Strukturelle Einblicke in die Photosynthese

Die Architektur des Photosystems II

31.05.2007

Photosynthese
Photosynthese
Wie wir schon in der Schule lernen, assimilieren die Pflanzen bei der Photosynthese Kohlendioxid (CO2) und setzten es mit Wasser (H2O) um zu Sauerstoff (O2) und Kohlenhydraten (Zuckern der allgemeinen Formel CnOnH2n). Dieser Prozess wird durch Sonnenlicht-Energie angetrieben, und die entsprechende chemische Gleichung ist verblüffend einfach:
n CO2 + n H2O → CnOnH2n + n O2
Der Sauerstoff entsteht durch Oxidation von Wasser und hat seit Beginn der „oxygenen“ (Sauerstoffliefernden) Photosynthese vor circa 2,5 Milliarden Jahren das Leben auf unserem Planeten grundlegend verändert, weil die Ur-Atmosphäre keinen Sauerstoff enthielt. Erst durch den Sauerstoff wurde die Nahrung durch „Verbrennung“ 10-mal besser genutzt als ohne Sauerstoff. Dies ermöglichte die Entstehung vieler Lebewesen bis hin zum Homosapiens.

Die Photosynthese ist ein sehr komplexer Prozess, weil die Ausgangsstoffe Wasser und CO2 chemisch äußerst stabile Moleküle sind, die sich nur mit brachialer Gewalt oder ausgetüftelter „sanfter“ Biochemie chemisch in andere Moleküle überführen lassen. Am Beginn der Photosynthese stehen zwei große, aus vielen Proteinen (Eiweißen) zusammengesetzte Komplexe, die Photosysteme I und II (PSI und PSII). Sie enthalten eine Vielzahl von redox-aktiven Pigmenten und können damit chemische Reduktionen und Oxidationen auslösen und/oder katalysieren. Die Photosysteme PSI und PSII sind in die photosynthetische Thylakoidmembran (Abbildung unten) eingebettet, die allen höheren Pflanzen, grünen Algen und Cyanobakterien eigen ist. Das in PSI und PSII vorkommende Pigment Chlorophyll dient als Kollektor von Sonnenlicht und gibt nicht nur den Blättern, sondern auch den Algen und Cyanobakterien ihre charakteristische grüne Farbe.

Grüne Farbe

Die Thylakoidmembran ist ein sackartiges Gebilde, dessen Innenraum als Lumen und die Außenseite als Stroma (oder Cytoplasma) bezeichnet wird. Neben PSI und PSII beherbergt die Thylakoidmembran auch noch den Cytochrom-b6f-Komplex sowie die ATP-Synthase, die ebenfalls aus vielen einzelnen Protein-Untereinheiten zusammengesetzt ist (Abbildung unten). Die ATP-Synthase erzeugt Adenosintriphosphat (ATP), das in der Biologie als „Energiewährung“ dient und bei einer Vielzahl von Prozessen wesentlich ist, unter anderem eben auch in der Photosynthese.


Schematische Ansicht der Thylakoidmembran mit den photosynthetisch wirkenden Protein-Komplexen Photosystem I und II (PSI, PSII), dem Cytochrom- b6f-Komplex (Cyt-b6f) und der ATP-Synthase. Die kleinen Proteine Cytochrom-c6 (Cyt-c6) und Ferredoxin transportieren Elektronen (e-), das Enzym Flavinnucleotid Reduktase (FNR) produziert NADPH, das mit ATP in Dunkelreaktionen CO2 zu Zuckern reduziert. Protonen (H+), die in das Lumen abgegeben werden, treiben die ATP-Synthase an.
Grafik: Sänger/Loll

Die dreidimensionalen Strukturen von PSI und PSII aus dem Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus wurden mit Hilfe der Röntgenbeugung (Diffraktion) im Rahmen des früheren Sonderforschungsbereichs (Sfb) 312 „Gerichtete Membranprozesse“ und des jetzigen Sfb 498 „Protein-Cofaktor-Wechselwirkungen“ in langjähriger Zusammenarbeit zwischen Freier Universität (Institut für Chemie und Biochemie/Kristallographie) und Technischer Universität (Institut für Physikalische Chemie/Max-Volmer-Laboratorium) ermittelt. Im Zentrum der Röntgenbeugung stehen Kristalle, die aus PSIsowie PSII-Proteinpräparationen an der Technischen Universität gewonnen werden. Dazu müssen die Photosysteme mit seifenartigen Detergentien (Tensiden) aus der Thylakoidmembran herausgelöst und mit chromatographischen Methoden gereinigt werden, bevor sie durch Zugabe von Reagenzien, die die Löslichkeit der Photosysteme in Wasser verringern, kristallisiert werden können.

Die erhaltenen Kristalle sind aus Elementarzellen aufgebaut, in denen die einzelnen Molekülkomplexe PSI oder PSII streng geordnet vorliegen und ein „Kristallgitter“ aufbauen. Lässt man nun Röntgenstrahlen einer bestimmten Wellenlänge von etwa 1 Å (10-10 m) auf diese Kristalle fallen, so werden die Elektronen in den einzelnen Atomen von PSI oder PSII angeregt und senden Röntgenstrahlen derselben Wellenlänge aus. Wegen des regelmäßigen Aufbaus des Kristallgitters tritt konstruktive Interferenz auf und erzeugt Beugungsbilder, die viele Reflexe (Punkte) zeigen. Die Intensität dieser Reflexe werden mit Filmen oder durch elektronische Flächenzähler gemessen. Weil PSI und PSII mit Molekulargewichten von circa 1,1 und 0,7 Millionen sehr groß und dadurch die Intensität der Reflexe sehr schwach sind, ist es unumgänglich, hochbrillante Röntgenstrahlung zu verwenden, die von Synchrotronen wie dem Berliner BESSY erzeugt werden.

BESSY

Hierfür sind die Röntgen-Strahlrohre der Proteinstruktur-Fabrik am BESSY der Freien Universität oder die Strahlrohre der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble sehr gut geeignet. Die Auswertung der 230.000 bis 150.000 Röntgenreflexe, die mit PSI- oder PSII-Kristallen erhalten wurden, lieferten Elektronendichte-Verteilungen, die am Computer ausgewertet wurden und zu einem Strukturmodell des kristallisierten Moleküls führten. Dieses Modell ist umso detaillierter, je höher die Auflösung des Beugungsmusters ist. Für PSI konnte ein Modell mit atomarer Auflösung erstellt werden, während die Auflösung von PSII derzeit etwas geringer und das erstellte Modell an manchen Stellen zu undeutlich ist, um einzelne Atome mit Sicherheit lokalisieren zu können. Da die Auflösung von der Qualität der Kristalle abhängt und diese wiederum von der Reinheit des für die Kristallisation eingesetzten Moleküls und des Kristallisationsvorgangs, werden zur Zeit an der Technischen Universität die experimentellen Bedingungen variiert, die zu einer höheren Auflösung der Kristalle führen sollen.

Mit Licht

Die Photosynthese läuft in zwei sehr unterschiedlichen Reaktionsströmen ab, der Licht-Reaktion und der Dunkel-Reaktion. Die Licht-Reaktion geschieht in der Thylakoidmembran. Beginnend mit PSII wird Lichtenergie von Chlorophyllen eingefangen und dient dazu, Wasser (H2O) zu Sauerstoff (O2), Protonen (H+) und Elektronen (e-) zu oxidieren. Der Sauerstoff entweicht in die Atmosphäre, H+ wird zu einem Teil in den Innenraum (Lumen) des Thylakoidsacks abgegeben und zu einem anderen Teil dazu benutzt, um mit Elektronen das Pigment Plastochinon (PQ und PQB in Abbildung Seite 66 beziehungsweise Seite 69) zu Plastohydrochinon PQH2 zu reduzieren, das daraufhin den PSII-Komplex verlässt. Es wandert (diffundiert) in der Thylakoidmembran zum Cytochrom-b6f-Komplex, wo es wieder zu Plastochinon, Protonen und Elektronen oxidiert wird. Das Plastochinon wird vom PSII aufgenommen, um einen neuen photosynthetischen Zyklus zu durchlaufen. Die am Cytochrom-b6f-Komplex freigegebenen Protonen und Elektronen werden ebenfalls in den Innenraum des Thylakoidsacks abgegeben, und die Elektronen werden von dem kleinen, im Lumen befindlichen Protein Cytochrom-c6 aufgenommen, zum PSI transportiert und an dieses abgegeben. Im PSI werden die Elektronen durch Lichtenergie auf ein sehr hohes elektrochemisches Reduktionspotenzial gebracht und an der Außenseite (dem Cytoplasma/Stroma) des Thylakoidsacks an das kleine Protein Ferredoxin abgegeben. Von diesem werden die Elektronen zur NADP+-Reduktase transportiert, um dort NADP+ unter Verwendung von Protonen in das starke Reduktionsmittel NADPH umzuwandeln.


Schematische Sicht des PSII Homodimers, Blick auf die cytoplasmatische Seite der Thylakoidmembran (von „oben“ in der Abbildung auf Seite 66). Die beiden Monomere im Dimer sind durch eine gepunktete Linie getrennt, die C2-Symmetrieachsen (die Symmetrie gilt nur ungefähr) durch Ellipsen gekennzeichnet. Die rote Ellipse (Mitte) bezieht die beiden Monomere im Dimer durch eine Roatation um 180 Grad aufeinander, während die schwarzen Ellipsen dies für die Proteinuntereinheiten D1, D2 und CP43, CP47 tun. Die einzelnen Protein-Untereinheiten bestehen aus -Helices, die als Zylinder in unterschiedlichen Farben dargestellt sind: Reaktionszentrum D1 (gelb), D2 (orange), Antennenproteine CP43 (rot), CP47 (magenta), kleine Untereinheiten in grau. Das linke Monomer ist ohne, das rechte Monomer mit Pigmenten dargestellt, Chlorophylle (grün), Carotine (orange), Lipide (schwarz), Pheophytine (gelb).
Grafik: Sänger/Loll

Die Protonen, die von PSII und dem Cytochrom-b6f- Komplex in das Lumen des Thylakoidsacks abgegeben wurden, erzeugen dort einen sauren pH-Wert von etwa 5. Da der pH-Wert auf der Cytoplasma/Stroma-Seite der Thylakoidmembran neutral ist (pH 7), entsteht ein Protonengradient über der Membran, der die ATP-Synthase antreibt und damit für die Erzeugung von ATP genutzt wird.

Die Dunkel-Reaktionen laufen, wie schon der Name sagt, ohne Lichtenergie ab, doch werden hier die in der Lichtreaktion erzeugten Verbindungen NADPH als Reduktionsmittel und ATP als Energieträger benutzt, um im Calvin-Zyklus CO2 zu Kohlenhydraten (CnOnH2n) zu reduzieren und damit Nahrung für alle Lebewesenzu erzeugen. Die eingangs erwähnte einfache Gleichung beschreibt also nur die in der Photosynthese wichtigen Ausgangsstoffe CO2 und H2O und die Produkte (CnOnH2n) sowie O2, nicht aber die komplexen Prozesse, die in den Licht- und Dunkel-Reaktionen ablaufen. Wir beschränken uns hier aus Platzmangel nur auf die Beschreibung von PSII, ohne das die „oxygene“ Photosynthese nicht möglich wäre.

Die Abbildungen rechts zeigen die dreidimensionale Struktur des PSII, das aus 20 verschiedenen Proteinen besteht, die folgende Pigmente beherbergen: 35 Chlorophylle, 11 Carotine, 2 Pheophytine, 2 Plastochinone (PQA und PQB), 2 Hämgruppen, 14 Lipide, ein Eisenatom (Fe2+), vier Manganatome (in verschiedenen Oxidationsstufen Mn2+, Mn3+, Mn4+) und ein Calciumatom (Ca2+), die den in der Natur einzigartigen Mn4Ca-Cluster bilden. PSII liegt in der Thylakoidmembran und in den untersuchten Kristallen als Homodimer vor, das heißt, zwei PSII-Moleküle bilden einen Komplex. PSII enthält die beiden Antennen-Proteine CP43 und CP47, die insgesamt 29 Chlorophylle binden und damit Lichtenergie einfangen, die an das eigentliche Reaktionszentrum weitergeleitet wird. Dieses besteht aus den beiden Proteinen D1 und D2, die die Elektronen-Leiterkette (Abbildung Seite 69) beherbergen sowie dem Cytochromb- 559 (Cyt-b-559 in den Abbildungen rechts), das eine Hämgruppe enthält (in blau dargestellt). Wesentlich ist, dass eine C2-Symmetrieachse (schwarze Ellipsen beziehungsweise Pfeile in den Abbildungen rechts) durch eine Rotation um 180 Grad die jeweils ähnlichen Proteine CP43 in CP47 sowie D1 in D2 überführt. Die C2-Symmetrie spiegelt sich auch in der Elektronen-Leiterkette wider, deren aktives Zentrum aus zwei Paaren von Chlorophyllen, PD1 und PD2 sowie ChlD1 und ChlD2 besteht und als Pigment 680 (P680) bezeichnet wird.


Wie die Abbildung oben, Blick entlang der Thylakoidmembran, zusätzlich sind alle Pigmente dargestellt. Bemerkenswert ist die große Ausstülpung des PSII in das Lumen. In dem linken Monomer ist der Mn4Ca-Cluster gut sichtbar (rote Kugeln Mangan, gelbe Kugel Calcium). „C2-Achse“ bezeichnet die in Abbildung 2 durch Ellipsen angedeuteten Lagen der C2-Symmetrieachsen (die Symmetrie gilt nur ungefähr).
Grafik: Sänger/Loll

Lichtenergie

Nach Anregung durch Lichtenergie, die von den Antennenproteinen CP43 und CP47 eingefangen wurde, stößt P680 ein Elektron aus und bildet das Radikal-Kation P680+• (+ steht für Kation oder positive Ladung, • deutet den Radikal-Zustand an). Das Elektron wandert über ein Pheophytin (PheoD1) und Plastochinon PQA zum Plastochinon PQB, das durch Aufnahme des Elektrons reduziert wird. Das Radikal-Kation P680+• wird zum Ausgangszustand P680 neutralisiert, indem es dem Mn4Ca-Cluster ein Elektron (e-) unter Vermittlung des redoxaktiven Tyrosins Z (TyrZ) entzieht. Jetzt wird der obige Vorgang wiederholt, Plastochinon PQB wird nochmals reduziert, nimmt zwei Protonen auf und verlässt als Plastohydrochinon (PQH2 in Abbildung auf Seite 66) seinen Lageplatz im PSII, um wie oben beschrieben am Cytochrom-b6f-Komplex zum Plastochinon (PQB) oxidiert zu werden.


Elektronen-Leiterkette, das Herz des PSII. Sie besteht aus P680, das aus den Chlorophyllen PD1 und PD2 sowie ChlD1 und ChlD2 gebildet wird, den Pheophytinen PheoD1, PheoD2, den Plastochinonen PQA, PQB, und dem Eisen Fe2+. PQB verlässt PSII nach Reduktion zu Plastochinol (PQH2 in Abbildung Seite 66). P680 verliert ein Elektron nach Zufuhr von Lichtenergie, und das entstandene Radikal-Kation P680+• wird durch ein Elektron vom Mn4Ca-Cluster (Farben wie in Abbildung Seite 68) mittels Tyrosin Z (TyrZ) neutralisiert. Die Oxidation von Wasser geschieht am Mn4Ca-Cluster. Der Weg der Elektronen ist durch rote Pfeile markiert.
Grafik: Sänger/Loll

Gewinnung von Elektrizität

Die dem Mn4Ca-Cluster von P680+• entzogenen Elektronen werden durch die Oxidation von Wasser, die am Mn4Ca-Cluster abläuft, nachgeliefert. Mangan ist ungewöhnlich, da es in sechs verschiedenen Oxidationsstufen vorliegen kann (Mn2+ bis Mn7+), das heißt, leicht Elektronen aufnimmt und wieder abgibt. Aus zwei Wassermolekülen H2O wird ein Sauerstoffmolekül (O2) gebildet, dabei werden vier Protonen (H+) und vier Elektronen (e-) freigesetzt. Der exakte chemische Mechanismus, mit dem die Oxidation von Wasser am Mn4Ca-Cluster geschieht, ist noch unklar, doch werden insgesamt 4 Zyklen durchlaufen, um ein O2 zu erzeugen. Um dies zu zeigen, wurde eine Lösung von PSII mit einzelnen Lichtblitzen bestrahlt und die Bildung von O2 gemessen. Nach 4, 8 oder 12 Blitzen war die Entwicklung von O2 jeweils am stärksten. Trotz intensiver Forschung und vieler Detailkenntnisse ist es noch nicht gelungen, die Vorgänge am PSII, und hier vor allem am Mn4Ca-Cluster, zu verstehen. Dies wäre jedoch wesentlich, um eventuell einen synthetischen Mn4Ca-Cluster zu erhalten und zu synthetisieren, an dem die Wasserspaltung ablaufen könnte. Es sollte möglich sein, PSII an eine Elektrode zu koppeln, um die aus der Oxidation von Wasser erhaltenen Elektronen zur Gewinnung von Elektrizität abzufangen. Hierbei tritt jedoch ein Problem auf, weil das wichtige Protein D1 des Reaktionszentrums während der Produktion von Sauerstoff kontinuierlich zerstört wird und nach etwa 30 Minuten ersetzt werden muss. Dafür ist aber die intakte Zelle des jeweiligen Organismus nötig, weil zerstörtes D1 entfernt und durch neu synthetisiertes D1 ersetzt werden muss.