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Method Article
Dieses Protokoll beschreibt die Isolierung von Photosystem I (PSI) - Light Harvesting Complex I (LHCI) aus pflanzlichem Gewebe. PSI ist zusammen mit PSII für die Umwandlung von Licht in chemische Energie in oxygenen Photoautotrophen verantwortlich und hat eine Quanteneffizienz von ~1, was es zu einem Ziel für die Untersuchung des lichtgetriebenen Energietransfers macht.
Diese Methode wird verwendet, um Photosystem I (PSI) zusammen mit dem Light Harvesting Complex I (LHCI), seiner nativen Antenne, von Pflanzen zu isolieren. PSI-LHCI ist ein großer Membranproteinkomplex, der Hunderte von Lichtsammel- und Elektronentransportfaktoren koordiniert und das effizienteste Lichtsammelsystem in der Natur ist. Photonen, die von den vier LHCA-Antennenproteinen, aus denen LHCI besteht, absorbiert werden, werden durch exzitonische Wechselwirkung an das PSI-Kernreaktionszentrum übertragen und werden verwendet, um die lichtgesteuerte Ladungstrennung über die Thylakoidmembran zu erleichtern, wodurch die Leistung und Energie für die Kohlenstofffixierung in photoautotrophen Organismen reduziert wird. Die hohe Quanteneffizienz von PSI macht diesen Komplex zu einem hervorragenden Modell für die Untersuchung des lichtgetriebenen Energietransfers. Bei diesem Protokoll wird das Pflanzengewebe mechanisch homogenisiert und die Chloroplasten werden durch Filtration und Zentrifugation von den Zellresten getrennt. Die isolierten Chloroplasten werden dann osmotisch lysiert, und die Thylakoidmembranen werden durch Zentrifugation zurückgewonnen und mit dem Detergens n-Dodecyl-beta-Maltosid solubilisiert. Das solubilisierte Material wird auf eine Anionenaustauschersäule geladen, um den größten Teil der chlorophyllhaltigen Komplexe zu sammeln. Größere Komplexe werden aus der Lösung ausgefällt, in einem kleinen Volumen resuspendiert und auf Saccharosegradienten geladen, um die wichtigsten chlorophyllhaltigen Komplexe zu trennen. Die resultierenden Saccharosegradientenfraktionen werden charakterisiert, um die interessierende Bande zu identifizieren, die PSI-LHCI enthält. Dieses Protokoll ist dem Protokoll, das bei der Kristallisation von pflanzlichem PSI-LHCI verwendet wird, mit einigen Vereinfachungen sehr ähnlich und stützt sich auf Methoden, die im Laufe der Jahre im Labor von Nathan Nelson entwickelt wurden.
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.
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1. Herstellung von Thylakoidmembranen aus Spinatblättern
2. Solubilisierung der Membran
3. Elution mit Diethylaminoethyl (DEAE)-Säule
4. Fällung von Polyethylenglykol (PEG)
5. Herstellung von Saccharosegradienten
6. Entfernung von Saccharosefraktionen und PEG-Fällung
7. Messung des P700-Gehalts an PSI
HINWEIS: Diese Methode kann verwendet werden, um PSI schnell zu testen.
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Dieses Protokoll wird verwendet, um aktives PSI-LHCI aus Pflanzengeweben über einen Zeitraum von drei Tagen zu isolieren und zu charakterisieren. PSI-LHCI wird gereinigt, indem zunächst pflanzliche Thylakoidmembranen isoliert und dann mit β-DDM solubilisiert werden. Typische Erträge aus der Phase der Membranvorbereitung sind 200 mg Chlorophyll aus 500 g Blättern. Dies kann je nach verwendetem Ausgangsmaterial variieren.
An den Tagen zwei und drei des Expe...
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Mit Hilfe dieses Protokolls kann der PSI-LHCI-Komplex aus Pflanzengeweben in seinem aktiven Zustand gereinigt werden. Hier wurden Spinatblätter verwendet, aber diese Methoden können auf Präparate aus verschiedenen Pflanzen angewendet werden23,40. In jedem Fall muss bei der Durchführung dieses Protokolls darauf geachtet werden, den Komplex vor Schäden zu schützen. Diese Zubereitung sollte im Dunkeln oder bei grünem Licht, a...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Y.M. bedankt sich für die Unterstützung durch die National Science Foundation unter der Auszeichnung Nr. 2034021 und das U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences unter der Auszeichnung Nr. DE-SC0022956. C.G. wird von der National Science Foundation unter dem Preis Nr. 00036806 unterstützt.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 mL Falcon tube | VWR | 62406-200 | Used for storing thylakoids |
Bio rad Econo-Column 1.5 X 30 cm | biorad | 7374153 | |
Cheesecloth grade 50, 100% cotton | Arkwright LLC | B07D1FZZMB | From Amazon |
Glass rods | Millipore Sigma | BR135825 | Any similar rod will suffice |
Low profile 64 oz vitamix blender | Vitamix | ||
NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
Open top polyallomer centrifugation tubes | Seton Scientific | 5030 | |
Optima XE Ultracentrifuge | beckman coulter | A94471 | |
Polyethylene glycol 6,000 | Hampton Research | HR2-533 | |
Potter-Elvehjen Tissue Grinder, 30 ml. | WHEATON | 358049 | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | |
SW 40 Ti | beckman coulter | 331301 | |
TOYOPEARL DEAE-650C | Tosoh Bioscience | 7988 | |
Tricine | Sigma-Aldrich | T0377 | |
β-DDM | Glycon - Biochemicals GmbH | D97002 | Stored as 10% stocks at -20 °C |
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