19.2.2.2. Et særligt par af klorofyller indleder ladningsadskillelse
L- og M-underenhederne udgør den strukturelle og funktionelle kerne i det bakterielle fotosyntetiske reaktionscenter (se figur 19.9). Hver af disse homologe underenheder indeholder fem transmembranhelixer. H-underenheden, som kun har én transmembranhelix, ligger på den cytoplasmatiske side af membranen. Cytokromunderenheden, som indeholder fire c-type hemes, ligger på den modsatte periplasmatiske side. Fire bakterioklorofyl b-molekyler (BChl-b), to bakteriopheofytin b-molekyler (BPh), to kinoner (QA og QB) og en jern-ion er tilknyttet L og M-underenhederne.
Bakterioklorofyller ligner klorofyller, bortset fra reduktionen af en ekstra pyrrolring og nogle andre mindre forskelle, der forskyder deres absorptionsmaksima til det nære infrarøde område, til bølgelængder så lange som 1000 nm. Bakteriopheophytin er betegnelsen for et bakterioklorofyl, der har to protoner i stedet for en magnesiumion i sit centrum.
Reaktionen begynder med lysabsorption af en dimer af BChl-b-molekyler, der ligger nær den periplasmiske side af membranen. Denne dimer, der kaldes et særligt par på grund af dets grundlæggende rolle i fotosyntesen, absorberer lyset maksimalt ved 960 nm, i det infrarøde område nær kanten af det synlige område. Derfor kaldes det særlige par ofte for P960 (P står for pigment). Excitering af det specielle par fører til udsendelse af en elektron, som overføres gennem et andet BChl-b-molekyle til bakteriopheophytin i Lunderenheden (figur 19.10, trin 1 og 2). Denne indledende ladningsadskillelse, som giver en positiv ladning på det specielle par (P960+) og en negativ ladning på BPh, sker på mindre end 10 picosekunder (10-11 sekunder). Det er interessant, at kun den ene af de to mulige veje inden for den næsten symmetriske L-M-dimer udnyttes. I deres højenergitilstande kunne P960+ og BPh- gennemgå ladningsrekombination; det vil sige, at elektronen på BPh- kunne bevæge sig tilbage for at neutralisere den positive ladning på det særlige par. Dens tilbagevenden til det specielle par vil medføre spild af en værdifuld højenergi-elektron og blot omdanne den absorberede lysenergi til varme. Tre faktorer i reaktionscentrets struktur arbejder sammen for at undertrykke ladningsrekombination næsten fuldstændigt (figur 19.10, trin 3 og 4). For det første er en anden elektronacceptor, en stramt bundet quinon (QA), mindre end 10 Å væk fra BPh-, og derfor overføres elektronen hurtigt længere væk fra det specielle par. Husk på, at elektronoverførselshastigheden afhænger stærkt af afstanden (afsnit 18.2.3). For det andet er en af cytokromunderenhedens hemes mindre end 10 Å væk fra det specielle par, og derfor neutraliseres den positive ladning ved overførsel af en elektron fra det reducerede cytokrom. Endelig er elektronoverførslen fra BPh- til det positivt ladede specielle par særlig langsom: Overførslen er så termodynamisk gunstig, at den finder sted i det omvendte område, hvor elektronoverførselshastigheden bliver langsommere (afsnit 18.2.3). Elektronoverførslen forløber således effektivt fra BPh- til QA.
Figur 19.10
Elektronkæde i det fotosyntetiske bakterie-reaktionscenter. Absorption af lys af det særlige par (P960) resulterer i en hurtig overførsel af en elektron fra dette sted til et bakteriopheophytin (BPh), hvilket skaber en fotoinduceret ladningsadskillelse (trin (mere…)
Fra QA bevæger elektronen sig til en mere løst associeret quinon, QB. Absorptionen af en anden foton og bevægelsen af en anden elektron ned ad stien fra det specielle par fuldender den toelektroniske reduktion af QB fra Q til QH2. Da QB-bindingsstedet ligger nær den cytoplasmatiske side af membranen, optages to protoner fra cytoplasmaet, hvilket bidrager til udviklingen af en protongradient på tværs af cellemembranen (figur 19.10, trin 5, 6 og 7).
Hvordan genvinder cytokromunderenheden i reaktionscentret en elektron for at fuldføre cyklusen? Den reducerede quinon (QH2) reoxideres til Q af kompleks III i den respiratoriske elektrontransportkæde (afsnit 18.3.3.3). Elektronerne fra det reducerede quinon overføres gennem et opløseligt cytokrom c-mellemprodukt, kaldet cytokrom c2, i periplasmaet til cytokromunderenheden i reaktionscentret. Elektronstrømmen er således cyklisk. Den protongradient, der dannes i løbet af denne cyklus, driver dannelsen af ATP ved hjælp af ATP-syntase.