19.2.2. Ein spezielles Chlorophyll-Paar initiiert die Ladungstrennung

Die Untereinheiten L und M bilden den strukturellen und funktionellen Kern des bakteriellen photosynthetischen Reaktionszentrums (siehe Abbildung 19.9). Jede dieser homologen Untereinheiten enthält fünf Transmembranhelices. Die H-Untereinheit, die nur eine Transmembranhelix besitzt, liegt auf der zytoplasmatischen Seite der Membran. Die Cytochrom-Untereinheit, die vier Häms vom C-Typ enthält, befindet sich auf der gegenüberliegenden periplasmatischen Seite. Vier Bakteriochlorophyll b (BChl-b) Moleküle, zwei Bakteriopheophytin b (BPh) Moleküle, zwei Chinone (QA und QB) und ein Eisen-Ion sind mit den Untereinheiten L und M assoziiert.

Bakteriochlorophylle ähneln den Chlorophyllen, abgesehen von der Reduktion eines zusätzlichen Pyrrolrings und einigen anderen geringfügigen Unterschieden, die ihre Absorptionsmaxima in den nahen Infrarotbereich verschieben, bis zu Wellenlängen von 1000 nm. Bakteriopheophytin ist die Bezeichnung für ein Bakteriochlorophyll, das zwei Protonen anstelle eines Magnesiumions in seinem Zentrum hat.

Die Reaktion beginnt mit der Lichtabsorption durch ein Dimer von BChl-b-Molekülen, die nahe der periplasmatischen Seite der Membran liegen. Dieses Dimer, das wegen seiner grundlegenden Rolle in der Photosynthese als spezielles Paar bezeichnet wird, absorbiert das Licht maximal bei 960 nm, im Infrarotbereich nahe dem Rand des sichtbaren Bereichs. Aus diesem Grund wird das spezielle Paar oft als P960 bezeichnet (P steht für Pigment). Die Anregung des speziellen Paares führt zum Auswurf eines Elektrons, das durch ein weiteres Molekül BChl-b auf das Bakteriopheophytin in der L-Untereinheit übertragen wird (Abbildung 19.10, Schritte 1 und 2). Diese anfängliche Ladungstrennung, die zu einer positiven Ladung des speziellen Paares (P960+) und einer negativen Ladung von BPh führt, erfolgt in weniger als 10 Pikosekunden (10-11 Sekunden). Interessanterweise wird nur einer der beiden möglichen Wege innerhalb des nahezu symmetrischen L-M-Dimers genutzt. In ihren hochenergetischen Zuständen könnten P960+ und BPh- eine Ladungsrekombination eingehen, d. h. das Elektron auf BPh- könnte zurückwandern, um die positive Ladung auf dem speziellen Paar zu neutralisieren. Seine Rückkehr zum besonderen Paar würde ein wertvolles hochenergetisches Elektron verschwenden und die absorbierte Lichtenergie einfach in Wärme umwandeln. Drei Faktoren in der Struktur des Reaktionszentrums wirken zusammen, um die Ladungsrekombination fast vollständig zu unterdrücken (Abbildung 19.10, Schritte 3 und 4). Erstens ist ein anderer Elektronenakzeptor, ein fest gebundenes Chinon (QA), weniger als 10 Å von BPh- entfernt, so dass das Elektron schnell weiter weg von dem speziellen Paar übertragen wird. Es sei daran erinnert, dass die Elektronentransferraten stark vom Abstand abhängen (Abschnitt 18.2.3). Zweitens ist eines der Häms der Cytochrom-Untereinheit weniger als 10 Å von dem speziellen Paar entfernt, so dass die positive Ladung durch den Transfer eines Elektrons vom reduzierten Cytochrom neutralisiert wird. Schließlich ist der Elektronentransfer von BPh- auf das positiv geladene spezielle Paar besonders langsam: Der Transfer ist thermodynamisch so günstig, dass er in der invertierten Region stattfindet, in der die Elektronentransferraten langsamer werden (Abschnitt 18.2.3). So verläuft der Elektronentransfer effizient von BPh- zu QA.

Abbildung 19.10

Elektronenkette im bakteriellen Photosynthese-Reaktionszentrum. Die Absorption von Licht durch das spezielle Paar (P960) führt zur schnellen Übertragung eines Elektrons von dieser Stelle auf ein Bakteriopheophytin (BPh), wodurch eine photoinduzierte Ladungstrennung entsteht (Schritte (mehr…)

Von QA wandert das Elektron zu einem lockerer assoziierten Chinon, QB. Die Absorption eines zweiten Photons und die Bewegung eines zweiten Elektrons auf dem Weg des speziellen Paares vervollständigen die Reduktion von QB von Q zu QH2 mit zwei Elektronen. Da die QB-Bindungsstelle in der Nähe der zytoplasmatischen Seite der Membran liegt, werden zwei Protonen aus dem Zytoplasma aufgenommen, was zur Entwicklung eines Protonengradienten durch die Zellmembran beiträgt (Abbildung 19.10, Schritte 5, 6 und 7).

Wie gewinnt die Zytochrom-Untereinheit des Reaktionszentrums ein Elektron zurück, um den Zyklus abzuschließen? Das reduzierte Chinon (QH2) wird vom Komplex III der respiratorischen Elektronentransportkette zu Q reoxidiert (Abschnitt 18.3.3). Die Elektronen aus dem reduzierten Chinon werden über ein lösliches Cytochrom c-Zwischenprodukt, genannt Cytochrom c2, im Periplasma auf die Cytochrom-Untereinheit des Reaktionszentrums übertragen. Der Elektronenfluss ist also zyklisch. Der im Laufe dieses Zyklus erzeugte Protonengradient treibt die Erzeugung von ATP durch die ATP-Synthase an.