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Die oxygene Photosynthese ist eine der wichtigsten chemischen Reaktionen auf unserem Planeten. Die Umwandlung von Licht in chemische Energie findet in den Reaktionszentren zweier Photosysteme statt, Photosystem I (PSI) und Photosystem II (PSII)1 (Abbildung 1A). PSI ist ein großer, hochkonservierter Pigment-Protein-Komplex mit mehreren Untereinheiten, der sich vor über 3,5 Milliarden Jahren entwickelt hat 2,3. Dieser Komplex, der etwa 100 Chlorophyllmoleküle und etwa 20 Carotinoide enthält, erleichtert den Transfer von Elektronen über die Thylakoidmembran von Plastocyanin zu Ferredoxin, das als terminaler Elektronenakzeptor der photosynthetischen Elektronentransportkette 1,4,5 fungiert (Abbildung 1B, C). In Pflanzen ist diese lichtgetriebene Ladungstrennung das Ergebnis der Lichtenergie, die sowohl von den PSI-Kernantennenpigmenten als auch von den peripheren Antennenpigmenten des Light Harvesting Complex I (LHCI) zum PSI-Reaktionszentrum übertragen wird (Abbildung 1D). LHCI ist ein PSI-spezifischer Antennenkomplex innerhalb der Thylakoidmembran, der aus vier Chlorophyll a/b-bindenden LHCA-Antennenproteinenbesteht 6,7.

Abbildung 1: Die photosynthetische Elektronentransportkette und die Gesamtstruktur des PSI-LHCI-Komplexes. (A) Die photosynthetische Elektronentransportkette besteht aus vier membrangebundenen photosynthetischen Hauptkomplexen und drei löslichen Elektronenträgern. Der Elektronenfluss (rote Pfeile) durch die Transportkette und das Pumpen von Protonen (schwarze Pfeile) in das Lumen werden genutzt, um Reduktionskraft (NADPH) zu erzeugen und ATP für die Kohlenstofffixierung zu erzeugen 37,38,39,40. Erstellt mit Biorender.com. (B) Die Struktur der Pflanze PSI-LHCI von der Lumenalseite aus. PsaA und PsaB sind die größten Untereinheiten von PSI und bilden den Kern des Komplexes. LHCI ist der lichtsammelnde Antennenkomplex, der mit PSI assoziiert ist und aus vier Antennen, LHCA1-4, besteht. (C) Der PSI-LHCI-Komplex koordiniert über 150 Liganden. Hier sind Chlorophylle (grün), Carotinoide (rosa), Chinone (violett), Lipide (orange) und die FeS-Cluster des Reaktionszentrums in gelb/orange dargestellt. (D) Das Reaktionszentrum von PSI wird in zwei Zweige (A und B) aufgeteilt, beginnend mit P700, dem speziellen Chlorophyllpaar des Reaktionszentrums, und geht in zwei akzessorische Chlorophylle (A-1A/B) über, gefolgt von einem weiteren Paar Chlorophyllen (A0A/B). Auf diese Chlorophylle folgt in jedem Zweig ein Phyllochinon (A1A/B oder QA/B in einigen Publikationen), bevor sie sich am Eisen-Schwefel-Cluster Fx zusammenschließen, gefolgt von zwei weiteren Clustern, FA und FB, die von der PsaC-Untereinheit koordiniert werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die erste Isolierung von PSI aus Pflanzen im Jahr 1966 gab Aufschluss über die Unterschiede im lichtsammelnden Pigmentgehalt zwischen PSI und PSII und zeigte, dass PSI im Vergleich zu PSII stark mit β-Carotin angereichert war und dass die Cytochrome f und b6 (Teil der Cytochrom b6f-Komplexe) nicht fest an PSI gebunden sind, sondern lose innerhalb der Thylakoidmembran assoziiertsind 8. Neun Jahre später konnte bei teilweiser Denaturierung von isolierten PSI mittels SDS-Behandlung gezeigt werden, dass die Dissoziation kleiner PSI-Untereinheiten die NADP+-Photoreduktion durch PSI unterdrückte, während das P700-Signal und die meisten Chlorophylle innerhalb des verbleibenden PSI-Partikels mit großem Molekulargewicht blieben, was die Notwendigkeit einiger der kleinen Untereinheiten von PSI für die volle biologische Funktion und die Lage des PSI-Reaktionszentrums identifiziert9. Die Erforschung des Zusammenhangs zwischen dem PSI-Kern und LHCI wurde erstmals in den frühen 1980er Jahren veröffentlicht, als Isolierungen von unterschiedlich großen PSI-Spezies mit unterschiedlichen Verhältnissen von Chlorophyll A zu P700 beobachtet wurden, was auf eine Assoziation von PSI mit einem chlorophyllhaltigen peripheren Antennensystem hindeutet 10,11,12,13. Es dauerte jedoch bis 2003, bis die erste Kristallstruktur der Pflanze PSI, veröffentlichtwurde 14. Die Kristallstruktur des pflanzlichen PSI-LHCI unterstreicht die bemerkenswerte Konservierung zwischen dem PSI-Kern von Pflanzen und Cyanobakterien und lieferte das erste Bild der Chlorophyllanordnung innerhalb des pflanzlichen PSI-Kerns und der LHCI-Antenne, was das Verständnis der Energietransferwege innerhalb des pflanzlichen PSI-LHCI-Komplexesfördert 14. In den letzten zehn Jahren wurden weitere PSI-LHCI-Strukturen von Pflanzen bestimmt, die der strukturellen Beschreibung des Superkomplexes 15,16,17,18,19 Details auf atomarer Ebene hinzufügen.
PSI hat nicht nur einen Quantenwirkungsgrad nahe eins, sondern weist auch das negativste Reduktionspotenzial in der Naturauf 20,21. Ein vollständiges Verständnis von PSI-LHCI und seinen Eigenschaften ist unerlässlich, um die lichtgetriebene Energieübertragung zu verstehen und bioinspirierte Lösungen auf zukünftige Lichtsammeltechnologien anzuwenden. Um dieses Verständnis darüber zu vertiefen, wie PSI-LHCI und seine vielen Untereinheiten eine so effiziente Energieumwandlung erreichen können, müssen die für die Untersuchung isolierten Komplexe aktiv und vollständig sein. Dieses Protokoll ermöglicht die schonende Reinigung des Komplexes in diesem aktiven Zustand22,23.
Bei dieser Methode werden Pflanzengewebe mechanisch aufgebrochen und Chloroplasten, die die photosynthetische Elektronentransportkette enthalten, durch Zentrifugation isoliert. Die Thylakoidmembranen werden nach einer hypotonen Chloroplastenlyse abgetrennt und anschließend mit dem Detergens n-Dodecyl-beta-Maltosid (β-DDM) solubilisiert. Die solubilisierten chlorophyllhaltigen Membrankomplexe werden mittels Anionenaustauschchromatographie getrennt und PSI-LHCI wird weiter mittels Saccharosegradientenzentrifugation getrennt. Nach der Entfernung aus dem Gradienten und nach Charakterisierung sowohl durch Spektroskopie als auch unter Verwendung der Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) kann der Komplex für weitere Experimente vorbereitet werden. Dieses Verfahren wird verwendet, um den PSI-LHCI-Komplex aus Pflanzen ohne die Verwendung von Affinitäts-Tags zu reinigen. Mit geringfügigen Modifikationen kann es für Präparationen des Komplexes aus anderen Organismen adaptiert werden, alternative PSI-Komplexe oder andere Komplexe der photosynthetischen Elektronentransportkette stabilisieren. Ähnliche Protokolle wurden verwendet, um einen PSI-Komplex zu erhalten, der für die hochauflösende Strukturanalysegeeignet ist 23,24,25,26,27,28,29,30.