19.2.2. Erikoinen klorofyllipari käynnistää varauksenerotuksen

L- ja M-alayksiköt muodostavat bakteerien fotosynteesireaktiokeskuksen rakenteellisen ja toiminnallisen ytimen (ks. kuva 19.9). Kumpikin näistä homologisista alayksiköistä sisältää viisi transmembraaniheliksiä. H-alayksikkö, jossa on vain yksi transmembraanikierre, sijaitsee kalvon sytoplasmapuolella. Sytokromin alayksikkö, joka sisältää neljä c-tyypin hemiä, sijaitsee vastakkaisella periplasman puolella. L- ja M-alayksiköihin liittyy neljä bakteeriklorofylli b (BChl-b) -molekyyliä, kaksi bakteerifeofytiini b (BPh) -molekyyliä, kaksi kinonia (QA ja QB) sekä rautaioni.

Bakteeriklorofyllit ovat klorofyllien kaltaisia lukuun ottamatta ylimääräisen pyrrolirenkaan pelkistymistä ja eräitä muita pieniä eroja, jotka siirtävät niiden absorptiomaksimia lähi-infrapuna-alueelle, jopa 1000 nm:n aallonpituuksille. Bakteriofeofytiini on nimitys bakteeriklorofyllille, jonka keskuksessa on magnesiumionin sijasta kaksi protonia.

Reaktio alkaa valon absorptiolla BChl-b-molekyylien dimeriin, joka sijaitsee lähellä kalvon periplasmista puolta. Tämä dimeeri, jota kutsutaan erikoispariksi sen fotosynteesissä olevan perustavanlaatuisen roolin vuoksi, absorboi valoa enimmillään 960 nm:ssä, infrapunassa lähellä näkyvän alueen reunaa. Tästä syystä erikoisparia kutsutaan usein nimellä P960 (P tarkoittaa pigmenttiä). Erikoisparin heräte johtaa elektronin irtoamiseen, joka siirretään toisen BChl-b-molekyylin kautta L-alayksikössä olevaan bakteriofeofytiiniin (kuva 19.10, vaiheet 1 ja 2). Tämä alkuvarauksen erottuminen, joka tuottaa positiivisen varauksen erikoisparille (P960+) ja negatiivisen varauksen BPh:lle, tapahtuu alle 10 pikosekunnissa (10-11 sekuntia). Mielenkiintoista on, että lähes symmetrisen L-M-dimeerin kahdesta mahdollisesta reitistä käytetään vain toista. Korkean energian tiloissaan P960+ ja BPh- voisivat kokea varauksen rekombinaation, eli BPh-:n elektroni voisi siirtyä takaisin neutraloimaan erikoisparin positiivisen varauksen. Sen paluu erikoispariin tuhlaisi arvokkaan korkea-energisen elektronin ja muuttaisi absorboidun valoenergian yksinkertaisesti lämmöksi. Kolme tekijää reaktiokeskuksen rakenteessa vaikuttavat yhdessä niin, että varauksen rekombinaatio estyy lähes kokonaan (kuva 19.10, vaiheet 3 ja 4). Ensinnäkin toinen elektroniakseptori, tiukasti sidottu kinoni (QA), on alle 10 Å:n etäisyydellä BPh-:sta, joten elektroni siirtyy nopeasti kauemmas erikoisparista. Muistutetaan, että elektroninsiirtonopeudet riippuvat voimakkaasti etäisyydestä (kohta 18.2.3). Toiseksi yksi sytokromin alayksikön heemeistä on alle 10 Å:n etäisyydellä erikoisparista, joten positiivinen varaus neutraloidaan siirtämällä elektroni pelkistyneestä sytokromista. Lopuksi elektronin siirtyminen BPh-:sta positiivisesti varautuneeseen erikoispariin on erityisen hidasta: siirtyminen on termodynaamisesti niin suotuisaa, että se tapahtuu käänteisellä alueella, jossa elektroninsiirtonopeudet hidastuvat (kohta 18.2.3). Elektroninsiirto etenee siis tehokkaasti BPh-:sta QA:han.

Kuva 19.10

Elektroniketju fotosynteettisessä bakteerin reaktiokeskuksessa. Valon absorboituminen erikoispariin (P960) johtaa elektronin nopeaan siirtymiseen tästä paikasta bakteriofeofytiiniin (BPh), jolloin syntyy fotoindusoitu varauksenerotus (vaiheet (lisää…)

QA:sta elektroni siirtyy löysemmin assosioituneeseen kinoniin, QB:hen. Toisen fotonin absorptio ja toisen elektronin siirtyminen polkua pitkin erikoisparista viimeistelee QB:n kahden elektronin pelkistymisen Q:sta QH2:ksi. Koska QB:n sitoutumiskohta sijaitsee lähellä kalvon sytoplasman puolta, sytoplasmasta otetaan kaksi protonia, mikä edistää protonigradientin kehittymistä solukalvon poikki (kuva 19.10, vaiheet 5, 6 ja 7).

Miten reaktiokeskuksen sytokromi-alayksikkö saa elektronin takaisin syklin loppuun saattamiseksi? Pelkistynyt kinoni (QH2) hapetetaan uudelleen Q:ksi hengityselinten elektroninkuljetusketjun kompleksissa III (kohta 18.3.3). Pelkistyneen kinonin elektronit siirretään periplasmassa olevan liukoisen sytokromi c-väliaineen, sytokromi c2:n, kautta reaktiokeskuksen sytokromi-alayksikköön. Elektronien virtaus on siis syklinen. Tämän syklin aikana syntyvä protonigradientti ohjaa ATP:n tuotantoa ATP-syntaasin vaikutuksesta.