Hoe groene planten zich beschermen tegen beschadiging door licht
Meer dan de helft van alle groen dat we op aarde zien zit gebonden aan een eiwit - light-harvesting complex II (LHCII) genaamd - dat zonlicht opvangt en doorgeeft in planten. Dit vormt de basis voor fotosynthese. De lichtintensiteit op aarde varieert enorm. Bij weinig licht gaat alles goed, maar teveel licht kan het fotosynthethisch systeem beschadigen. De natuur heeft daar een oplossing voor gevonden: bij een teveel aan licht wordt deze overmaat aan energie omgezet in onschuldige warmte. Een internationaal team van onderzoekers, onder wie natuurkundigen van Wageningen Universiteit en Researchcentrum en de Stichting FOM, heeft nu experimenteel vastgesteld dat LHCII kan schakelen tussen twee toestanden: in de ene toestand wordt zonlicht opgevangen en de daarmee corresponderende energie doorgegeven, in de andere toestand wordt een belangrijk deel van de energie omgezet in onschadelijke warmte. Deze omschakeling heeft te maken met een verandering in de structuur van het eiwit. Dit kan verklaren hoe een plant binnen enkele seconden kan schakelen tussen een toestand waarin vrijwel al het geabsorbeerde licht nuttig gebruikt wordt en een toestand waarin het teveel aan licht wordt omgezet in warmte. Dit is een stap op weg naar het begrijpen op moleculair niveau van die schakelfunctie. De onderzoekers publiceren hierover in Nature van 7 juli 2005.
Je moet al in een woestijn, op de polen van de aarde of op de hoogste bergtoppen zitten om geen groen blad te kunnen zien. Meer dan de helft van al dit groen is gebonden aan een eiwit dat bekend staat als light-harvesting complex II (LHCII). Dit eiwit speelt een centrale rol in de fotosynthese, het proces dat zonlicht omzet in bruikbare chemische energie en daarmee de basis vormt van praktisch alle leven op aarde. Het mechanisme levert de voor planten noodzakelijke energie om hun metabolisme te onderhouden en zorgt voor de omzetting van koolstofdioxide naar zuurstof. De omzetting vindt plaats in een minuscule moleculaire fabriek, het fotosynthetisch reactiecentrum. Het reactiecentrum wordt omringd door zogeheten antennecomplexen, die fotonen (lichtdeeltjes) van de zon absorberen en de energie razendsnel en extreem efficiënt overdragen naar het reactiecentrum. De antennecomplexen worden in het jargon aangeduid als 'light-harvesting' (ofwel licht-oogstende) complexen.
In de natuur varieert de lichtintensiteit enorm. Het licht-oogstende proces verloopt in de schaduw efficiënt, maar in het volle zonlicht nemen de complexen veel meer energie op dan nodig is en nuttig verwerkt kan worden. Dit kan tot aanzienlijke schade leiden aan het fotosynthetische membraan. Het fotosynthetisch systeem blijkt heen en weer te kunnen schakelen van een toestand waarin de opgenomen energie doorgegeven wordt naar het reactiecentrum, naar een toestand waarin de overtollige energie veilig als warmte wordt afgevoerd. Dit is essentieel voor planten om in de volle zon te overleven. Fysiologisch is de aanwezigheid van dit schakelen overtuigend aangetoond, maar over de onderliggende mechanismen is weinig bekend. Hoe antennecomplexen energie opnemen en transporteren, is de afgelopen jaren ook redelijk goed opgehelderd (zie bijvoorbeeld www.fom.nl/nieuws/persarchief99/pb990716.htm). Pas in 2004 is met behulp van röntgenkristallografie voor het eerst de atomaire structuur van LHCII in detail vastgesteld. De absorptie en het transport van energie is pas zeer recent beschreven (en vorige maand gepubliceerd).
Een team van onderzoekers * van CEA-Saclay in Frankrijk, de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, de Stichting FOM, Wageningen Universiteit en Researchcentrum en de Universiteit van Sheffield in Groot-Brittannië heeft nu Raman- en fluorescentiemetingen gedaan aan LHCII-kristallen. LHCII is een gespecialiseerd pigment-eiwitcomplex, waarbij de pigmenten zodanig geordend zijn dat efficiënte overdracht van energie plaatsvindt naar het reactiecentrum. Uit eerder onderzoek is bekend dat LHCII gewoonlijk zeer fluorescent is, wat betekent dat er weinig energie als warmte verloren gaat. De fluorescerende toestand leeft in de regel rond 4 nanoseconden. De onderzoekers hebben LHCII-kristallen bekeken met een microscoop die de levensduur van de fluorescentie meet. Het blijkt dat de levensduur in de kristallen is afgenomen tot minder dan een nanoseconde. Dit wordt veroorzaakt door versterkte afvoer van energie in de vorm van warmte. Met behulp van Ramanmetingen kon worden vastgesteld dat er tegelijkertijd enkele structurele veranderingen optreden in vergelijking met de 'normale' toestand van het LHCII. Op basis van de structuurgegevens die bekend geworden zijn uit röntgenkristallografie, heeft dit nu geleid tot een moleculair model voor de doving van de fluorescentie en dus voor de bescherming van de planten. Dit resultaat maakt het mogelijk heel gericht te gaan zoeken naar de verschillende stappen in het proces die tot vorm- en dus functieverandering in het LHCII leiden.
_______________________________________
* Andrew Pascal (Service de Biophysique des Fonctions Membranaires, CEA-Saclay), Zhenfeng Liu (National Laboratory of Biomacromolecules, Chinese Academie van Wetenschappen, Beijing), Koen Broess (FOM en WUR), Bart van Oort (FOM en WUR), Herbert van Amerongen (Laboratorium voor Biofysica, Wageningen Universiteit en Researchcentrum), Chao Wang (Beijing), Peter Horton (Department of Molecular Biology and Biotechnology, Universiteit of Sheffield), Bruno Robert (CEA-Saclay), Wenrui Chang (Beijing) en Alexander Ruban (Sheffield).
Meer informatie bij prof.dr. Herbert van Amerongen, Laboratorium voor Biofysica, Wageningen Universiteit en Researchcentrum, telefoon (0317) 48 26 34.