Fotosysteem II 2

Fotosysteem is de vorm van pigmenten op het thylakoïd-membraan1. Het verzamelt energie over de golflengten en concentreert deze tot één molecuul, dat de energie gebruikt om één van zijn elektronen door te geven aan een reeks enzymen1. Fotosysteem II ontstaat met twee reeksen enzymen, gevolgd door Fotosysteem I, om energie voor een plant te produceren1. In Fotosysteem II, ook wel water-plastochinon-oxidoreductase genoemd, helpen de gegenereerde waterstofionen een protonengradiënt te creëren die door ATP synthase wordt gebruikt om ATP te genereren, en de overgedragen energetische elektronen worden gebruikt om 2NADP+ te reduceren tot 2NADPH.

Photosysteem II is het eerste membraaneiwitcomplex in oxygenische fotosynthetische organismen in de natuur. Het produceert zuurstof uit de atmosfeer om de foto-oxidatie van water te katalyseren door gebruik te maken van lichtenergie. Het oxideert twee moleculen water tot één molecuul moleculaire zuurstof. De vier elektronen die uit de watermoleculen worden verwijderd, worden door een elektronentransportketen die waterstofionen en moleculaire zuurstof vormt, overgedragen aan plastochinon2. Door deze elektronen uit water te halen, levert fotosysteem II de elektronen waarmee de gehele fotosynthese kan plaatsvinden4.

Fotosysteem II bestaat uit 20 subeenheden, zoals D1, D2, CP43, CP47, en PsbO3. Subunit D1 (beta-caroteen, kinine en mangaan centrum) reageert in het centrum van het eiwit en bindt chlorofyl P680 en pheofytine, en Subunit D2 reageert in het centrum Eiwit. D1 en D2 vormen de kern van dit membraaneiwit3. D1 (rood gekleurd) is homoloog met de L-subeenheid van het bacteriële fotosysteem, terwijl D2 (blauw gekleurd) homoloog is met de M-subeenheid van het bacteriële fotosysteem3. Chlorofyl wordt begrensd door D1 en D2 en is groen gekleurd in de onderstaande figuur A3. CP43 bindt met het mangaancentrum en CP47 verschijnt in Fotosysteem I3. Tenslotte komt PsbO (paars gekleurd) voor in het mangaancentrum om het eiwit te stabiliseren.

Deze subeenheden bevatten 99 cofactoren en co-enzymen; “35 chlorofyl a, 12 beta – caroteen, twee feofytine, drie plastochinon, twee heem, bicarbonaat, 25 lipide en zeven n-dodecyl – beta – D – maltoside detergent moleculen, de zes componenten van de Mn4Ca cluster, en één Fe2+ en twee vermeende Ca2+ ionen per monomeer “1. Chlorofyl absorbeert licht4, Beta – caroteen absorbeert fotoexcitatie-energie4, en heem bevat ijzer4. Pheofytine krijgt een elektron van P680, dat wordt gevormd uit 2 chlorofylen die licht absorberen bij de golflengte van 680nm4. Het is een primaire elektronenacceptor en bevat chlorofyl waarvan het magnesium is vervangen door twee protonen5. Vervolgens wordt het elektron overgedragen aan plastochinon (PQ) op de QA-locatie en vervolgens op de QB-locatie4. Plastoquinone kan een of twee elektronen accepteren of afstaan van Fotosysteem II naar het cytochroom bf complex in het mobiele intra-thylakoïd membraan5. De aankomst van een tweede elektron op de QB-locatie met de opname van twee protonen produceert PQH24. Wanneer plastoquinon volledig gereduceerd is tot PQH2, wordt het plastoquinol genoemd. Daarom ziet de totale reactie voor Fotosysteem II er als volgt uit;

2PQ + 2H2O -> O2 + 2PQH2 (3)

Wanneer het elektron wordt overgedragen van P680 naar Phephytine, wordt een positieve lading gevormd op P680+ dat een sterke oxidant is die elektronen onttrekt aan water in het mangaancentrum5. Het mangaancentrum is het zuurstofontwikkelende centrum (OEC) en de plaats van de wateroxidatie. Het omvat 4 mangaanionen, een calciumion, een chloride-ion en een tyrosine-radicaal5. Het is de kern van dit redox-centrum omdat het vier stabiele oxidatietoestanden heeft, zoals Mn2+, Mn3+, Mn4+, en Mn5+.5 Telkens wanneer P680 wordt geëxciteerd en een elektron wordt afgevoerd, onttrekt het positief geladen paar een elektron aan het mangaancentrum5.

Het mangaancentrum wordt één elektron per keer geoxideerd, zodat er vier stappen nodig zijn om de oxidatie te voltooien. Een tyrosineresidu is niet afgebeeld en neemt deel aan de proton-elektronenoverdracht, daarom zijn de structuren aangeduid met S0 tot en met S4 om het aantal verwijderde elektronen aan te geven6. We weten dat er vijf verschillende oxidatietoestanden zijn door S0 tot en met S4. Wanneer S4 wordt bereikt, komt een oxystaalmolecuul vrij en binden twee nieuwe watermoleculen zich.

De plaats van plastoquinone reductie is aan de stroma zijde van het membraan6. Het mangaancomplex bevindt zich aan de thylakoïde lumenzijde van het membraan6. Voor elke vier elektronen die aan water worden onttrokken, worden twee moleculen PQH2 gevormd die vier protonen aan het stroma onttrekken6. De vier protonen die tijdens de oxidatie van water worden gevormd, komen vrij in het thylakoïd lumen6. Deze verdeling van protonen over het thylakoïd membraan genereert een pH gradiënt met een lage pH in het lumen en een hoge pH in het stroma6.

Het zuurstof evoluerende complex van fotosysteem II bevat Mn4, een redox-actief tyrosine, en Ca2+/Cl- ionen, maar de moleculaire structuur ervan is nog niet bepaald8. Echter, door te kijken naar figuur B hierboven, kan de puntgroep voor Fotosysteem II worden bepaald als C2 met een metaal, Mn7. Figuur B beschrijft een schuin aanzicht van de 3D-structuur van het supercomplex van C. reinhardtii6. Het supercomplex is dus dimeer; het blijkt C2-puntgroep symmetrisch te zijn en twee sets van subeenheden te bevatten6.

De primaire nadruk van het Raman-onderzoek in Fotosysteem II ligt op het lage-frequentiegebied van 220 tot 620 (cm-1)8. Het lage frequentiegebied wordt zowel voor S1 als S2 onderzocht. De Raman spectra van Fotosysteem II in de S1 toestand vertonen een paar unieke laagfrequente banden die niet voorkomen in de S2 toestand8. Dit wijst erop dat het gecoördineerd wordt door twee H2O of OH-. De Raman Mn-verarmde Fotosysteem II en Fotosysteem II in de S2 zijn bijna hetzelfde8. Dit geeft aan dat de S1 toestand van het mangaan een nabij infrarood elektronische overgang van de resonantie versterkte Raman verstrooiing kan worden geïnduceerd8.

Fotosysteem II, dat deel uitmaakt van de fotosynthese, is een van de eiwitcomplexen. Het is het onderwerp geweest van vele studies als een belangrijke biologische energiebron voor het leven op aarde. Voor dit proces is water nodig om de elektronen te verkrijgen die nodig zijn voor de gehele fotosynthese.