Energetics of Electron and Proton Transfer in Photosynthetic Reaction Centers

Abstract

Photosynthesis is a process in plants and some bacteria, which converts light energy into chemical energy. The net reaction is the oxidation of an electron donor H2X (e.g. X = O and S) and the reduction of an electron acceptor CO2 to yield carbohydrates and X2. In bacteria, H2X often corresponds to H2S or other organic compounds. On the other hand, higher systems such as alga and green plants have advantage to utilize a more abundant electron donor on earth, H2O. The photosynthetic reaction machinery consists of two reaction schemes, a light reaction and a dark reaction. The former refers to the oxidation of H2O and the synthesis of ATP and NADPH in the thylakoid membrane protein by solar photon energy, while the latter refers to the synthesis of carbohydrate using ATP and NADPH in the stromal side. In a membrane protein, the photosynthetic reaction center (RC), the initial photochemical event occurs. RC from purple bacteria (bRC) is one of the most carefully studied systems. In cyanobacteria to higher plants there exist two photosynthetic protein-pigment complexes bound in the thylakoid membrane, photosystem I (PSI) and photosystem II (PSII). These two RC provide a cascade of redox potential (Em) levels for electron transfer (ET) processes with redox-active cofactors. bRC has structural similarity with PSII, each of which possess four chlorophylls, two pheophytins, one non-heme iron complex (Fe-complex) and two quinones (the primary QA and the secondary QB). On the other hand, RC of PSI possesses six chlorophylls, two quinones, and three iron-sulfur centers. To investigate the energetics and reaction mechanisms of ET/PT events in RC, we calculated protonation patterns of titratable residues and Em of redox-active groups in bRC, PSI and PSII. To obtain these values, we uniformly applied the same computational conditions and solved the linearized Poisson-Boltzmann (LPB) equation for all atoms in the crystal structures.

Photosynthese ist ein Prozess in Pflanzen und einigen Bakterien, bei dem Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird. In der Bruttoreaktion wird ein Elektronendonor H2X (z.B. X = O oder S) oxidiert und seine Elektronen auf CO2 übertragen, wobei sich Kohlenhydrate und X2 bilden. In Bakterien fungieren häufig H2S oder organische Verbindungen als Elektronendonor. Höhere Pflanzen und Algen sind dagegen in der Lage, H2O zu oxidieren, das auf der Erde im Überfluß vorkommt. Das photosynthetische Reaktionssystem besteht aus zwei getrennt ablaufenden Prozessen: die Licht- und Dunkelreaktion. Bei der Lichtreaktion, die in der Thylakoidmembran stattfindet, wird die Energie von Photonen dazu verwendet, um H2O zu oxidieren sowie ATP und NADPH zu bilden. In der Dunkelreaktion wird Energie und Reduktionspotenzial, in Form von ATP bzw. NADPH, für die Synthese von Kohlenhydraten genutzt. Sie verläuft im Stroma, räumlich getrennt von der Lichtreaktion. Die Photochemie der Lichtreaktion findet in einem Membranprotein statt, dem photosynthetischen Reaktionszentrum (reaction center, RC). Das RC der Purpurbakterien (bacterial reaction center, bRC) ist eines der best untersuchten Systeme. Daneben besitzen Cyanobakterien und höhere Pflanzen in der Thylakoidmembran zwei photosynthetische Protein- Pigment-Komplexe, die Photosystem I (PSI) und Photosystem II (PSII) genannt werden. Beide Reaktionszentren bilden eine Kette von redoxaktiven Kofaktoren mit jeweils unterschiedlichen Redoxpotenzialen, entlang derer Elektrontransfer (ET) Prozesse stattfinden. Das bRC ist in seiner Struktur dem PSII ähnlich, denn beide enthalten vier Chlorophyll-, zwei Pheophytinmoleküle, ein Nicht- Häm-Eisenkomplex (Fe-Komplex) und zwei Chinonmoleküle (ein primäres QA und ein sekundäres QB). Dagegen finden sich im PSI sechs Chlorophyllmoleküle, zwei Chinone und drei Eisen-Schwefelzentren. In dieser Arbeit wurden die Protonierungszustände titrierbarer Residuen und die Mittelpunktspotenziale (Em) der redoxaktiven Gruppen im bRC, PSI und PSII berechnet, um die Energetik und Mechanismen der ET/PT-Vorgänge im RC zu untersuchen. Die Ergebnisse basieren auf Lösungen der linearen Poisson-Boltzmann-Gleichung (LPB-Gleichung) für alle Atome der verwendeten Kristallstrukturen, die unter immer gleichen Simulationsbedingungen erhalten wurden.