Đang tải... (xem toàn văn)
Trong chương này chúng ta sẽ cùng thảo luận với nhau về việc hoàn thành chuỗi truyền điện tử ở tất cả các sinh vật quang hợp.
Introduction and overall organization of electron transfer pathway Trong chương thảo luận với việc hoàn thành chuỗi truyền điện tử tất sinh vật quang hợp • Trung tâm phản ứng nơi diễn q trình quang hóa quang hóa số phản ứng sớm ổn định trình bổ sung phải diễn trước lưu trữ nguồn lượng lâu dài xảy Đây công việc chuỗi truyền điện tử, • Đầu tiên tìm hiểu, khảo sát tồn vài mơ hình chuổi truyền điện tử sau làm bật hai cấp thể: vi khuẩn tía sinh vật quang hợp tạo oxy • Trung tâm phản ứng tạo làm ổn định oxi dạng bị oxy hóa bị khử, nhiên, trung tâm sắc tố phản ứng bị oxi hóa chất nhận bị khử khơng phục hồi sau chuỗi truyền điện tử khơng thể diễn nơi lần thứ hai • Nó điều kiện tuyệt đối để chuỗi trình mà hệ thống hồn trả để tình trạng ưu tiên cho quang hóa vận chuyển electron Những electron phải đưa đến phân tử cho chiết rút từ chất nhận • Có đường để hồn thành cơng việc này: -Một chu trình truyền điện tử vịng xảy nơi loại chất khử lại khử lần cuối khử trung tâm phản ứng oxi hóa khơng có oxi hóa khử chất hình 1.3 Chuỗi truyền điện tử làm việc thành công chiến lược dự trữ lượng, phần lượng proton bắt giữ suốt q trình chuỗi truyền điện tử Đây cách thức hoạt động chuỗi truyền điện tử vi khuẩn tía -Một phương thức khác có kiểu truyền điện tử khơng vịng , nơi mà chất cung cấp electron hệ thống, trở thành oxi hóa trình, chất thứ trở thành khử Hình 1.4 Trong trường hợp này, có khả xảy ra: -thứ nhất: Nơi mà hệ thống quang hợp đơn độc hồn thành cơng việc -thứ hai: Nơi mà có hai hệ thống quang hợp hoạt động kết hợp với để hồn thành q trình oxi hóa q trình khử Kiểu sau đường lớn tìm thấy thể quang tạo oxi, điều kiện chắn hai hệ thống quang hợp I II hoạt động chu trình Chuỗi truyền điện tử vi khuẩn tía Vi khuẩn tía chuẩn bị sở mẫu chuỗi truyền điện tử đôi để di chuyển proton, khảo sát đường chi tiết này, thông tin thành phần cấu trúc phân tử Một cytochrome loại c giải khử lần cặp oxi hóa đặc biệt trung tâm phản ứng điều khơng bao gồm giới hạn nghiêm ngặt cytochrome tetraheme Những cytochrome protein chứa hem vận chuyển điện tử để thay đổi oxi hóa khử suốt q trình Nhóm heme cytochrome loại c liên kết cộng hóa trị trực tiếp với protein, liên kết với hai nhóm cystine thơng qua sunfat, hình 7.1 Những loại cytochrome khác nhóm hem khơng liên kết cộng hóa trị trực tiếp Trong tất loại cytochrome, phản ứng oxi hóa khử thay đổi vùng sắt cấu trúc trung tâm phản ứng vịng prophinrin, tương tự sắc tố chlorophyll, nơi mà electron thêm vào hay bị chuyển vịng Hình 7.1: thể hấp thụ quang phổ oxi hóa khử cytochrome c cytochrome khử chứa ba nhóm hấp thụ dễ thấy, thay đổi đặc biệt đáng kể khả oxi hóa, nhóm hấp thụ bước sóng dài nhóm α mạnh Nó khoanh vùng phạm vi bước sóng 550-555nm dành cho cytochrome loại c , vài nanomet dài cytochrome loại b Nhóm β rộng yếu hơn, định vị khoảng 525nm, thứ nhóm hấp thụ mạnh nhóm γ thường gọi nhóm soret Đối với oxi hóa cytochrome, làm màu luân phiên thay đổi độ dài bước sóng ngắn Sự hấp thụ thay đổi làm cho thuận lợi việc theo trình chuỗi truyền điện tử nơi mà cytochrome bị oxi hóa khử Cấu trúc cytochrome c2 từ quang trung tâm phản ứng thể hình 7.2 nhóm heme định vị khe hở protein, với hầu hết diện tích bề mặt dịnh vị bên protein Nhưng với cạnh phơi bày Bao quanh lysine amino acid Nó mang dương độ pH sinh học, mang dương tương tác với phần mang âm bù vào kết hợp phản ứng để tạo phức hợp bền Do cytochrome c2 ràng buộc đến vị trí cụ thể bề mặt trung tâm phản ứng với nhóm hem dương bố trí tốt cho chuỗi truyền điện tử với mối liên hệ cặp đôi đặc biệt Động lực gây oxi hóa cytochrome c2 Rhodobactersphaeroides theo dõi nhiều giai đoạn diễn nhanh, với số khoảng 1μs, với khả phản ứng oxi hóa cytochrome c2 buộc chặt vào phức hệ trung tâm phản ứng Những phức hệ phản ứng chậm nơi mà cytochrome khử không bị ràng buộc để trung tâm phản ứng trước chuyển giao điện tử Động lực chậm này, bậc thứ hai, kết từ trình phản ứng phải diễn trước cytochrome khử nơi sẵn sàng để bị oxi hóa Ở trung tâm phản ứng vi khuẩn tía, bao gồm ràng buộc chặt chẽ cytochrome tetrahem, Rhodobactersphaeroides viridis, cytochrome ln ln dương cho vận chuyển electron Nhóm hem gần để oxi hóa cặp đơi đặc biệt tronng vài trăm nano giây sau kích thích Tiếp theo sau hemme vận chuyển khử môt lần hem microseconds cuối cùng, cytochrome c2 khử cytochrome tetrahem vài thể, thay protein nhận electron để cytochroem c2 tìm thấy cytochrome cy , cytochrome c8 protein sắt-sunfua tiềm cao tổng quát trình thự trung tâm phản ứng cho Eq.7.1 2cyt c2red+UQ + 2H+ + 2hv→2 cyt c2ox+ UQH2 Phần trình bày phần đậm khu gần vị trí tế bào chất màng tế bào, proton bị từ vị trí tế bào chất trung tâm phản ứng xem hướng ánh sáng bơm proton oxi hố khửth re cytochrome c2-ubiquinone phản ứng hồn thành chuỗi vận chuyển electron đượ trung gian phức hợp bc1, mô tả Completing the cycle _ the cytchorome bc1 complex (Hồn thành chu trình- phức hệ cytochrome bc1) Các cytchorome bc1 phức hệ lớn, đa đơn vị, phức hệ protein tách rời khỏi màng tế bào, mà nằm màng tế bào chất vi khuẩn màu tím Một phức hệ tương tự tìm thấy nhiều loại vi khuẩn khơng quang hợp có ty thể tế bào eukaryotetic Các b6f cytochrome phức hệ tìm thấy sinh vật quang tạo oxi thường tương tự cấu chức mô tả Phức hệ cytochrome bc1 bao gồm tối thiểu tiểu phần protein cytochrome b, cytochrom c1 và” rieske” protein sắt-lưu huỳnh đặt tên theo nhà khoa học, người miêu tả Trong số sinh vật cịn có đơn vị bổ sung tìm thấy, số trường hợp chức chúng không biết, cấu trúc phức tạp bc1 từ ty thể xác định X-quang nhiễu xạ cấu trúc phức hệ bc1 từ ty thể bò hiển thị hình 7.1 Nhiều thảo luận cấu trúc chế quang phức hệ phức hệ Một số dòng chứng cho thấy phức hệ ty thể vi khuẩn tương tự Cytochrome b protein màng tế bào tách rời thiếu, có khối lượng 4050kDa , bao gồm tám đoạn xoắn vận chuyển màng ,neo vững màng tế bào Hai chất đồng yếu tố nguyên hem (hemeb) chôn màng tế bào kéo dài phần phức hệ khơng liên kết cộng hóa trị mà phối trí nhóm imido từ bốn dư lượng histidine, (một amino axit nguồn gốc histamine) cho nhóm heme gắn kết bis-His heme gần với màng tế bào chất, heme khác gần với tế bào chất, với hai nhóm heme vng góc với mặt phẳng màng, thể hình 7.3 q trình oxi hóa khử hai nhóm heme khác đáng kể Các heme gần phíá màng tế bào chất có điểm khả thấp tại điểm -100mV biết đến cytochrome bL, với subscript L( Ký hiệu, chữ viết quanh chữ cái; số dịng) tiềm oixi hóa khử thấp.các nhóm heme gần phía tế bào chất có khả oxi hóa khử cao đáng kể +50mV, gọi cytochrome bH cytochrome b chứa hai quinone-ràng buộc vị trí trí này, quinone-oxy hóa, qo, vị trí xác định vị trí gần phía màng tế bào chất cytochrome b, vị trí khác gần phía tế bào chất màng tế bào, nơi quinone khử Nó thường gọi vị trí Qi (i bên trong) Rieske Fe-S protein định vị lớn nằm màng tết bào chất màng tế bào, với đầu N- đoạn cuối chuỗi truyền màng tế bào neo vào màng tế bào có tổng khối lượng khoảng 20kDa protein rieske có cụm bất thường 2Fe-2S, Fe-S, liên kết phối tri cho nguyên tử Fe hai Cys hai dư lượng His (điển hình Fe-S trung tâm có Cys liên kết) thể hình 7.4 Sự khác biệt nguyên nhân liên kết Rieske Hình 7.4: Cơ cấu tổ chức chất đồng yếu tố Fe-S nhiều loại Fe-S protein là, 2Fe-2S trung tâm từ nhà máy hòa tan loại ferredoxin Giữa cấu trúc Fe rieske Fe-S cofactor,dưới , 4Fe-4S vi khuẩn-ferredoxins loại ràng buộc Fe-S trung tâm photosystem1 Hình 7.5: Giản đồ cấu trúc phức tạp bc1 cytochrome từ ty thể Hình Cấu trúc phức hệ vi khuẩn quang hợp tía cho tương tự Các đường chuyển giao điện tử thực chồng lên cấu trúc Nét đứt dòng chuyển động protein Rieske Trung tâm có khả cao nhiều phản ứng oxi hóa khử trung tâm Fe-S, với tiềm trung bình khơng đáng kể 280mV, tiềm thay đổi di chuyển phức hệ Khu phức hệ Rieske trải qua chuyển động-biên độ lớn suốt chu trình xúc tác Chuyển động suy từ nghiên cứu X-quang, mà bộc lộ khác biệt lớn vị trí phức hợp Rieske điều kiện khác nhau, chẳng hạn bổ sung chất ức chế Các c1 cytochrome có hầu hết khối lượng màng tế bào chất màng tế bào, neo đầu C cuối chuỗi xoắn kéo dài vào màng tế bào cấu trúc subunit (cấu trúc siêu phân tử) C1 cytochrom nói chung tương tự loại hòa tan c-cyotchromes cytochrome c2, ngoại trừ neo giữ Khả oxi hóa khử cytochrome c1 290mV, khử protein Rieske biến giảm cytochrome c2, có khả oxi hóa khử +285mV so với NHE Hình 7.5 7.1 hiển thị cấu trúc phức hợp cytochrome bc1, với lộ trình điện tử chuyển chồng Đây cấu trúc phức hệ ty thể từ bò, gần chắn tương tự tìm thấy vi khuẩn tía, dù khơng hiển thị hình, cấu trúc phức hệ phần) ) Tuy nhiên, khơng phải rõ ràng có giao tiếp hai máy móc dây chuyền vận chuyển điện tử Cơ chế điện tử chuyển giao proton phức hệ cytochrome bc1 Cơ chế điện tử luồng proton qua phức hệ cytochrome bc1 chưa hiểu rõ, chế biết đến chu kỳ tài khoản mà bị biến đổi Q cho hầu hết quan sát Các cấu trúc thơng tin gần đây, với giàu có động lực liệu ức chế, đề nghị chế chi tiết kiểm tra xây dựng Trong chế này, hai phân tử ubiquinol bị ơxi hóa, khử Các proton kết từ q trình oxy hóa quinone chuyển giao cho màng tế bào chất màng tế bào, chất đưa lên trình khử đến tế bào chất Ngoài ra, điện tử chuyển đến cytochrome c2 cuối sử dụng để khử cặp ơxi hóa đặc biệt Trung tâm phản ứng Phản ứng tổng thể cho hai doanh thu phức hệ BC1 cytochrome cho Eq.7.2: 2UQH2 +2 cyt c2ox + UQ +2H+ →2UQ+ 4H+ 2cyt c2red + UQH2 Một lầ nữa, chất hiển thị kiểu chữ in đậm đặt gần lấy lên từ phía tế bào chất Các lượng hóa học proton bơm electron chuyển qua chuỗi 2H+ / e-(này tính tốn cách dễ dàng cách tập trung vào hai điện tử mà thoát khỏi phức hệ so với bốn proton giải phóng bên periplasmic) Các chuỗi phản ứng sau hiển thị schematically 7,5: Một phân tử liên kết với ubiquinol để quinone-ơxi hóa (Qo )nằm gần phía bên periplasmic cytochrome b 2.1 Điện tử chuyển giao cho rieske Fe-S trung tâm, để lại ubisemiquinone nơi qo Một proton giải phóng đến periplasmic 3.Các Ubisemiquinone giao dịch chuyển điện tử thứ hai để heme b1, sau chuyển giao cho BH heme Các proton thứ hai phát hành đến periplasm Việc di chuyển Reiske protein theo hướng từ cytochrome b hướng cytochrome c1 chuyển động lớn, đó, Fe-S trung tâm chuyển đổi lên 20 Ao Một phân tử liên kết với ubiquinone đến vị trí Qi khử đến semiquinion điện tử nhóm heme bH Các ubiquinone ơxi hóa khơng kết hợp đến từ vị trí Qo Các Rieske Fe-S trung tâm khử cytochrome c1, mà vào khử cytochrome c2 Protein Rieske di chuyển lại đến vị trí ban đầu Tại thời điểm phân tử quinol bị ơxi hóa, điện tử qua chuỗi vận chuyển điện tử, điện tử khác đến khử ubiquinon oxi hóa đến trạng thái semiquinion Hệ thống sẵn sàng cho doanh thứ hai Một phân tử ubiquinone liên kết với vị trí Qo ơxi hóa, với điện tử chuyển giao cho protein rieske, c1 cytochrome cytochrome c2 chi nhánh heme b1 BH từ cytochrome b nhánh tin tức khác, bước 2-7 Cá electron nhóm heme bH khử ubiquinone đến quinol Mất proton từ tế bào chất màng tế bào , khử quinol không liên kết từ phức hệ • Kết cuối thu phức cytochrome BC1 hai electron chuyển cho cytochrome c2, hai ubiquinols bị ơxi hóa mẫu Quinones, ubiquinone oxidizd giảm xuống hình thức quinol hydroquinone Ngoài ra, bốn proton chuyển từ tế bào chất để phía periplasmic màng tế bào Bằng cách này, điện tử lưu lượng kết nối phía chất nhận trung tâm phản ứng với phía nhà tài trợ cho tăng tới động lực proton qua màng tế bào, khác biệt tập trung H hai mặt màng tế bào Đây lực lượng động proton lượng sử dụng để tổng hợp ATP, thỏa luận chi tiết chương Tổ chức màng vi khuẩn tía (Membrane organization in purple bacteria) Các ăng-ten LH1 phức tạp bao quanh trung tâm phản ứng bị gián đoạn protein nhỏ gọi PufX Protein PufX vi khuẩn màu tía đóng vai trị thiết yếu việc trao đổi quinone trung tâm phản ứng phức tạp cytochrome bc 1, nhờ mà phân tử quinone nhập vào rời khỏi trung tâm phản ứng Quinones sau tương tác với phức cytochrome BC1, hoàn thành chu kỳ chuyển giao điện tử Con đường vận chuyển điện tử khác vi khuẩn tía (the electron transport pathways in purple bacteria.) Con đường vận chuyển điện tử vòng phụ thuộc ánh sáng mô tả chi tiết đoạn trước nguồn chủ yếu lượng tế bào tế bào phát triển điều kiện quang hợp Dưới điều kiện vắng mặt oxi oxi diện ánh sáng, có sản phẩm dịng vận chuyển điện tử theo ánh sáng có khả điện hóa học Ở khơng có oxi hóa khử hợp chất chất Khả thay đổi ATP Nó phục vụ cho quyền lực số lượng lớn q trình tế bào Tuy nhiên, ATP khơng phải nguồn lượng tế bào Để xảy ra, cần thiết có điểm làm nguồn điểm thấp cho điện tử Một ví dụ quan trọng việc khử CO2 để tạo đường chu trình Calvin Ở đủ để chất cho loạt phản ứng CO2, ATP NADH ( NADPH thể sinh vật quang tạo oxi) CO2 lấy lên từ môi trường ATP tổng hợp kết ánh sáng điều khiển chu trình dịng vận chuyển điện tử Chất khử NADH nguồn gì? Nó cần thiết để cung cấp nguồn liên tục đại lý chất khử mạnh, tiêu thụ thời gian đồng hóa CO2 Những sinh vật linh hoạt phương thức trao đổi chất, tận dụng nguồn dẫn succinate chí H2, hình 7.6 Q trình oxi hóa chúng cung cấp điện tử vào nơi chứa ubiquinone, khử đến quinol Tuy nhiên quinone khử khơng chất khử đủ mạnh để khử NAD+ Để thực điều này, vận chuyển lượng phụ thuộc diễn ra, nơi mà quinone khử chất cho điện tử NAD+ chất nhận, với nguồn lượng cung cấp màng hóa sinh học tiềm Tất nhiên tiềm xây dựng hệ thống vận chuyển điện tử vòng phụ thuộc ánh sáng Sự khử NAD+ nối với dòng chảy điện tử quang hợp, liên kết khơng trực tiếp, thơng qua tiềm hóa sinh học Chìa khóa thử nghiệm bộc lộ tiềm hóa sinh học , khối ánh sáng khử phụ thuộc NAD+ Các đường vận chyển điện tử vi khuẩn không sản xuất oxi (Electron transport in other anoxygenic bacteria ) Vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục có q trình vận chuyển electron tương tự vi khuẩn tía, có số khác biệt Quinone menaquinone thay cho ubiquinone làm cho điện oxi hóa khử thấp Ngồi ra, sinh vật thiếu cytochromes hòa tan tương tự cytochrome c2 Một protein nhỏ màu xanh đồng gọi auracyanin, tương tự plastocyanin sinh vật quang oxygenic, xảy khử sắc tố tetraheme P870 theo phương thức c2 Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục có phức hệ quang hợp đơn giống phức hệ 1, khử cách trực tiếp ferrdoxin sau NAD+ mà khơng cần lượng phụ thuộc vào việc đảo ngược dòng electron Những chất cho điện tử H2S hay thiosulfat, CO2 chất nhận điện tử Cơ chế trình cố định CO2 vi khuẩn màu lục có lưu huỳnh khác so với chu trình Calvin Điều đề cập rõ chương Heliobacteria có trung tâm phản ứng có cấu trúc tương tự vi khuẩn lưu huỳnh màu lục Chúng vận chuyển electron việc sử dụng sắc tố quang hợp màng bao quanh (membrane- bound) Điều không gây trở ngại chúng khử NAD(P)+ chu trình vận chuyển electron khơng vịng Khơng gian phân phối thành phần vận tải điện tử thylakoids sinh vật oxygenic quang (Spatial distribution of electron transport components in thylakoids of oxygenic photosynthetic organisms) Màng Thylakoid chứa protein màng tế bào tách rời có vai trò quan trọng tiếp nhận ánh sáng, phản ứng phụ thuộc quang hợp Có bốn khu phức hợp protein lớn màng tế thylakoid: Phức hệ I II Cytochrome b6f ATP synthase Phức hệ II có vị trí chủ yếu thylakoids Grana, phức hệ I ATP synthase chủ yếu nằm thylakoids stroma lớp bên Grana Phức hệ b6f cytochrome phân phối màng tế thylakoid Việc phân bố không gian thành phần màng chấp nhận đường liên kết vận chuyển electron proton thylakoid Thơng thường dịng electron khơng vịng, H2O bị oxi hóa phức hệ sinh electron để khử plastoquinone Bởi phân bố phức hệ b6f, , q trình oxy hóa plastoquinone phức hệ việc khử plastocyanin đưa đến grana hay stroma Việc oxi hóa plastocyanin khử ferredoxin phức hệ xảy stroma Nếu việc oxi hóa plastoquinone grana, sau khử plastocyanin nên khếch tán vào lumen thylakoid đến stroma Nếu oxi hóa plastoquinone b6f cố định stroma, sau plastoquinone khếch tán vào grana để đến stroma lamella Noncyclic electron flow in oxygenic or ganisms Chế độ vận chuyển điện tử sinh vật oxygenic quang noncyclic điện tử, ơxi hóa chuyển nước thành oxy phân tử NADP + giảm đến NADPH, tuẩn tự nhờ phức hệ Một phiên đại Đề án Z cho dòng điện tử sinh vật oxygenic quang hiển thị FIG 7,9 Phản ứng tổng thể cho bốn trình điện tử cho Eq.7.3 2H2O + 2NADP+ + 2H+ → O2 + 2NADPH + 4H+ Các kiểu chữ đậm hai vị trí gần hay đưa lên từ phía stromal, chữ cịn lại gần bên lumenal The structure and function of the cytochrome b6f complex( Cơ cấu chức phức tạp b6f cytochrome) Phức hệ b6f nhân tố quan trọng dịng điện tử khơng tuần hồn Cấu trúc b6f gồm thành phần chính: cytochrome f protein Rieske Cytochrome f c-type cytochrome có vai trị tương tự chức cytochrom c1 phức hệ bc1 Tuy nhiên, hai cytochromes có tính cấu trúc khác Cấu trúc cytochrome f hiển thị Hình 7.10 Nó protein thuôn dài, với phần lớn gấp khúc β (β-sheet) cấu trúc thứ cấp β -sheet cấu bất thường so với loại cytochromes-c, mà chủ yếu α- xoắn Cytochrome f có màng đơn, đoạn xoắn ốc gần C cuối protein, neo hình cầu nằm lumenel màng thylakoid Ở vài loài, đoạn dễ dàng bị tách từ đoạn hình cầu mà có chứa nhóm covalently thuộc nhóm heme Cytochrome f bất thường N cuối phối tử sắt heme, cung cấp điện tử cho plastocyanin (hoặc, số sinh vật, giúp cho hòa tan cytochrome c6) Cuối cùng, cytochrome f chứa chuỗi nội năm phân tử nước bảo tồn khu phức hợp sinh vật từ vi khuẩn lam đến thực vật bậc cao Các Rieske Fe-S protein cytochrome b6f gồm có vùng: N cuối vùng xoắn ốc neo protein vào màng vùng hòa tan nằm lumenal màng tế thylakoid chứa chất khử Fe-S Miền hòa tan phần lớn gấp nếp β có cấu trúc thứ cấp chia thành hai miền phụ Một miền phụ có chứa chất khử Fe-S có cấu trúc gần giống phần tương ứng protein Rieske từ bc1, miền phụ khác khác Đây điều phản ánh phản ứng khác (cytochrom c1 với cytochrome f) protein Rieske hai loại phức hợp Một khác biệt quan trọng b6f cytochrome bc1 phần cytochrome b phức hệ Trong bc1, cytochrome b protein màng tế bào tách rời với tám helices transmembrane Tuy nhiên, cytochrome b6 nhỏ nhiều, với helices transmembrane Ngồi subunits mơ tả trên, b6f chứa số loại protein khác, subunits không tìm thấy bc1, subunits gắn chất diệp lục Phép tính hợp thức cố định proton-bơm b6f có lẽ giống đề cập cho bc1, hai H + e-chuyển giao cho P700 1.Plastocyanin Cấu trúc plastocyanin loại dương (Populus nigra) Plastocyanin loại protein quan trọng, có vị trí thuộc lumen thylakoid Cấu trúc: gồm cấu trúc màng β-sheet thứ cấp với nguyên tử Cu Xung quanh acid amin: histidine (loại 86 37), cystein methionine Nếu plastoquinone hòa tan lipid chuyển động bên màng thylakoid plastocyanin di chuyển theo kiểu khuếch tán ngăn lumen Tham gia vận chuyển electron phức hệ cytochrome b6f (từ hệ thống quang II) P700+ (từ hệ thống quang I) Để thực việc vận chuyển, plastocyanin liên kết với cytochrome b6f , nhận điện tử, đem điện tử đến hệ thống quang Có đường để electron vào khỏi plastocyanin Một đường thông qua miếng đắp hydrophobic (như ankal, tinh dầu, chất béo hay loại dầu mỡ khác…) nằm gần trung tâm Cu Con đường thứ hai thông qua miếng đắp acid (tích điện âm) bên Ở vài vi khuẩn lam tảo lục cytochrome c6- loại cytochrome loại c thêm vào để thay cho chức plastocyanin Ferredoxin ferredoxin-NADP reductase 10 Cấu trúc Ferredoxin Ferredoxin protein hịa tan có chứa lớp Fe-S dày, tìm thấy tất sinh vật Nó tạo điều kiện để chuyển đổi NADP+ thành NADPH Ở dạng quang hợp tạo oxy, cấu trúc ferredoxin gồm Fe nhóm acid sulfide khơng bền Trong phản ứng quang hóa khơng vịng, Ferredoxin đóng vai trị làm chất nhận điện tử cuối chuyển điện tử vào Ferredoxin-NADP reductase Ferredoxin di chuyển để mang electron đến thylakoid, đến FerredoxinNADP reductase (FNR) loại enzyme làm điện tử NADP+ Màng thylakoid có vị trí kết nối cho chức Ferredoxin Chức Ferredoxin mang electron từ phức Fe-S đến FNR Ferredoxin nhận electron độc thân dùng chung nguyên tử Fe Nó có khả khử điện âm vơ mạnh mẽ, bị khử trung tâm Fe-S liên kết với protein PsaC, siêu phân tử thuộc trung tâm phản ứng hệ quang hợp I Các khối Ferredoxin thông qua tương tác tĩnh điện đến protein PsaC phần chất phức hệ quang hợp 1, xúc tác flavodoxin, protein chứa flavin khơng có Fe Bước cuối chuỗi vận chuyển electron khơng vịng nhờ ánh sáng, khử NADP+, xúc tác enzyme FNR FNR nhận lần electron từ Ferredoxin, tiến hành khử electron NADP+ thành NADPH Sự khử NADP+ bao gồm việc thêm vào electron proton, mơ tả vận chuyển H- Phản ứng tổng quát xúc tác FNR theo sơ đồ 11 Cấu trúc FNR xử lý X-quang tinh thể Nó bao gồm hai vùng, vùng gắn FAD vùng gắn NADP+ Các khối Ferredoxin nằm khe hai vùng, với nhân tố Fe-S có vị trí sát với FAD Các vai trò khác Ferredoxin vận chuyển electron có vịng xung quanh hệ quang hợp Ngồi chức khử NADP+ thơng qua protein FNR, Ferredoxin cịn đóng vai trị chất khử cho nhiều trình quang hợp khác, bao hàm khử nitrate tới ammonia, tổng hợp glutamin amino acid, khử nguyên tắc thông qua thioredoxin enzyme ATP synthase vài enzyme thuộc chu trình Calvin Ferredoxin khử dễ dàng bị oxy hóa phân tử oxy thành dạng superoxide, O2-, cuối thành H2O2, trình gọi phản ứng Mehler Ferredoxin-xúc tác dòng electron vòng xung quanh photosystem lần quan sát Arnon đồng nghiệp vào năm 1954 Nó dễ dàng bị kích thích điện tử từ hệ quang hợp bị loại bỏ Tuy nhiên, việc thiết lập hay không khó khăn phải giữ cho sinh vật quang hợp nguyên vẹn Các thử nghiệm ban đầu Arnon bao gồm việc đo lượng hình thành ATP, q trình q trình photophosphorylation vịng Có đường sử dụng ánh sáng để tạo ATP đường khơng vịng (noncyclic pathway) đường có vịng (cyclic pathway) Trong vận chuyển electron có vịng, electron mang lượng ánh sáng hệ thống quang qua phần chuỗi dẫn truyền điện tử, FeS, đến Ferredoxin sau đến b6 protein tải động chuyển điện tử trở vào chuỗi dẫn truyền điện tử PQ Ðiện tử theo vịng khơng có nguồn điện tử từ bên tham gia vào Tương tự đường vận chuyển khơng vịng, vận chuyển điện tử qua PQ chuỗi dẫn truyền điện tử dùng để bơm ion H+ xuyên qua màng sinh chênh lệch điện Sau đó, lượng từ chênh lệch điện dùng để tổng hợp ATP từ ADP ion H+ qua phức hợp ATP synthetase Cả q trình từ vịng điện tử ion H+ bơm để sau tổng hợp ATP gọi quang phosphoryl hóa vịng (cyclic photophosphorylation) *Sự thiệt hại quang hợp tái cấu trúc phức hệ Quang hợp hấp thụ lượng lớn lượng ánh sáng chuyển thành lượng hóa học.Các quy trình hệ thống hiệu điều kiện bình thường Tuy nhiên, theo số điều kiện, hệ thống xử lý tất lượng đến , thách thức đặc biệt hệ thống quang hợp Nếu không sử dụng hợp lý lượng dư thừa dẫn đến sản xuất loài độc hại thiệt hại cho hệ thống Do , sinh vật quang hợp có quy định tái cấu trúc chế Một số chế điều chỉnh lưu lượng lượng hệ thống ăng ten, để tránh bị kích thích mức trung tâm phản ứng đảm bảo hai phức hệ bình đẳng hướng (thảo luận chương 5) Mặc dù quy trình có hiệu quả, khơng phải hồn hảo, đơi sản xuất loại độc hại 12 Vì bổ sung chế loại oxi hoạt động để tiêu tan hợp chất gây hại Ngay có chế bảo vệ làm thiệt hại cho máy quang hợp diễn ra, bổ sung chế để sửa chữa hệ thống Đề án tổ chức quy định sửa chữa hệ thống hiển thị Hình 7,14 Hiện tượng thiệt hại quang hợp phức hệ trình gây hại sinh vật quang hợp ấn tượng Khi phức hệ kích hoạt, có nhiều khả bị hư hại Bản chất phân tử thiệt hại chưa rõ ràng, vẻ hạn chế phần lớn protein D1( phần lõi trung tâm phản ứng phức tạp phức hệ 2) Nếu thiệt hại quang hợp không sửa chữa, hệ thống nhanh chóng tất hoạt động Thay vào đó, chu kì thiệt hại – sửa chữa đáng kể diện , trung tâm phản ứng phức tạp phức hệ tháo rời protein D1 tổng hợp, phức hệ tập hợp lại quay trở lại phục vụ Có dẫn phần lớn thiệt hại quang hợp bắt nguồn từ over-reduction phức hệ chất nhận quinon, nghịch lý quỷ đạo lớn phía bên ơxi hóa phức hệ Cả hai câu đúng, chúng có tác dụng tình định Nếu tỷ lệ thiệt hại quang hợp tương đối thấp, chu trình sửa chữa theo kịp với nó, hệ thống hoạt động gần hiệu tối đa Nếu tỷ lệ thiệt hại quang hợp cao tỷ lệ sửa chữa, sau trung tâm phản ứng phức hệ hư hỏng tích lũy, hệ thống trưng bày điều kiện ức chế quang hợp , phức hệ phức tạp mà có nguồn gốc từ phân tử khác theo điều kiện khác Trong điều kiện tối ưu, phức hệ dễ bị ảnh hưởng phức hệ thiệt hại quang hợp Các mối đe dọa lớn phức hệ đến từ lồi ơxy hoạt động tạo từ tự oxi hố chất nhận ferredoxin Ơxy hoạt động hệ thống làm sạch( mô tả thiệt hại quang hợp) để ngăn chặn có hiệu phức hệ , ngoại trừ điều kiện căng thẳng, nơi dễ bị tổn thương nhiều Phức hệ đặc biệt nhạy cảm với thiệt hại từ lạnh *Chu trình truyền điện tử phức hệ : Chu trình truyền điện tử vịng quanh phức hệ nghiên cứu nhiều thập niên, trình tương tự liên quan đến phức hệ bị lảng tránh Khác với phức hệ , chu trình truyền điện tử dịng chảy bình thường, nhỏ, (xem trên), chức chu trình truyền điện tử phức hệ van an toàn để ngăn cản thiệt hại quang hợp trung tâm phản ứng tinh xảo phức hệ Chất cho bị oxi hoá phức hệ , P680+ loài bị ơxi hóa mạnh mẽ, với điện khoảng +1,1 V so với NHE (Chương ), lồi oxy hóa mạnh biết đến hệ thống sinh học Nếu q trình dịng truyền điện tử bình thường từ ôxy-phát triển (oxygen-evolving) phức tạp qua Tyr để khử P680 bị gián đoạn, sau q trình oxy hóa khơng đặc thù khử hoạt tính hệ thống nhanh chóng Chu trình nhiều tầng lớp bảo vệ sửa chữa phức hệ Ngoài bao gồm chu kỳ xanthophyll chu trình sửa chữa Protein D1 ( xem ) Sự diện chu kỳ xung quanh phức hệ ngăn cản tích lũy P680 tránh thiệt hại Các chu trình bao gồm số thành phần, phần chu kì phần trung tâm phản ứng phức hệ 13 Chuỗi kiện chuyển giao điện tử sau : P680+ bị khử đồng thời với trình oxy hóa phân tử b-caroten Các gốc cation carotenoid không bị khử chất diệp lục phụ biết đến Chlz cytochrome b559, đường chưa định Cuối cùng, Chlz bị giảm cytochrome b559 Các cytochrome nhận điện tử từ chất nhận quinon QB phụ để hoàn tất chu kỳ Các hoạt động chu kỳ phức hệ quan sát dễ dàng nhiệt độ thấp, nơi có dịng điện tử từ ơxy-phát triển phức tạp đông lạnh Như , quang oxi hoá ba thành viên đường vịng thể theo điều kiện thích hợp Chu trình có lẽ khơng hoạt động nhiều điều kiện bình thường, quan trọng để ngăn chặn thiệt hại quang hợp điều kiện căng thẳng trình tổ chức phức hệ *Việc sử dụng chất diệp lục huỳnh quang thăm dò phức hệ : Các hệ thống đo huỳnh quang vơ thăm dị hoạt động bên hệ thống quang hợp Có lẽ chúng hệ thống sử dụng rộng rãi nghiên cứu kỹ thuật quang phổ quang hợp Kỹ thuật linh hoạt, có tác động lớn phân tích q trình liên kết với phức hệ Phức hệ biểu tượng gọi huỳnh quang biến thiên , có cường độ huỳnh quang thuộc tính trung tâm phản ứng phức tạp liên kết chuỗi vận chuyển điện tử cách chi tiết đáng kể Có số nhận xét chi tiết khía cạnh khác việc sử dụng huỳnh quang để hiểu phức hệ Kautsky Hirsch (1931) lần chất huỳnh quang biến thiên chất diệp lục sở quan sát mắt trước Emerson 1932 Arnold thí nghiệm (chương 3), trước khái niệm chuyển giao lượng quang hợp đơn vị quang hợp hình thành Govindjee (1995) cung cấp lịch sử thú vị công việc đầu chất diệp lục huỳnh quang Các phân tích định lượng thực sự phụ thuộc huỳnh quang chất diệp lục đưa Duysent Sweers (1963), người liên quan đến việc tăng huỳnh quang phức hệ chiếu sáng cho trạng thái oxi hoá khử chất nhận điện tử sớm Chất nhận biết đến Q (cho quencher dập ) May mắn thay, loại hóa chất mà sau xác định với Q quinon (chất nhận Qa phức hệ ), tên Q giữ lại Sau phân tích Warren Butler đồng nghiệp (Butler, 1978) cung cấp cho nhiều sở hiểu biết tượng Trình tự thời gian chất diệp lục huỳnh quang Nếu mẫu mô quang hợp một tảo lần thích nghi với bóng tối sau chiếu sáng chùm đo yếu, thân yếu để gây quang hóa học số lượng đáng kể trung tâm phản ứng, cường độ huỳnh quang quan sát thấy thấp Mức độ huỳnh quang tình gọi Fo Các huỳnh quang thấp hầu hết lượng kẹt quang hóa học, để lại phát huỳnh quang Nếu ánh sáng quang hố mạnh bật lên sau đó, mức độ huỳnh quang gây tia đo yếu qua trình tự thời gian đặc trưng, thể hình.7.16 Các huỳnh quang tăng lên, với hai điểm uốn, điểm cực đại (Fm) Ở lần sau, huỳnh quang thay đổi phức tạp Theo số điều kiện, thay đổi bao gồm đao động kéo nhiều giây Cuối cùng, đạt mức độ trạng thái ổn định 14 Trình tự thời gian cường độ đặc tính huỳnh quang thường gọi huỳnh quang cảm ứng, đơi hiệu lực Kautsky Việc giải thích thay đổi mô tả : Các bước phản ánh chậm số quy trình riêng biệt, bao gồm quy định chuyển giao lượng trao đổi cacbon.Sự giải thích thường khó khăn, nhiều ngun nhân cho tăng hiệu ứng tương tự Sự gia tăng ban đầu huỳnh quang tương quan với trạng thái oxi hoá khử chất nhận điện QA Nếu chất ức chế DCMU thêm vào mẫu, huỳnh quang tăng nhanh chóng đển Fm sau khơng thay đổi thêm DCMU khối dòng chảy điện tử từ QA đến QB QB chuyển vị từ vị trí ràng buộc Sự gia tăng chậm mà khơng có chất ức chế thực tế vùng chứa quinon màng tế bào bắt đầu giảm, QA bị oxi hố lại nhanh chóng, suất huỳnh quang thấp Khi vùng chứa quinone trở nên giảm , ngày nhiều QA trở nên giảm, sản lượng tăng dần huỳnh quang đến Fm’, mối quan hệ cường độ huỳnh quang số lượng QA- không nghiêm chỉnh tuyến tính Lý xem xét chương với thảo luận phương trình Vredenberg-Duysens Diện tích đường cong cảm ứng huỳnh quang tỉ lệ thuận với số lượng electron mà cần để làm giảm vùng chứa quinon Loại phân tích huỳnh quang cảm ứng sử dụng rộng rãi để kiểm tra việc xử lý đột biến mà ảnh hưởng đến tỷ lệ lưu lượng điện tử tuyến tính trạng thái rút gọn QA Việc sử dụng huỳnh quang để xác định suất lượng tử phức hệ Phân tích huỳnh quang thylakoid sử dụng để có ước tính số lượng sản lượng lượng tử quang hóa học phức hệ Nó trao theo hình thức đặc trưng cho phức hệ công thức 7.5, nơi Φi sản lượng lượng tử trình ith, số tỷ lệ cho q trình khác ,có thể khử hoạt tính trạng thái bị kích thích, tổng kết kp cho quang hóa học, kf cho huỳnh quang, ko cho tất trình khác ki ΦI = kp + kf + ko (7.5) Năng suất lượng tử trình quang hóa học, với biểu tượng, Φp , cho công thức 7.6: kp Φp = kp + kf + ko (7.6) Năng suất lượng tử huỳnh quang tất bẫy mở trạng thái Fo đưa công thức 7.7: kf Fo = kp + kf + ko (7.7) Khi bẫy đóng cửa, trạng thái Fm, tỷ lệ xuất không đổi cho quang hóa học số không, công thức 7.8 kết quả: 15 kf Fm = kf + ko (7.8) Nếu khác biệt Fm Fo giữ sau bị chia Fm , cơng thức (7.9) tìm thấy, mà đơn giản hố đại số đơn giản đến công thức 7.10 kf kf − Fm − Fo Fv kf + ko kp + kf + ko = = kf Fm Fm kf + ko (7.9) Fv kp = ΦP = Fm kp + kf + ko (7.10) Trong công thức 7.9, Fv gọi huỳnh quang biến thiên tính Fm – Fo Các biểu tượng thường sử dụng cho cường độ huỳnh quang trạng thái Các cường độ số lượng đo thử nghiệm thực tế Cường độ huỳnh quang tỷ lệ thuận với suất lượng tử, bao gồm thuật ngữ cho cường độ ánh sáng hấp thụ nhân tố phương tiện Tuy nhiên, tỷ lệ cường độ sử dụng phân tích động lực, điều kiện hủy bỏ ngồi Sử dụng giá trị tiêu biểu Fm Fo đo hệ thống hoạt động , giá trị Φp ~ 0,85 tìm thấy cơng thức (7.10) khơng có hiệu hồn tồn ,đặc biệt theo số điều kiện Một giả định ngầm thực tất huỳnh quang đến từ phức hệ ,không thay đổi tỷ lệ số khác bẫy từ mở đến đóng cửa, tất huỳnh quang quan sát thấy trạng thái Fo Fm đến từ hệ thống đồng tất trạng thái kích thích chất diệp lục tương đương Giả thuyết cuối rõ ràng không hợp lệ, phức tạp tất cấu trúc chức máy quang hợp cho thấy, thử nghiệm nhiều xác thực Huỳnh quang biến thiên tương đối dễ dàng đo lường thử nghiệm số hữu dụng sản lượng lượng tử tối đa quang hóa học phức hệ Tuy nhiên, không nên nắm cách nghiêm ngặt để đo lượng tử xấp xỉ Một cơng thức khác phương trình liên quan huỳnh quang suất lượng tử phức hệ sử dụng rộng, liên quan đến số lượng mà chí cịn dễ dàng đo lường FV Fm Mối quan hệ đưa công thức 7.11, nơi Fm’ huỳnh quang tối đa sau đèn ánh sáng loé bão hoà , Ft cường độ huỳnh quang thời gian t trước áp dụng ánh sáng loé Các thử nghiệm tiến hành với có mặt ánh sáng quang hố , đó, Ft đại diện cho suất huỳnh quang điều kiện trạng thái ổn định Fm'− Ft φ2 = Fm' (7.11) Lợi công thức 7.11 Fo không cần phải xác định, đó, phép đo thực điều kiện ánh sáng mặt trời đầy đủ mà khơng cần thiết phải hồn tồn thích nghi bóng tối 16 Phương pháp trở thành tiêu chuẩn đo lường hiệu quang hợp , đặc biệt nghiên cứu sinh lý môi sinh , nơi mà đơn giản đo lường cho phép phân tích theo phạm vi rộng đáng kể điều kiện điều trị Những nghiên cứu thực phát triển công cụ sử dụng kĩ thuật biến điệu biên độ xung (PAM), loạt xung yếu cho vào mẫu, huỳnh quang bị biến điệu phục hồi khuếch đại xung chọn lọc Kỹ thuật loại bỏ đóng góp trực tiếp từ ánh sáng quang hố khơng bị biến điệu , ghi nhận sản lượng huỳnh quang bị kích thích chùm tia biến điệu mức đo Nó tương đối khơng nhạy với nhiễu loạn gây ánh sáng loé bão hoà , nên cung cấp phương pháp đơn giản mạnh mẽ để đo tham số huỳnh quang hiệu suất quang hợp *Huỳnh quang phát ( dập tắt ) phi quang hoá : Quá trình dập tắt phi quang hố (NPQ) chế điều chỉnh phức hệ , lần phát việc sử dụng phương pháp huỳnh quang Các biểu rõ ràng tượng cảm ứng dập tắt phi quang hoá thay đổi giá trị Fm thời gian chiếu sáng, hình 7.17 Các Fm tìm thấy mẫu thích nghi với bóng tối thường cao Fm đo chiếu sáng cực mạnh Điều không phản ánh khác biệt lượng QA- hình thành, hai trường hợp chùm ánh sáng loé bão hoà sử dụng để làm giảm tất QA hồn tồn mẫu Thay vào đó, cho biết số quy trình khác cạnh tranh cho trạng thái bị kích thích , đó,số lượng phân rã qua huỳnh quang giảm Một mối quan hệ định lượng cho số lượng kết dập tắt cho công thức 7.12, nơi Fm giá trị Fm thành lập sau thích nghi với bóng tối , Fm’ giá trị Fm thành lập sau chiếu sáng gây tình trạng dập tắt Fm − Fm' Fm' NPQ = (7.12) Mối quan hệ xếp lại phương trình mà tương tự phức hệ Stern-Volmer (Eq.A45), nơi [Q] nồng độ hiệu dập , KSV số Stern-Volmer , phản ánh hiệu dập Fm = 1+ K Fm' SV [Q] (7.13) Có nhiều nguồn dập đóng góp vào kết quan sát dập tắt phi quang hoá Này hoạt động gây tranh cãi phạm vi nghiên cứu *Cơ sở vật chất huỳnh quang biến thiên : Tại phức hệ trình bày thay đổi lớn sản lượng huỳnh quang, phức hệ khơng? Câu trả lời cho câu hỏi khó khăn để thiết lập, số khía cạnh lý cho khác biệt hai phức hệ không rõ ràng Hiệu lớn mà cho phép tăng tới gia tăng huỳnh quang phức hệ với tích lũy QA- làm chậm tốc độ trình chuyển giao điện tử từ P680* để tạo thành trạng thái cặp gốc P680+Pheo- Điều phần lớn hiệu lực đẩy tĩnh điện tích điện QA- Sự tích điện âm tăng lượng trạng thái P680+Pheo-QA- so với P680+Pheo-QA Sự đẩy 17 tĩnh điện ức chế tích điện trình phân chia thúc đẩy dịch chuyển sau kích thích hệ thống ăng ten lớn, nơi diễn huỳnh quang Một số tăng tượng tái hợp phát quang , trạng thái tích điện-riêng biệt P680+Pheo- tái hợp để tạo thành P680 *, theo sau trở lại kích thích chuyển giao cho hệ thống ăng ten Theo hầu hết trường hợp, P680+ khơng thấy, lồi oxy hóa mạnh mà tìm thấy số lồi để giảm Do đó, khơng tham gia vào tượng bình thường cảm ứng huỳnh quang phức hệ Phức hệ có số khác biệt quang trọng so với phức hệ , tất đóng góp vào thực tế khơng trưng bày huỳnh quang biến thiên Trước tiên, trình dịch chuyển điện tử phần lớn đảo ngược, gradient oxi hoá khử dốc bên chất nhận phức hệ Điều nhanh chóng loại bỏ điện tử chuyển xa từ P700, so với tình hình phức hệ Hiệu ứng làm giảm đáng kể xác suất kết hợp phát quang tính tái kết hợp Ngồi ra, khoảng cách lớn chất nhận điện tử làm giảm hiệu lực tĩnh điện chất nhận bị khử q trình dịch chuyển điện tử Cuối cùng, số lượng đáng kể P700+ diện điều kiện ổn định trạng thái-dịng chảy điện tử thơng qua phức hệ 1.Trạng thái dập tắt ăng ten P700+ có hiệu P700, chế khác P700+ có lẽ dập tắt ăng-ten cách hình thành trạng thái bị kích thích P700+` phức tạp (P700 **), mà sau nhanh chóng phân rã đường không phát xạ , điều không chắn thành lập Tất hiệu ứng kết hợp để đưa kết dập tắt trạng thái bị kích thích sắc tố ăng ten phức hệ diễn tỷ lệ không phụ thuộc vào trạng thái oxi hoá khử chất nhận phức tạp khác chất cho diệp lục Vì vậy, huỳnh quang biến thiên không quan sát thấy phức hệ 18 ... cytochrome BC1, hoàn thành chu kỳ chuyển giao điện tử Con đường vận chuyển điện tử khác vi khuẩn tía (the electron transport pathways in purple bacteria.) Con đường vận chuyển điện tử vòng phụ thuộc... lưu huỳnh màu lục Chúng vận chuyển electron việc sử dụng sắc tố quang hợp màng bao quanh (membrane- bound) Điều không gây trở ngại chúng khử NAD(P)+ chu trình vận chuyển electron khơng vịng Khơng... chuỗi vận chuyển electron khơng vịng nhờ ánh sáng, khử NADP+, xúc tác enzyme FNR FNR nhận lần electron từ Ferredoxin, tiến hành khử electron NADP+ thành NADPH Sự khử NADP+ bao gồm việc thêm vào electron