19.2.2. Ett speciellt par klorofyller initierar laddningsseparation
L- och M-underenheterna utgör den strukturella och funktionella kärnan i det bakteriella fotosyntetiska reaktionscentret (se figur 19.9). Var och en av dessa homologa underenheter innehåller fem transmembranhelixer. H-underenheten, som endast har en transmembranhelix, ligger på membranets cytoplasmatiska sida. Cytokromunderenheten, som innehåller fyra hemes av c-typ, ligger på den motsatta periplasmatiska sidan. Fyra molekyler av bakterioklorofyll b (BChl-b), två molekyler av bakteriopheofytin b (BPh), två kinoner (QA och QB) och en järnjon är associerade med L- och M-underenheterna.
Bakterioklorofyller liknar klorofyller, förutom reduktionen av ytterligare en pyrrolring och några andra mindre skillnader som förskjuter deras absorptionsmaxima till det nära infraröda området, till våglängder så långa som 1000 nm. Bakteriopheofytin är termen för ett bakterioklorofyll som har två protoner i stället för en magnesiumjon i sitt centrum.
Reaktionen börjar med att ljuset absorberas av en dimer av BChl-b-molekyler som ligger nära den periplasmatiska sidan av membranet. Denna dimer, som kallas ett speciellt par på grund av dess grundläggande roll i fotosyntesen, absorberar ljus maximalt vid 960 nm, i det infraröda området nära kanten av det synliga området. Av denna anledning kallas det speciella paret ofta för P960 (P står för pigment). Excitering av det speciella paret leder till utstötning av en elektron, som överförs via en annan molekyl av BChl-b till bakteriopheofytinet i L-underenheten (figur 19.10, steg 1 och 2). Denna inledande laddningsseparation, som ger en positiv laddning på det speciella paret (P960+) och en negativ laddning på BPh, sker på mindre än 10 picosekunder (10-11 sekunder). Intressant nog utnyttjas endast en av de två möjliga vägarna inom den nästan symmetriska L-M-dimeren. I sina högenergitillstånd skulle P960+ och BPh- kunna genomgå laddningsrekombination, dvs. elektronen på BPh- skulle kunna flytta tillbaka för att neutralisera den positiva laddningen på det speciella paret. Om den återvänder till det speciella paret skulle en värdefull elektron med hög energi gå förlorad och den absorberade ljusenergin skulle helt enkelt omvandlas till värme. Tre faktorer i reaktionscentrets struktur arbetar tillsammans för att undertrycka laddningsrekombination nästan helt och hållet (figur 19.10, steg 3 och 4). För det första är en annan elektronacceptor, en tätt bunden kinon (QA), mindre än 10 Å bort från BPh-, och därför överförs elektronen snabbt längre bort från det speciella paret. Kom ihåg att elektronöverföringshastigheten beror starkt på avståndet (avsnitt 18.2.3). För det andra är en av hemerna i cytokromunderenheten mindre än 10 Å bort från det speciella paret, och därför neutraliseras den positiva laddningen genom överföring av en elektron från det reducerade cytokromet. Slutligen är elektronöverföringen från BPh- till det positivt laddade specialparet särskilt långsam: överföringen är så termodynamiskt gynnsam att den sker i den omvända regionen där elektronöverföringshastigheten blir långsammare (avsnitt 18.2.3). Elektronöverföringen går alltså effektivt från BPh- till QA.
Figur 19.10
Elektronkedja i det fotosyntetiska bakteriella reaktionscentret. Absorptionen av ljus av det speciella paret (P960) resulterar i en snabb överföring av en elektron från denna plats till ett bakteriopheofytin (BPh), vilket skapar en fotoinducerad laddningsseparation (steg (mer…)
Från QA rör sig elektronen till en mer löst associerad kinon, QB. Absorptionen av en andra foton och rörelsen av en andra elektron längs vägen från det speciella paret fullbordar den tvåelektroniska reduktionen av QB från Q till QH2. Eftersom QB-bindningsstället ligger nära membranets cytoplasmatiska sida tas två protoner upp från cytoplasman, vilket bidrar till utvecklingen av en protongradient över cellmembranet (figur 19.10, steg 5, 6 och 7).
Hur återfår cytokromunderenheten i reaktionscentret en elektron för att slutföra cykeln? Det reducerade kinonet (QH2) reoxideras till Q av komplex III i den respiratoriska elektrontransportkedjan (avsnitt 18.3.3). Elektronerna från det reducerade kinonet överförs via en löslig cytokrom c-intermediär, kallad cytokrom c2, i periplasman till cytokromunderenheten i reaktionscentrumet. Elektronflödet är alltså cykliskt. Den protongradient som genereras under denna cykel driver genereringen av ATP genom verkan av ATP-syntas.