19.2.2. Een speciaal paar chlorofylen initieert ladingsscheiding
De L- en M-subeenheden vormen de structurele en functionele kern van het bacteriële fotosynthetische reactiecentrum (zie figuur 19.9). Elk van deze homologe subeenheden bevat vijf transmembraanhelften. De H-subeenheid, die slechts één transmembraanhelix heeft, ligt aan de cytoplasmatische zijde van het membraan. De cytochrome subeenheid, die vier c-type hemes bevat, ligt aan de tegenoverliggende periplasmatische zijde. Vier bacteriochlorofyl b-moleculen (BChl-b), twee bacteriopheofytine b-moleculen (BPh), twee chinonen (QA en QB), en een ijzerhoudend ion zijn geassocieerd met de L- en M-subeenheden.
Bacteriochlorophylls zijn vergelijkbaar met chlorophylls, met uitzondering van de reductie van een extra pyrrool ring en enkele andere kleine verschillen die hun absorptiemaxima verschuiven naar het nabije infrarood, tot golflengten zo lang als 1000 nm. Bacteriopheofytine is de term voor een bacteriochlorofyl dat twee protonen heeft in plaats van een magnesiumion in zijn centrum.
De reactie begint met lichtabsorptie door een dimeer van BChl-b moleculen die zich nabij de periplasmatische zijde van het membraan bevinden. Dit dimeer, dat speciaal paar wordt genoemd wegens zijn fundamentele rol in de fotosynthese, absorbeert het licht maximaal bij 960 nm, in het infrarood nabij de rand van het zichtbare gebied. Om deze reden wordt het speciale paar vaak P960 genoemd (P staat voor pigment). Excitatie van het speciale paar leidt tot het uitwerpen van een elektron, dat via een ander molecuul BChl-b wordt overgedragen op het bacteriopheofytine in de L-subeenheid (figuur 19.10, stappen 1 en 2). Deze initiële ladingsscheiding, die een positieve lading op het speciale paar (P960+) en een negatieve lading op BPh oplevert, vindt plaats in minder dan 10 picoseconden (10-11 seconden). Interessant is dat slechts één van de twee mogelijke paden binnen het bijna symmetrische L-M dimeer wordt gebruikt. In hun hoge-energietoestanden kunnen P960+ en BPh- ladingrecombinatie ondergaan; dat wil zeggen, het elektron op BPh- kan terug bewegen om de positieve lading op het speciale paar te neutraliseren. De terugkeer naar het speciale paar zou een waardevol hoogenergetisch elektron verspillen en de geabsorbeerde lichtenergie eenvoudigweg omzetten in warmte. Drie factoren in de structuur van het reactiecentrum werken samen om ladingsrecombinatie bijna volledig te onderdrukken (figuur 19.10, stappen 3 en 4). Ten eerste bevindt een andere elektronenacceptor, een strak gebonden chinon (QA), zich op minder dan 10 Å afstand van BPh-, en dus wordt het elektron snel verder weg van het speciale paar verplaatst. Bedenk dat de snelheid van elektronenoverdracht sterk afhangt van de afstand (paragraaf 18.2.3). Ten tweede is een van de hemen van de cytochroom-subeenheid minder dan 10 Å verwijderd van het speciale paar, en dus wordt de positieve lading geneutraliseerd door de overdracht van een elektron van het gereduceerde cytochroom. Tenslotte is de elektronenoverdracht van BPh- naar het positief geladen speciale paar bijzonder langzaam: de overdracht is thermodynamisch zo gunstig dat deze plaatsvindt in het omgekeerde gebied waar de elektronenoverdrachtsnelheden langzamer worden (Paragraaf 18.2.3). De elektronenoverdracht verloopt dus efficiënt van BPh- naar QA.
Figuur 19.10
Elektronenketen in het fotosynthetische reactiecentrum van de bacterie. De absorptie van licht door het speciale paar (P960) resulteert in de snelle overdracht van een elektron van deze plaats naar een bacteriopheofytine (BPh), waardoor een fotogeïnduceerde ladingsscheiding ontstaat (stappen (meer…)
Van QA verplaatst het elektron zich naar een meer losjes geassocieerd chinon, QB. De absorptie van een tweede foton en de beweging van een tweede elektron langs de weg van het speciale paar voltooit de twee-elektronen reductie van QB van Q tot QH2. Omdat de QB-bindingsplaats dicht bij de cytoplasmatische kant van het membraan ligt, worden twee protonen uit het cytoplasma opgenomen, wat bijdraagt aan de ontwikkeling van een protonengradiënt over het celmembraan (figuur 19.10, stappen 5, 6 en 7).
Hoe krijgt de cytochrome subeenheid van het reactiecentrum weer een elektron om de cyclus te voltooien? Het gereduceerde chinon (QH2) wordt door complex III van de respiratoire elektronentransportketen (paragraaf 18.3.3) weer tot Q geoxideerd. De elektronen van het gereduceerde chinon worden via een oplosbaar cytochroom c intermediair, cytochroom c2 genaamd, in het periplasma overgebracht naar de cytochrome subeenheid van het reactiecentrum. De stroom van elektronen is dus cyclisch. De protonengradiënt die in de loop van deze cyclus wordt gegenereerd, drijft de vorming van ATP aan door de werking van ATP-synthase.