Fotosystemer

I den fotosyntetiske elektrontransportkjeden hos planter er det to fotosystemer, fotosystem I (FSI) og fotosystem II (FSII), som er bundet sammen i serie. Hvis fotosystemene med tilhørende elektrontrontransportkjede plasseres på en skala etter deres midtpunktsredokspotensial får vi et Z-skjema. Midtpunktredokspotensialet E_m er målt med lik konsentrasjon av oksidant og reduktant, og er protoner (H⁺) involvert er det målt ved pH7, E_m,7. Z-skjema beskriver transportveien for elektroner fra vann til NADP⁺. I fotosystemene er det plassert  antenneklorofyller (klorofyll b og klorofyll a) bundet til proteinkomplekser i et lyshøstende system. Lysenergien absorberes av antenneklorofyllene blir overført til et reaksjonssenterklorofyll a, kalt P680 for fotosystem II og P700 for fotosystem I. P står for pigment, og tallene angir i nanometer (nm) hvor klorofyllene har sine absorbsjonsmaksima. Det er i reaksjonssenteret de primære fotokjemiske redoksreaksjonene skjer. Vannspaltingen foregår i tilknytning til fotosystem II, som er en vann-plastokinon oksidoreduktase. Med bare rødt lys er det fysisk umulig å flytte elektroner og protoner fra vann over til NADP⁺ i ett trinn, og derfor behøver plantene to fotosystemer. Den ekstra energien som blått lys har i forhold til rødt kan ikke utnyttes og avgis som varme ved at eksitert klorofyll (2. singlett) omdannes til 1. singlett klorofyll. Elektrontransportørene benytter jernparet Fe³⁺/Fe²⁺ i cytokromer,  jernsvovelkomplekser (FeS_x) og ferredoksin, samt  kobberparet Cu²⁺/Cu⁺ som nngår i plastocyanin. Mens transisjonsmetallene bare kan frakte ett elektron ad gangen kan kinoner frakte to elektroner og to protoner ad gangen.

Ikkesyklisk og syklisk elektrontransport i fotosyntesen hos høyere planter (Z-skjema).

Lys samlet i reaksjonssenter II brukes til å eksitere reaksjonssenterklorofyll P680 til P680*. Eksitert reaksjonssenterklorofyll P680* er en kraftig elektrondonor og avgir et elektron til feofytin som går videre til kinoner (Q_A og Q_B). Dette gir en ladningsseparasjon og elektronet er fanget. P680⁺ som har avgitt et elektron får  tilbake elektroner fra vann. Lyset som brukes i fotosyntesen har ikke nok energi til å flytte elektroner fra vann til NADPH i ett trinn, og det må derfor skje via to fotosystemer som hos plantene og blågrønnbakteriene, men anaerobe fotosyntetiske bakterier klarer seg med bare ett fotosystem. Kinoner er viktig for samtidig transport av elektroner og protoner.Det er mulighet for transport av 2 elektroner og 2 protoner . Reaksjonssenterklorofyll P700 eksiteres i fotosystem I.  Elektrontransporten og protongradienten over tylakoidmembranen brukes til å lage kjemisk energi (ATP) og reduksjonskraft (NADPH).   Elektrontransporten skjer via stoffer som inneholder jern, kobber eller kinoner. Kinoner kan til tillegg frakte protoner. Kjemisk energi (ATP) og reduksjonskraft (NADPH) brukes til å redusere 3-fosfoglycersyre i fotosyntesens CO₂-assimilasjon (Calvin-Benson-Bassham-syklus).

Z-skjema hvor elektrontransportørene i fotosyntesens lysreaksjon er plassert på en midtpunktsredoksskala med måleenhet volt (V). De mer reduserende stoffene (mer negativ E_m) er på toppen av aksen og de mer oksiderende stoffene er på bunnen av skalaen med en mer positiv E_m. Eksitering av klorofyll fra grunntilstand til eksitert nivå ved hjelp av lysenergi er vist med vertikale piler. Z-skjema viser både ikke-syklisk og syklisk elektrontransport. DCMU er et eksempel på et ugrasmiddel (herbicid) som binder seg til Q_B-proteinet og blokkerer elektrontransporten.

Fotosyntese med vann som elektronkilde og med to fotosystemer har utviklet seg bare en gang under evolusjonen. De to fotosystemene hos plantene har sannsynligvis utviklet seg fra anaerobe fotosyntetiske bakterier. Fotosystem I fra grønne svovelbakterier og fotosystem II fra purpurbakterier. Purpurbakteriene kobler pH gradienten til å drive elektrontransportkjeden baklengs for å lage NADH. Anaerobe fotosyntetiske bakterier bruker NADH som reduksjonskraft fra fotosyntesen, mens plantene bruker NADPH.

Vannspaltingen er lokalisert til det oksygenutviklende kompleks i fotosystem II hvor bl.a. en manganklynge (Mn₄Ca) og en spesiell tyrosin med sin hydroksylgruppe, Tyr_z(Y_z)  inngår. To vannmolekyler (H₂O) kobles sammen og det dannes oksygen (O₂) og 4 hydrogenatomer (H). Hvert hydrogenatom består av et elektron og et proton.Vann er en svak reduktant, mens oksygen (O₂) er en kraftig oksidant.  For å kunne utføre oksidasjon av vann trengs et stoff med mer positivt redokspotensial, og denne kraftige oksidanten er P680⁺ som blir laget i fotosystem II. Midtpunktsredokspotensialet for halvreaksjonen redoksparet P680⁺/P680 er 1.1 V, mens vannspaltingen befinner seg ved 0.82 V . Redokspotensialet for halvreaksjonen P680*/P680⁺ er -0.7V. Eksitert reaksjonssenterklorofyll P680* overfører et elektron til feofytin som derved blir redusert til feofytin^-.

P680* + feofytin → P680⁺ + feofytin^-

Det er dette trinnet som er ladningsseparasjonen i fotosyntesen hvor lysenergien blir fanget og omdannet til kjemisk energi i løpet av picosekunder. Fra feofytin^- blir elektronet trinnvis overført via kinoner Q_A/Q_A^- og Q_B/Q_B^- til redusert plastkinon (PQH₂). Den fysiske tredimensjonale plasseringen av elektrontransportørene og proteiner i reaksjonssenteret gjør at elektronet blir fanget i feofytin og ikke faller tilbake til P680⁺, heller ikke via Q_A- og Q_B^- . Imidlertid har halvreaksjonen oksygen/superoksidantion (O₂/O₂•^-) redokspotensial -0.3 V, og jern-svovelkomplekser FeS_x i fotosystem I har mulighet til å redusere oksygen i en Mehler-reaksjon. En vann-vannsyklus hvor superoksid dismutase og askorbat peroksidase deltar. Elektrontransportørene i fotosystem er et klorofyll (A₀) og et fyllokinon (A₁).

Klorofyll a har en metylgruppe (-CH₃) festet til C7, i stedet for formyl-gruppen (-CHO) i klorofyll b. Feofytin har ikke Mg²⁺ chelatert i kjernen.

Tilbake til hovedside