseks vee molekulilt ja plastokinooni redutseerimiseks, mis on tugevalt prootonite poolt mõjutatud. Valgusega küllastudes suudab üks reaktsioonitsenter läbi lasta energiat, mille suurus ulatub 600 eV/s, mis on samaväärne 600 000 kW ühe mooli FSII kohta. Nii suurte energiahulkadega töötamine toob kaasa reaktsioonitsentrite kahjustusi. Seega võib arvata, et nii mõnedki "lisa" redokskomponendid võivad seal olla selleks, et ensüüme kaitsta. Fotofosforüleerimine Fotofosforüleerimine on ATP tootmine elektronide liikumisel NADP+le valgusenergia arvel. fotosüsteem I fluorestsents fotosüntees kloroplast Jörg Pieper, Anwendung der hochauflösenden Laserspektroskopie zur Untersuchung der Energieniveaustruktur und der Elektron – Phonon – Wechselwirkung im lichtsammelnden Komplex II grüner Pflanzen, doktoriväitekiri, 13.07.2000, Berliin John Whitmarsh, Govindjee. "THE PHOTOSYNTHETIC PROCESS". Vaadatud 12.11.2011. R. H. Garret, C. M. Grisham, Biochemistry, 1995, Saunders College Publishing, lk. 710–714 Charles F. Yocum (13.08.2010). "Oxygen evolution". Vaadatud 15.11.2011. A.R. Crofts, Christine T. Yerkes. "Mechanism of QE-quenching". Originaali arhiivikoopia seisuga 25.01.2012. Vaadatud 14.11.2011. http://gt.inkblue.net/taimefysioloogia/fotosyntees5ppt.pdf http://www.life.illinois.edu/crofts/ahab/psiistrc.html http://gt.inkblue.net/taimefysioloogia/fotosyntees3.pdf