Chương 5: Các phức hệ anten và quá trình chuyển hóa năng lượng

Chương 5: CÁC PHỨC HỆ ANTEN VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG I ) Khái niệm chung & khái quát về hệ thống anten: 1. Khái niệm : phức hợp anten là các sắc tố quang hợp tổ chức thành hệ thống thu nhận ánh sáng và truyền năng lượng cho trung tâm phản ứng,nơi mà xảy ra các phản ứng oxy hóa khử để chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. 2. Lịch sử đi tìm khái niệm về anten: • 1932,Emerson và Anold đưa ra những khái niệm đầu tiên về anten bằng các cuộc thí nghiệm. R O B E R T E M E R S O N W IL L IA M A R N O L D ☼từ khoảng 2500 phân tử chlorophyll  1 phân tử O2 (khi cho A’S’ chạy lóe qua) Giải thích: 2500 phân tử chlorophyll tiến hành quang hóa học  sản phẩm kém bền do quá trình diễn ra rất chậm và có sự hiện diện của enzym quang học. • Gaffon&Woht năm 1936 cho rằng là không phải sản phẩm của quá trình quang hóa hay sự hoạt động của enzym tạo ra năng lượng mà do sự chuyển hóa năng lượng từ hạt sắc tố này đến các hạt sắc tố khác • Xuất hiện khái niệm : Đơn vị quang học bao gồm sự tập hợp nhiều sắc tố,trong đó có sự kích thích năng lượng dao động lên xuống trước khi ổn định • Lúc bấy giờ,chưa có phương tiện kỹ thuật nào biết đến. • James Franck & Edward Teller: Trên một bài báo năm 1938,họ đã giới thiệu những khái niệm quan trọng nhưng chủ yếu là để khẳng định việc năng lượng được chuyển hóa giữa những chlorophyll là không thể xảy ra. - Hai ông đã tiến hành các cuộc thí nghiệm. EDWARD TELLER JAMES FRANCK HÌNH ẢNH MÔ TẢ 2 QUAN ĐiỂM CHÍNH CỦA CÁC NHÀ KHOA HỌC II) Các lớp của anten: • Phức hệ Antenna có thể được phân chia thành: - Phức chất anten màng nguyên. - Những phức chất anten màng ngoại vi 2} Phức chất anten màng nguyên: Chứa đựng những Protein đi xuyên qua mô hình hai lớp lipit . Những sắc tố thường được chôn sâu trong màng tế bào 1} Anten màng ngoại vi: Trong anten màng ngoại vi, phức ăng-ten được kết hợp với các thành phần được chôn trong màng tế bào ANTEN MÀNG NGUYÊN MÀNG PHỨC CHẤT ANTEN TÁCH RỜI TRUNG TÂM PHẢN ỨNG (xảy ra quang hóa) Energy • Nhóm cuối cùng của những phức chất anten màng nguyên thường được gọi là những anten ngoại vi**(còn gọi là những anten phụ). • Được tìm thấy thêm khi dần tới lõi. • Nó thường có mặt trong số lượng nhiều, phụ thuộc vào những điều kiện tăng trưởng, và có thể di động được. • Nó thường được tham gia vào quá trình điều chỉnh hệ thống anten. III) Những chức năng vật lý của anten : 1) KHÁI NIỆM • Khái niệm phễu có thể được xem như một cơ chế trong đó một phần năng lượng trong sự kích thích được hy sinh dưới dạng nhiệt trong quá trình năng lượng được chuyển đến trung tâm lưu trữ một thời gian ngắn • Phễu hấp thu tối đa ở các bước sóng ngắn. • Theo hằng số Planck, những trạng thái bị kích động được hình thành bởi những phôtôn bước sóng ngắn. • Quá trình di chuyển năng lượng là từ những chất màu năng lượng cao nằm xa trung tâm phản ứng đến những chất màu năng lượng thấp hơn, nằm gần trung tâm phản ứng hơn. • Với mỗi chuyển đổi, một số năng lượng bị mất đi do nhiệt, và sự kích thích được di chuyển tới trung tâm phản ứng. • Sự kích thích sẽ được chuyển từ những chất màu năng lượng bậc cao đến những chất màu năng lượng thấp hơn • Năng lượng bị mất trong mỗi bước không làm đảo ngược quá trình, vì vậy kết quả cuối cùng của sự kích thích là vào trong trung tâm phản ứng, nơi mà năng lượng được lưu giữ bởi quang hóa học. E N E R G Y • Một hệ thống ăng-ten lớn thì đẳng năng với nơi lưu trữ có thể hút năng lượng tốt, nhưng đa số năng lượng bị mất vì chúng phải “đi lang thang” xung quanh anten trước khi dần dần tìm được đường đến nơi lưu trữ. • Với anten phức chất trực tiếp tương tác với phức chất trung tâm phản ứng, những anten lõi màng nguyên hoặc những anten nóng chảy, mô hình phễu thường hỏng. Trong các tình huống này, năng lượng của một số hoặc tất cả các sắc tố anten thấp hơn một số lần thực tế của nơi lưu trữ, một số năng lượng chuyển giao là cần thiết trước khi năng lượng có thể bị mắc kẹt. Ý nghĩa chức năng của các sắc tố ăng-ten năng lượng chưa được rõ ràng. 2) Các khái niệm của tổ chức anten, “puddles” và “hồ” : • Sự sắp xếp tĩnh của một nhóm sắc tố ăng ten gắn vĩnh viễn với một trong những trung tâm phản ứng được gọi là mô hình “puddle”, hay đôi khi là mô hình "các đơn vị riêng biệt", trong đó có một trung tâm phản ứng duy nhất và anten của nó tạo thành một thực thể độc lập không kết nối theo bất kỳ phản ứng với các trung tâm khác. • Mô hình " hồ " là trường hợp hết sức đặc biệt của sự thông nhau . Trong mô hình này, các trung tâm phản ứng được “nhúng” vào một “hồ nước” của các sắc tố ăng ten, và năng lượng hấp thụ bởi một sắc tố ăng ten có thể được chuyển với sự cân bằng giữa bất kỳ những trung tâm phản ứng trong “hồ”. Nếu một trong những trung tâm đóng cửa để phản ứng quang hoá học, năng lượng có thể được chuyển giao cho một số khác đang mở. Mô hình “hồ” áp dụng đối với nhiều vi khuẩn màu tím. • Các “puddle” và các mô hình “hồ” là trường hợp đặc biệt của tổ chức ăng- ten. Những mô hình "đơn vị kết nối" kết nối những “puddle”, trong đó năng lượng hấp thụ trong một “puddle” có thể được chuyển đến trong sắc tố khác, nhưng với xác suất thấp hơn chuyển giao cho các sắc tố bên trong “puddle”. Mô hình "domain" bao gồm nhiều phản ứng trung tâm trong một “puddle”. 3) Cách phân tích huỳnh quang của tổ chức antenna : Nếu các sắc tố ăng-ten được tổ chức tại một vũng bùn thì sự gia tăng trong huỳnh quang là tuyến tính. Nếu các sắc tố được tổ chức theo mô hình hồ thì sự gia tăng trong huỳnh quang bắt đầu với một dốc chậm khi bẫy được mở và sau đó cong trở lên khi bẫy đã dần dần khép kín, tiêu biểu là hình 5.5a. Sự đo lường và phân tích huỳnh quang là 1 trong những cách thức hữu hiệu để tìm hiểu về hệ thống quang hợp. Mối quan hệ định lượng đơn giản giữa việc quan sát năng suất huỳnh quang và 1 phần nhỏ của các phản ứng trung tâm bên trong để có cái nhìn sâu sắc về tổ chức các sắc tố, được phát hiện đầu tiên bởi Vredenberg và Duysens ( 1963 ) trong đề tài nghiên cứu về vi khuẩn quang hợp màu tím. Sử dụng phân tích động lực tương tự như Stern-derivation Volmer trong Phụ lục, V và D xuất phát theo mối quan hệ đơn giản về định lượng giữa sản lượng huỳnh quang và phân số của bẫy đóng cửa : 1/øf = 1/ø0f – px (5.6) Trong đó, øf là tổng sản lượng huỳnh quang, ø0f là sản lượng huỳnh quang khi tất cả các bẫy được mở, x là một phần nhỏ trong số các bẫy được đóng cửa, và p là hằng số áp dụng cho một sinh vật cụ thể. 1 tập hợp các giá trị 1 / øf đối với x sẽ là 1 đường thẳng, như trong biểu đồ 5.5b. 4) Bằng chứng về sự kích thích trực tiếp huỳnh quang của quang phổ trong việc chuyển giao năng lượng : Một tập hợp các cường độ phát xạ huỳnh quang ở bước sóng cố định so với bước sóng kích thích được gọi là sự kích thích huỳnh quang của quang phổ. Nó là một hành động cho quang phổ phát xạ huỳnh quang. Nếu ánh sáng được hấp thụ bởi một tập hợp các sắc tố và được phát ra bởi một tập hợp khác, năng lượng chuyển nhượng phải đã diễn ra giữa hai nhóm sắc tố. Đối với một sắc tố bị cô lập, sự kích thích huỳnh quang và sự hấp thu quang phổ được đặt lên hàng đầu, bởi vì cách duy nhất để trạng thái bị kích thích của huỳnh quang được đưa đến bởi sự hấp thụ của 1 photon. Bởi khi bình thường hóa, hiệu quả sản xuất huỳnh quang của sắc tố B là được đo dựa theo kích thích trực tiếp của B. Biểu đồ 5.7 hiển thị một sự đo lường hiệu quả chuyển giao năng lượng được đo bằng kỹ thuật này. Trong ví dụ này, hiệu quả của chuyển giao từ bacteriochlorophyll hấp thụ ở 740 nm để bacteriochlorophyll một phát ra tại 900 nm đã đo được 70%. 5) Thuyết chuyển giao năng lượng của Forster : Cơ chế được áp dụng rõ ràng cho các sắc tố có sự tương tác 1 cách yếu ớt là cơ chế Forster, mà lần đầu tiên được đề xuất bởi Thomas Forster trong thập niên 1940. Theo Forster cơ chế chuyển giao năng lượng là một quá trình chuyển giao cộng hưởng không phát xạ. Nó có thể được hình dung một cách tương tự như việc chuyển giao năng lượng giữa hai âm thoa. Đối với chuyển giao này để diễn ra, hai nhánh phải có một số khớp nối giữa chúng. Nó cũng phụ thuộc vào định hướng và khoảng cách tương đối của chúng. Chuyển giao giữa nguồn cho năng lượng và nơi nhận năng lượng xảy ra chủ yếu thông qua một cơ chế Coulumb (lưỡng cực-lưỡng cực), với tỷ lệ hằng số cho bởi Eq 5.7: ke = kf(R0/R) 6 (5.7) Trong đó : ke là tỷ lệ bậc một không đổi thứ tự để chuyển năng lượng từ nguồn cho đến nơi nhận kf là tỷ lệ hằng số cho huỳnh quang của nơi cho năng lượng R là khoảng cách giữa nơi cho năng lượng và nơi nhận R0 là "khoảng cách tới hạn" tại cái mà năng lượng chuyển giao là 50% hiệu suất. R0 được tính bởi Eq 5.8 ( đơn vị là Å 6) ( Cantor and Schimmel, 1980). R0 6 = 8.79 x 10-5JK2n-4Å (5.8) Trong Eq 5.8 : J là năng lượng chồng chéo lên nhau được đưa ra bởi Eq 5.9 n là chỉ số khúc xạ K2 là một yếu tố định hướng, xác định bởi Eq 5.10 dưới đây: J = ∫ ε(λ)FD(λ)λ4dλ (5.9) Trong Eq. 5.9 : ε (λ) là sự mất đi hệ số mol của nơi nhận năng lượng trên phạm vi bước sóng FD(λ) là sự phát xạ của quang phổ bình thường của nơi cho năng lượng. Các tham số trùng nhau được minh họa dưới dạng biểu đồ trong hình 5.8. Cơ sở vật chất cơ bản là nơi cho và các phân tử nơi nhận phải có trạng thái năng lượng chung, bởi vì khi kích thích những bước nhảy từ nơi cho đến nơi nhận, năng lượng phải được bảo tồn sau khi chuyển. Điều này có thể được như vậy chỉ khi 2 phân tử có 1 trạng thái năng lượng chung và do đó có sự chuyển tiếp quang phổ ở bước sóng đó. Yếu tố định hướng K được xác định rõ bởi : K2 = (cosα – 3cosβ1cosβ2) 2 (5.10) Trong đó : α là góc giữa hai lưỡng cực chuyển tiếp βs là những góc độ giữa mỗi lưỡng cực và đường thẳng mà chúng tham gia. R0 phụ thuộc vào khả năng của cả nơi cho và nơi nhận năng lượng, do đó, cả hai phải dựa theo lí thuyết để có thể báo giá một giá trị. Bảng 5.2 là danh sách các giá trị tiêu biểu của R0 giữa cholorophyll và bacteriochlorophylls (giả sử K2 = 1). Kích thích chuyển về bản chất là một quá trình có khoảng cách dài hơn là chuyển giao điện tử. Nhưng trong thực tế, các cấu trúc của các phức ăng ten chắc chắn được điều chỉnh bởi sự tiến hóa để giảm thiểu các quá trình chuyển giao điện tử ở trạng thái kích thích. Điều này được thực hiện bằng cách tách các sắc tố một khoảng cách quá lớn để cho phép chuyển giao điện tử nhanh chóng, trong khi đồng thời giữ cho chúng đóng đủ để chuyển giao năng lượng hiệu quả và cuối cùng mang nó đến trung tâm phản ứng. 6) Sự kết nối kích thích tử: •Khi các sắc tố cùng loại mà chlorophylls thường ít hơn 10Ǻ , sự tương tác giữa chúng được biểu hiện theo một cách khác, gọi là sự kết nối kích thích tử •Các quang phổ hấp thụ của các sắc tố được tách ra và thường là một quang phổ vòng tỏa hai sắc được quan sát. •Những mức năng lượng của một monomer và một dimer tách kích thích tử được thể hiện trong hình 5.9a. Độ lớn của sự phân cách và cường độ của hai quá trình chuyển đổi phụ thuộc vào khoảng cách của các sắc tố, cũng như định hướng tương đối của quá trình chuyển đổi lưỡng cực trong một thời gian ngắn, được biểu hiện trong một số ví dụ ở hình 5.9b. Hình 5.9 (a) Sơ đồ năng lượng của một monomer và một dimer tách kích thích tử. (b) Kích thích tử quang phổ của hai sắc tố ở các hướng khác nhau. 7) Mối quan hệ của sự truyền năng lượng Forster (Truyền cộng hưởng) với sự liên kết các kích thích tử: • Chúng ta có hai hình thức về sự tương tác giữa các sắc tố: hình thức truyền năng lượng Forster thích hợp với khoảng cách dài và sự tương tác yếu, và hình thức các kích thích tử, thích hợp với khoảng cách ngắn và sự tương tác mạnh. • Cả việc truyền năng lượng Forster và sự truyền năng lượng của kích thích tử đều rất cần thiết để giúp ta hiểu về phức hợp Ăng ten trong quang hợp, được minh họa bằng ví dụ cụ thể bên dưới. 8) Những mô hình bẫy – sự kết nối của phức hệ Ăng ten tới trung tâm phản ứng: • Một bước quan trọng trong quá trình lưu trữ năng lượng là sự kết nối của trung tâm phản ứng đến Ăng ten • Thời gian tồn tại trạng thái kích thích của hầu hết các màng Ăng ten quang hợp kết nối với trung tâm phản ứng là vào thứ tự của một vài chục đến hàng trăm picoseconds • Nếu xác suất của sự kích thích năng lượng thoát ra từ cái bẫy này tương đối nhỏ, thì một kích thích cũng trở thành hạn chế trong lõi trung tâm phản ứng sắc tố, nó hầu như luôn duy trì sự ổn định của quang hóa học, hệ thống này được mô tả như một cái bẫy sâu. • Nếu cái bẫy nông, xác suất dập tắt trạng thái kích thích bởi quang hóa học là thấp hơn nhiều so với xác suất thoát của sự kích thích trở lại vào mạng Ăng ten. • Trường hợp cuối cùng, khi bẫy cực kì nông điện tử này trở lại trạng thái kích thích tái tạo các sắc tố cốt lõi của trung tâm phản ứng, và kích thích sau đó không bẫy trở lại vào hệ thống Ăng ten. IV) Cấu trúc và chức năng của phức hợp Ăng ten: • Chúng ta sẽ thảo luận về một số khía cạnh cấu trúc và chức năng của hệ thống Ăng ten đã được tìm thấy trong một số các sinh vật khác nhau. • Các sắc tố quang hợp tổ chức thành hệ thống thu nhận ánh sáng gọi là các phức hợp Ăng ten. • Các phức hợp Ăng ten thu nhận ánh sáng và truyền năng lượng cho trung tâm phản ứng. Trung tâm phản ứng là nơi xảy ra các phản ứng oxy hóa khử chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. 1) Vi khuẩn tía LH2 và LH1: • Vi khuẩn quang màu tía có một hệ thống Ăng ten đã được nghiên cứu rộng rãi. Trong hầu hết các sinh vật, nó bao gồm hai loại sắc tố- protein gọi là phức hợp nhận ánh sáng 1 và 2,LH1 và LH2 • LH2 được tìm thấy trong vi khuẩn quang hợp tía. Cấu trúc LH2 đã được xác định bằng X-quang nhiễu xạ (Hình 5.10) Hình 5.10 Cấu trúc của các phức hợp LH2 trong Rhodopseudomonas acidophila. (a) và (b), xem song song với mặt phẳng màng, có và không có protein hiển thị. (c) và (d), xem vuông góc với mặt phẳng màng, có và không có protein hiển thị. LH2 được tạo nên từ các đơn vị tối thiểu bao gồm một heterodimer của hai đơn phân protein, được gọi là α và β peptide, cùng với ba phân tử của bacteriochlorophyll và một phân tử trong carotenoid. Những đơn phân này sau đó tổng hợp thành phức hợp lớn hơn, trong đó có tám hoặc chín đơn phân tập hợp lại thành các đơn vị hình vòng tròn có kích thước gần bằng 65Ǻ. • Một số các sắc tố bacteriochlorophyll trong LH2 là quang phổ khác biệt với những quang phổ khác. Điều này dễ dàng nhận thấy trong quang phổ hấp thụ của phức hợp này, được thể hiện qua hai đường ở vị trí 800 và 850nm (Hình 5.11). Hình 5.11 Quang phổ hấp thụ của LH1 với trung tâm phản ứng và phức hợp Ăng ten LH2 từ Rhodopseudomonas acidophila 10.050. •Cấu trúc của phức hợp đã đưa ra một lời giải thích rõ ràng cho cả hai loại sắc tố. Các sắc tố hấp thụ tại 800nm tạo thành một vòng trên bề mặt của các phân tử bacteriochlorophyll song song với mặt phẳng của màng tế bào mà phức hợp được đính vào bên trong và được gọi là sắc tố B800. Những sắc tố B800 liên kết với nhau khá yếu và khoảng cách giữa chúng là 21Ǻ. Những đặc tính quang phổ của chúng phần lớn phù hợp với các phân tử độc lập của chúng. • Các sắc tố hấp thụ tại 850nm được bố trí khá phức tạp. Mỗi phức hợp đơn phân có hai phân tử của bacteriochlorophyll được bố trí như một dimer liên kết chặt chẽ, với mặt phẳng của các phân tử bacteriochlorophyll B850 vuông góc với mặt phẳng của màng tế bào. Những dimer này được tạo thành từ một dải 16 hoặc 18 sắc tố khi những phức hợp đơn vị tiểu phần tập hợp lại vào phức hợp LH2, và sự hấp thụ được chuyển sang 850nm bởi kích thích và sự tương tác của sắc tố - protein, do đó chúng được gọi là sắc tố B850. •Các phân tử carotenoid có hình dạng lớn và thường nằm vuông góc với mặt phẳng của màng tế bào, với khoảng cách gần (3,4-3,7Ǻ) đến các sắc tố B800 và B850. • Lõi Ăng ten của phức hợp LH1 trong vi khuẩn quang màu tía tương tự với phức hợp Ăng ten LH2 nhưng có sự khác biệt rõ ràng. LH1 bao quanh phức hợp trung tâm phản ứng như một chiếc bánh rán lớn, trong đó trung tâm phản ứng bị nhét vào bên trong lỗ. Cấu trúc của phức hợp LH1 tương tự như cấu trúc của phức hợp LH2, nhưng số lượng lớn hơn, với khoảng 16 đơn phân α-β kết hợp để tạo thành phức hợp LH1 cuối cùng. Không có các sắc tố trong LH1 tương tự như các sắc tố B800, và sự hấp thụ của dải các sắc tố tương tác được chuyển sang 875nm; được gọi là đơn phân các sắc tố B875. Một đơn phân của LH1 bao gồm một liên kết peptide và hai phân tử bacteriochlorophyll đã được tái tạo từ các thành phần tinh khiết (Loach và Parkes-Loach,1995). Nó có sự hấp thụ tối đa ở 820nm, sự hấp thụ sẽ chuyển sang 875nm khi các đơn phân tổng hợp lại với nhau để tạo thành phức hợp LH1 ban đầu. Phức hệ LHCII của thực vật và tảo _ LHCII được liên kết với photosystem 2 và đóng một vai trò quan trọng trong các quy định của hệ thống ăng ten. Carotenoids cũng là thành phần của LH1 vi khuẩn và phức LH2. Kích thích của các carotenoid tiếp theo là chuyển siêu tốc đến bacteriochlorophylls. Đo động lực trong LH2 cho thấy rằng trong một số trường hợp, việc chuyển năng lượng đển bacteriochlorophyll là do S2 kích thích trạng thái của carotenoid, trong khi ở những cái khác do S1 kích thích trạng thái. structure of the LHC II antenna complete of agae and plants with 300 chlorophyll molecules A. Trimer viewed from its stromal surface B, monomeric subunit. Chlorphyll a (green), chlorophyll b (blue), xanthophylls (yellow). Structure of the LHCII antenna complex of algae and plants bao gồm ba đường xoắn ốc transmembrane phối hợp 7 phân tử diệp lục a và 5 ptử của diệp lục b ,hai lutein carotenoid phân tử sắp xếp theo một khuôn mẫu "X" Chlorophyll b carotenoid Chlorophyll a Phycobilisomes Phycobilisomes là anten thu sáng của photosystem II trong vi khuẩn lam, tảo đỏ và glaucophytes. Phycobilisomes là phức hợp protein (lên đến 600 polypeptide) định khu trong stroma, trong 1 số trường hợp chúng neo vào màng thylakoid. . Mỗi phycobilisome bao gồm một lõi làm bằng allophycocyanin, từ đó một số thanh định hướng bề ngoài được làm bằng các đĩa chồng của phycocyanin và phycoerythrin (s) hoặc phycoerythrocyanin Phycobiliprotein hấp thu tối đa huỳnh quang trong phạm vi có thể nhìn thấy ánh sáng. Do đó, sự hiện diện của chúng và sắp xếp trong phycobilisomes cho phép hấp thụ và chuyển năng lượng ánh sáng của photosystem II. Peridinin - chlorophyll protein PCP Peridinin là một carotenoid thu sáng - một sắc tố liên kết với chlorophyll và tìm thấy phức hệ thu sáng PCP( peridinin- chlorophyll protein) trong dinoflagellates, phức hệ PCP chứa tỷ lệ peridinin cao hơn chlorophyll ; hầu hết phức hệ thu sáng có chứa nhiều chlorophyll hơn carotenoids, nhưng PCP chứa 8 peridinin và 2 phân tử chlorophyll. structure of the peridinin - chlorophyll protein The peridinin-chlorophyll-protein light-harvesting complex. The peridinin molecules are pink and the chlorophyll molecules are black. Structure of the peridinin-chlorophyll pro. from the dinoflagellate Amphidinium carterae. a. Structure of the complete PCP trimer complex, including 32 peridinin and 6 chlorophyll pigments and 6 bound lipits b. View of the arrangement of the pigments in one domain of one monomer, including one chlorophyll and four peridinin pigments. Chlorosome và FMO protein _Vi khuẩn quang hợp màu xanh lá có chứa một ăng-ten lớn, phức hệ được biết đến như là một chlorosome. _Chlorosome này được gắn vào tế bào chất của tế bào và chứa lên đến 10.000 phân tử bacteriochlorophyll c, d hay e. Các sắc tố được tổ chức thành oligomers lớn với sự tham gia của protein( tương đối ít) cuốn lại. _Tương tác trực tiếp giữa sắc tố và sắc tố có nhiệm vụ cho sự hình thành oligom