A kloroplasztisz felépítése magasabbrendű növényekben

A magasabbrendű növények sejtjeiben a kloroplasztiszt egy boríték (envelope) határolja, mely két membránból áll. A két membrán egymással nem érintkezik, és mind a lipid-összetétel, mind pedig a transzport-sajátosságok tekintetében különböznek egymástól. A borítékon belül helyezkedik el a kloroplasztisz belső állománya, amit sztrómaállománynak, vagy sztrómának nevezünk. Itt mennek végbe a fotoszintézis ún. sötét-szakasza, azaz a cukor-bioszintézis enzimatikus lépései. Ugyanitt található a kloroplasztisz cirkuláris DNS-e és a riboszómák is. A sztrómaállományba ágyazódik a kloroplasztisz belső membránrendszere, a tilakoidrendszer. Ez magasabbrendűekben általában két típusú tilakoidra, a magányos sztróma-lamellákra és az egymással összetapadó gránumokra különül (14-15. ábrák).

14. ábra

15. ábra

Vannak azonban kivételek, pl. a kukorica (Zea mays) edénynyalábjait körülvevő, ún. nyalábhüvely-sejtekben a plasztiszok strukturálisan és funkcionálisan egyaránt redukáltak, bennük csak sztrómalamellák fordulnak elő.

A tilakoidmembrán finomszerkezetének felderítésére folytatott vizsgálatok kimutatták, hogy ezek a membránok sok vonatkozásban eltérnek a többi ismert biológiai membrán sajátságaitól. Egyik legfontosabb különbség a tilakoid-membránok sajátos lipid- és zsírsav-összetételéből adódik. Ezekben a membránokban ugyanis foszfolipidek helyett döntő többségben galaktolipideket találunk, monogalaktozil-digliceridet (MGDG) és digalaktozil-digliceridet (DGDG). A foszfolipidek közül főleg foszfatidil-glicerin fordul elő jelentősebb mennyiségben. A lipidekben előforduló zsírsavak képezik a másik fontos különbséget, a tilakoidmembrán lipidjeiben ugyanis dominálnak a többszörösen telítetlen zsírsavak, mindenekelőtt a linolénsav (18:3) és a linolsav (18:2). Mint azt a membránokról szóló fejezetben megtárgyaltuk, a telítetlen kettőskötések fokozzák a membrán fluiditását. Ennek megfelelően a sajátos zsírsav-összetétel miatt a tilakoid-membránok a kifejezetten fluid membránok közé tartoznak. Ennek számos fontos vonatkozása van a fotoszintézis fényigényes szakaszában, ami tulajdonképpen egy integrált membránfolyamat.

A tilakoidmembrán lipidrégiójába ágyazódva helyezkednek el a membránfehérjék, amelyek közé a klorofill-fehérje komplexek, a vízbontó rendszer (Mn-tartalmú komplex enzimrendszer) tagjai, az elektron-transzportlánc komponensei (plasztokinon, citokróm komplex, stb.) és az ATP szintézisét végző ATP-szintáz tartozik. A klorofill-fehérje komplexek a fotoszintézis egyik leglényegesebb komponensei. Szigorú értelemben véve két különböző jellegű fehérje tartozik ide, egyrészt a fotokémiai rendszerek vagy fotoszisztémák klorofill-fehérje komplexei, másrészt a fény-begyűjtő klorofill-fehérje komplex (Light-Harvesting Chlorophyll-Protein complex, LHCP). A fotoszisztémákban történik meg a fényenergia összegyűjtése és megy végbe a fotokémiai alapfolyamat, míg az LHCP feladata a gránumlamellák összetartása és a gerjesztési energia eloszlásának optimalizálása.

A fotoszintézisben két fényreakció megy végbe, melyeket fizikailag is elkülöníthető két klorofill-fehérje komplex katalizál. Ezekben a klorofill-fehérje komplexekben történik meg a fotoszintetikusan aktív fény elnyelése és a primer fotokémiai folyamat. A fény egy speciális klorofill-molekulához, az ún. reakciócentrum klorofillhoz jut és ott elnyelődik. A fény elnyelését követően a klorofill-molekula gerjesztett állapotba kerül, azaz egyik elektronja egy, az atommagtól távolabbi pályára ugrik, ahol az atommag vonzóhatása kevésbé érvényesül és így az elektron könnyebben el tud szakadni, és egy közelben levő akceptormolekulára kerül. A klorofill-molekulában keletkező elektron-hiány úgy pótlódik, hogy egy közelben levő donor-molekuláról egy szabad elektron kerül át az elektron-hiányos klorofillra. Ily módon a klorofill változatlan formában marad, mégis létrejött egy donor-akceptor pár, ami a fotokémiai folyamat alapja.

A két fényreakció más-más hullámhosszú fénnyel működik, és más a szerepe is. Az első fényreakció során a NADP+ redukciója történik meg, amit az 1. fotokémiai rendszer (PS1) klorofill-fehérje komplexe végez. A második fényreakció során a víz bontására és abból elektron eltávolítására kerül sor a második fotokémiai rendszer (PS2) klorofill-fehérje komplexének tevékenysége révén. Az LHCP elsősorban a gránumok összetapadó régiójában fordul elő és döntő szerepe van a gránumlamellák összetartásában. Az LHCP-ben található klorofill-molekulák ugyancsak elnyelik a fényt, azonban az LHCP-ben nincs reakciócentrum klorofill, funkciója nem a fotokémiai folyamat beindítása. Az LHCP speciális kiegyenlítő funkciót tölt be.

Olyan megvilágítási viszonyok esetén, amikor egyik fotokémiai rendszer több fényenergiához jut, mint a másik, az energiában gazdagabb fotoszisztéma károsodhat és előbb-utóbb a fotoszintézis egész folyamatsora leáll. Ennek elkerülésére a fotoszintézis zavartalanságának fenntartásához szükség van a két fotokémiai rendszer közötti energia-különbség kiegyenlítésére. Ezt a létfontosságú funkciót végzi az LHCP. Az LHCP-molekulák a gránum-tilakoidok integráns fehérjéi, melyek felületén negatív töltések találhatók. Normális körülmények között ezekhez a negatív töltésekhez elektrosztatikusan Mg2+-ionok kapcsolódnak úgy, hogy két vegyértékükkel két szomszédos gránum-lamella LHCP-molekuláját kötik össze. Tulajdonképpen ez az ionikus kölcsönhatás biztosítja a gránumok hosszútávú egymáshoz tapadását.

Amikor az egyik fotokémiai rendszer több fényenergiát abszorbeál, mint a másik, ez az egyensúlytalanság egyfajta alarm-szignálként szolgál a kloroplasztiszban és egy reakció-sorozatot indít be. Ennek eredményeként LHCP-specifikus kinázok aktiválódnak, és foszforilálni kezdik az LHCP molekulákat. A foszforiláció során negatív töltésű foszfátcsoportok rakódnak az LHCP-molekulákra, így azokon több lesz a negatív töltés, ami felborítja a Mg2+-ionok és az LHCP-molekulák közötti elektrosztatikus egyensúlyt. Emiatt a szomszédos gránum-lamellákban levő LHCP-molekulák közötti kapcsolat lazul, és így az LHCP-molekulák elmozdulhatnak a tilakoidmembránban. Ez kulcsfontosságú mozzanat a gerjesztési energia eloszlásának kiegyenlítése szempontjából. A membránban szabadon elmozduló LHCP-molekulák ugyanis fizikailag asszociálódnak az energiában szegényebb fotoszisztémával és átadják neki fényenergiájukat. Az egyensúly helyreállása után az alarm-reakció leáll és ezzel párhuzamosan LHCP-specifikus foszfatázok aktiválódnak, amelyek lehasítják az extra foszfátcsoportokat az LHCP-molekulákról, így az eredeti elektrosztatikus “status quo” helyreáll (16-19. ábrák).

16. ábra

17. ábra

18. ábra

19. ábra

A tilakoidmembránok kétségkívül legkarakterisztikusabb komponensei a fotoszintetikus pigmentek, amelyek közül jól ismert komponensek a klorofillok, kevésbé jól ismert, de ugyancsak igen fontos komponensek a különböző karotinoid-típusú pigmentek. A pigmentek nem szabadon, hanem fehérjéhez kötött formában fordulnak elő a tilakoidmembránban. Többféle klorofillt ismerünk, amelyek mindannyian Mg-tartalmú pirrolgyűrűből állnak, melyhez egy 20-szénatomos alkohol, a fitol kapcsolódik észteresítő komponensként (20. ábra).

20. ábra

Az egyes klorofillok közötti különbséget a pirrolgyűrű oldalláncainak szerkezetbeli eltérése okozza. A különböző klorofillokat az ABC betűivel jelölik, így létezik klorofill-a, -b, -c és -d. Magasabbrendű növényekben csak klorofill-a és -b fordul elő, klorofill-c és -d csak alacsonyabbrendű algákban található. A magasabbrendű növények kloroplasztiszaiban a klorofill-a és -b nem ugyanakkora mennyiségben van jelen, általában 3-szor annyi a klorofill-a, mint a klorofill-b.

A klorofill-molekulák zöld színe abból adódik, hogy kék és vörös fényt nyelnek el, a látható spektrum zöld tartománya az, amelyből a legkevesebb fényt abszorbeálják. A fény elnyelését követően a klorofill-molekulák gerjesztett állapotba kerülnek, amelynek lecsengésére több lehetőség jöhet számításba.

  1. Lehetőség van a gerjesztési energia (sugárzásmentes) átadására egy szomszédos klorofill-molekulának. Ez a folyamat megy végbe az ún. antenna-rendszerben, azaz a klorofill-molekulák döntő részében.

  2. Az antenna-rendszer csúcsán található reakciócentrum-klorofillokban a gerjesztési energia töltésszétválasztást hoz létre, létrejön egy primer elektron donor-akceptor pár és ezzel megindul a fotoszintetikus elektron-transzport.

  3. A gerjesztési energia egy része hővé alakulhat.

  4. A klorofill-molekulák jelentős része az elnyelt fényenergiát visszasugározza, ezt a jelenséget fluoreszcenciának nevezzük. A klorofill-molekulák vörös fényt bocsátanak ki, amelynek intenzitása a fotoszintetikus folyamat hatékonyságával fordított arányban álló paraméter: minél intenzívebb a fotoszintézis, annál inkább az energiaátadásra és a fotokémiai reakcióra fordítódik a gerjesztési energia és annál kevésbé a fluoreszcenciára. A klorofill fluoreszcenciája fontos védekező-mechanizmus, egy lehetőség arra, hogy a gerjesztett állapot akkor is le tudjon csengeni, amikor valamilyen oknál fogva az energiaátadás vagy a fotokémiai folyamat gátolt. A klorofill fluoreszcenciája emiatt a fotoszintetikus aktivitás nyomonkövetésének egyik jól tanulmányozható, megbízható paramétere, amelyet napjainkban széles körben felhasználnak. Segítségével többek között a fotoszintetizáló apparátus épsége és működőképessége tanulmányozható, de a módszer alkalmas gyomirtószerek hatékonyságának és növényfajok stressztűrő-képességének vizsgálatára is.

A karotinoid-típusú festékek közé karotinok és xantofillok tartoznak. Ezek 40 szénatomos poli-izoprén vegyületek, amelyek konjugált kettőskötéseket tartalmaznak. A xantofillok oxigén-tartalmú karotin-származékok. A karotinoidok funkciói közé tartozik a fényelnyelés, az energiaátadás és a védőfunkció. A karotinoidok maguk is pigmentek, tehát elnyelnek fénykvantumokat. Színük (és így abszorpciós színképük) alapján olyan hullámhosszú fényt nyelnek el, amit a klorofillok nem, és az általuk abszorbeált fényenergiát átadhatják a klorofilloknak. Szükség esetén azonban át is vehetik a gerjesztett klorofill-molekulák energiáját, ezzel jelentősen hozzájárulnak ahhoz, hogy a klorofillok gerjesztett állapota lecsengjen és ne okozzon maradandó károsodást.

A fotoszintézis folyamatát szokás két élesen különálló szakaszra osztani, az ún. fényszakaszra és a sötétszakaszra. A fényszakasz tulajdonképpen egy integrált membránfolyamat, a sötétszakasz pedig a sztrómában oldott enzimfehérjék működésének eredménye. A fényszakasz lényege az ATP és a NADPH szintézise fotonok energiájának terhére, míg a sötétszakaszban a cukor-bioszintézis enzimatikus lépései zajlanak le a fényszakaszban megtermelődött ATP és NADPH felhasználásával (21. ábra).

21. ábra

Az egész fotoszintetikus "nagyüzem" a fényenergia csapdázásával indul. A fotoszintetikus pigmentek ebben döntő szerepet játszanak. Az egyes fotokémiai rendszerekben a pigmentek között jellegzetes munkamegosztás figyelhető meg: a gerjesztési energia felvételét a klorofillok milliói végzik, ezeket szokás "antenna-pigmenteknek" vagy "antenna-klorofilloknak" nevezni. Az általuk abszorbeált fényenergia vándorol a pigmentrendszerben és egy kitüntetett klorofillmolekulához, az ún. reakciócentrumhoz jut. A reakciócentrumok a fotokémiai reakció helyszínei, ahonnan a fényenergia tovább már nem adódik, hanem fotokémiai folyamat elindítására fordítódik és így hasznosul. A fotokémiai reakció eredményeként töltés-szétválasztás megy végbe és egy elektron-donor-akceptor pár keletkezik. A reakciócentrum-klorofillról ilymódon leszakadt elektron belép az elektron-transzportláncba és továbbszállítódik a NADP+ felé. A NADPH/NADP+ rendszer redoxpotenciálja -340 mV, azaz igen nagy negatív érték. Mivel az elektron önmagától mindig csak negatívabb redox-potenciálú komponensről pozitívabb redox-potenciálú komponens felé mozog és sohasem az ellenkező irányban, beláthatjuk, hogy ilyen negatív (-340 mV-os) redox-potenciál felé mozgatni elektronokat hallatlanul energia-igényes dolog. A fotonok energiája ezt teszi lehetővé.

A fotoszintézis során tulajdonképpen ugyanaz az elektródfolyamat megy végbe, mint amit a mitokondriumok bioenergetikájánál megtárgyaltunk, egyetlen nagy különbséggel: ellenkező irányban. Itt az O2-elektród +820 mV-os redox-potenciáljáról kell az elektronokat "felvinni" a NADPH/NADP+ rendszer -340 mV-os redox-potenciáljára. Ez a +1160 mV olyan tetemes redoxpotenciál-különbség, hogy lekűzdéséhez egyetlen (látható hullámhossz-tartományba tartozó) foton energiája nem is elégséges, így két fényreakció és az azokat végző két sorbakapcsolt fotokémiai rendszer gondoskodik a folyamat energetikai hátteréről.

Mindkét fotokémiai rendszerben a foton energiája egy-egy kitüntetett klorofillmolekula (reakciócentrum) gerjesztésére hasznosítódik. A 2. fotokémiai rendszer (PS II) által abszorbeált (elnyelt) foton energiája a víz bontására hasznosítódik, melyből a tulajdonképpeni hasznos termék az elektron és a proton. Az elektron pótolja a gerjesztés és az azt követő töltés-szétválasztás miatt a reakciócentrum-klorofillról eltávozott elektront, a proton pedig átjut a gránum-tilakoid membránján, és bekerül annak belső kompartmentjébe (lumenébe). Itt a protonok felhalmozódása teremti meg azt az elektrokémiai potenciálkülönbséget (), amely az ATP szintézisére felhasználódhat. A víz bontásának harmadik terméke, az oxigén, a fotoszintézis szempontjából nem hasznosul, a folyamat mellékterméke.

Az abszorbeált fénykvantum hatására a 2. fotokémiai rendszer reakciócentrum-klorofilljáról leváló elektronok redox-potenciálja az oxigén-elektród +820 mV-os redox-potenciáljáról kb. 0 mV-ra "emelkedik". Ez az érték már kellően „negatív” ahhoz, hogy ennél pozitívabb redox-potenciálú komponensek számára elektron-donorként funkcionáljon. Az innen elinduló elektront egyre pozitívabb redox-potenciálú tagok veszik át és adják tovább. Az elektrontraszport-lánc komponensei, a plasztokinon, plasztocianin és citokrómok egyre pozitívabb redox-potenciáljuk alapján “állnak sorban” és átveszik az elektront a sorban előttük álló, negatívabb redox-potenciálú tagtól, majd átadják azt a sorban utánuk álló, pozitívab redox-potenciálú komponensnek. Így jut el az elektron az 1. fotokémiai rendszer (PS I) reakciócentrum-klorofilljához. Itt egy újabb foton elnyelése történik meg, és az elektrontranszport-lánc “felugrik” a –400 mV körüli hallatlanul negatív értékre, ahonnan további elektrontranszport-komponenseken keresztül (pl. ferredoxin) a NADP+-ra kerül az elektron. Az elektron és a közegben jelenlevő proton jelenlétében a NADP+-ből NADPH lesz, ami a fényszakasz egyik terméke.

A fényszakasz másik terméke, az ATP, a mitokondriumban lezajló foszforilációhoz nagyon hasonlóan, kemiozmotikus úton szintetizálódik. A kloroplasztiszban is a H+ ionok elektrokémiai potenciál-különbsége szolgáltatja az ATP szintézisének energetikai fedezetét. A döntő különbség az, hogy a kloroplasztiszban végbemenő ATP-szintézis nem kötődik oxigén felhasználásához, de itt is az intramembrán elektron-transzport és az ehhez kapcsolódó transzmembrán proton-pumpálás képezi a folyamat két lényegi összetevőjét. Az elektronok forrása a víz és a fényenergia az, ami az elektronokat kellően magas (nagy negatív számértékű) redox-potenciálra emeli. Innen az elektronok az elektrontranszport-láncon keresztül energetikailag “hegyről lefelé” vándorolnak a tolakoidmembránban levő komponenseken keresztül, és a lánc bizonyos tagjai közötti redox-potenciál-különbség terhére H+ ionok pumpálódnak keresztül a gránum-tilakoidok membránján. A protonok mindig a gránum-tilakoid által körülzárt tér (lumen) belseje felé pumpálódnak, így a gránum-membrán két oldalán is, csakúgy, mint a mitokondrium belső membránja esetén, jelentős H+ elektrokémiai potenciál-különbség alakul ki. Ennek terhére a membránban jelenlevő ATP-szintáz ADP-ből és szervetlen foszfátból ATP-t szintetizál. Ez a foszforilációs reakció nem oxigént igényel, hanem fényt, ezért fotofoszforilációnak is nevezik. A kloroplasztisz energianyerését a 22. ábrán foglaljuk össze.

22. ábra