b ii atedra chÉmie akulta prÍrodnÝch vied niverzita …
TRANSCRIPT
BIOCHÉMIA II KATEDRA CHÉMIE, FAKULTA PRÍRODNÝCH VIED, UNIVERZITA MATEJA BELA BANSKÁ BYSTRICA
FOTOSYNTÉZA
TÉMA 09 DOC. RNDR. MAREK SKORŠEPA, PHD.
2
o primárny zdroj energie pre všetky organizmy (okrem chemolitotrofných baktérií)
o väčšina energie fotosyntézy sa využije na syntézu organických látok z atmosferického CO2
o 2 otázky:
1. Ako je solárna E zachytená a transformovaná na metabolicky využiteľnú formu?• svetelná fáza fotosyntézy
2. Ako je táto energia použitá na syntézu organických látok z CO2?• tmavá fáza fotosyntézy
svetlo2 2 6 12 6 26CO 6H O C H O 6 O
INTRO
3
E = 1,5 × 1022 kJ - energia prichádzajúca denne zo Slnka na Zem
1%fotosyntéza
99%• ⅔ - absorbované litosférou a
hydrosférou (zohrievanie Zeme)• ⅓ - odraz vo forme svetla späť
1011 ton - ročná fixácia CO2 fotosyntézou
z toho ⅓ je fixovaná v oceánoch (fotosyntetizujúce morské mikroorganizmy)
ČÍSLA SÚVISIACE S FOTOSYNTÉZOU
o fotosyntéza prebieha na membránach• prokaryoty – v granulách viazaných na
plazmatickú membránu• eukaryoty – v chloroplastoch
Bunka vyššej rastliny s chloroplastami na okrajoch bunky
Elektrónová mikroskopická fotografia chloroplastu
Spirogyra (sladkovodná zelená riasa) – špirálovité chloroplasty
KDE PREBIEHA?
5
o dvojitá membránao stroma – vnútorná hmota chloroplastuo tylakoidy – diskovité útvary oddelené od stromy biomembránou (tylakoidová membrána)o granum – lamelárny útvar („sústava tylakoidov“)o vnútro tylakoidu - lumen
ŠTRUKTÚRA CHLOROPLASTU
6
1. svetelná fáza• zachytenie svetelného kvanta (fotónu)• konverzia energie fotónu na chemickú energiu (transdukcia E)• využitie tejto E na syntézu NADPH a ATP – nevyhnutné pre tmavú fázu• produkcia O2 (sekundárny produkt) – nevyhnutný pre aeróbne organizmy
2. tmavá fáza (Calvinov cyklus)• fixácia CO2 – syntéza organických látok (glukózy) - má charakter redukcie
• nevyhnutné NADPH („redukčná sila“) a ATP („fosforylačná sila“) pochádzajú zo svetelnej fázy
2 FÁZY FOTOSYNTÉZY
7
PREPOJENIE 2 FÁZ FOTOSYNTÉZY
8
1. SVETELNÁ FÁZA FOTOSYNTÉZY
1.1 Zachytenie svetelného kvanta + Elektrónový transport1.2 Fotofosforylácia
9
o zachytenie svetelnej energie (energie fotónu)o premena zachytenej svetelnej E na chemickú E (oxidácia/redukcia)
o Význam:• syntéza NADPH („redukčná sila“) a ATP („fosforylačná sila“),
ktoré sú potrebné v tmavej fáze
o zahŕňa 2 úzko späté procesy:1. zachytenie svetelného kvanta + elektrónový transport2. fotofosforylácia
o oba procesy svetlenej fázy prebiehajú na tylakoidálnej membráne
SVETELNÁ FÁZA - INTRO
10
1.1ZACHYTENIE SVETELNÉHO KVANTA
+ ELEKTRÓNOVÝ TRANSPORT
11
o fotón je zachytený fotosyntetickými pigmentami:
• chlorofyly
• pomocné fotosyntetické pigmenty (najmä karotenoidy)
ZACHYTENIE SVETELNEJ ENERGIE
12
o absorbujú v modrej (400 – 500 nm)a červenej (600 – 700 nm) oblasti
o nie sú v bunke voľné, tvoria komplexy so špecifickými bielkovinami
CHLOROFYLY
13
o absorbujú v iných oblastiach spektra ako chlorofyly (majú absorpčné maximá v iných
oblastiach spektra), čím zvyšujú účinnosť fotosyntézy (zachytená E je prenesená na chlorofyl)
o najmä karotenoidy (vyššie rastliny), fykokyanobilín (modrý pigment cyanobaktérii)
o karotenoidy majú 2 funkcie:1. pomocné fotosyntetické pigmenty2. odstraňovanie radikálových foriem kyslíka
vznikajúcich v priebehu fotosyntézy (majú deštrukčný účinok na chlorofyl)
POMOCNÉ FOTOSYNTETICKÉ PIGMENTY
14
Energia svetelného kvanta absorbovaného fotosyntetickým pigmentom môže byť spracovaná niekoľkými spôsobmi:
1. uvoľnenie vo forme tepla
2. uvoľnenie vo forme svetla(fluorescencia)
3. rezonančný energetický transférexcitačná energia je prenesená na susednú molekulu a spôsobí jej excitáciu (pôvodná molekula sa vráti do základného stavu)
4. transdukcia (svetelnej) energieexcitácia molekuly pigmentu spôsobí dramatickú zmenu štand. redox-potenciálu – pigment sa stane „ochotnejším“ donorom e–
1. 2.
3.
4.
(silnejším redukovadlom);dôjde tak k tranformácii (transdukcii) svetelnej E (fotónov) na chemickú E („redukčnú silu“, potenciál na prenos e– v chem. reakciách)
ČO SA DEJE PO ABSORBCII
SVETELNÉHO KVANTA?
15
o chlorofylové komplexy sú usporiadané do fotosyntetických jednotieko chlorofylové komplexy vo fotosyntetickej jednotke nie sú rovnocenné:
fotosyntetická jednotka
1. anténové (svetlozberné) komplexy (LHC – light-harvesting complexes)
• niekoľko stoviek komplexov chlorofylu• sústreďujú väčšinu molekúl chlorofylu• funkcia: zachytenie fotónu a postupné
odovzdanie jeho energie reakčnému centru
• okrem chlorofylov obsahujú aj pomocné fotosynt. pigmenty (karot.)
2. reakčné centrum
• obsahuje 2 špeciálne molekulyChl a (P700, resp. P680)
• je súčasťou príslušného fotosystému(PSI alebo PSII)
• spojené s prenosom e– reťazcom oxidoredukčnýchsystémov (analógia s dýchacím reťazcom)
• funkcia: spracovanie energie fotónu (transdukcia na chemickú energiu)
anténové komplexy
reakčné centrum
FOTOSYNTETICKÁ JEDNOTKA
o reakčné centrá sú súčasťou tzv. fotosystémov (úzke prepojenie s LHC)
o fotosyntetizujúce prokaryoty(baktérie) majú len 1 fotosystém (nerozkladá H2O, neprodukuje O2)
o fotosyntetizujúce eukaryoty(vyššie rastliny, cyanobaktérie a zelené riasy) (oxygénne fototrofy – rozkladajú H2O, produkujú O2)
majú 2 fotosystémy:
1. fotosystém I (PSI)2. fotosystém II (PSII)
FOTOSYSTÉMY
1. FOTOSYSTÉM I (PSI)• v reakčnom centre má pigment (Chl a) P700 (λmax = 700 nm)• red. forma (exc. stav) = silné redukčné činidlo• ox. forma (zákl. stav) = slabé oxidačné činidlo
• red. forma PSI redukuje NADP+ na NADPH
2. FOTOSYSTÉM II (PSII)• v reakčnom centre má pigment (Chl a) P680 (λmax = 680 nm)• red. forma (exc. stav) = slabé redukčné činidlo• ox. forma (zákl. stav) = silné oxidačné činidlo, silnejšie ako O2
• ox. forma PSII oxiduje H2O na O2 (podstata fotosynt. produkcie O2)
PSI A PSII
18
o séria oxidačnoredukčných reakcií postupného prenosu e– z H2O až NADP+
o Výsledok elektrónového transportu:
• redukcia ox. formy koenzýmu NADP+ na red. formu NADPH
• oxidácia H2O na O2
• prenos H+ z chloroplastovej stromy do lumenu tylakoidov (protónová pumpa) – vytvorenie protónového gradientu na oboch stranách tylakoidovej membrány
ZÁKLADNÉ ČRTY EL. TRANSPORTU PRI FOTOSYNTÉZE
19
o flavoproteín feredoxín-NADP+-reduktáza – obsahuje prostetickú sk. FADjedno- alebo dvojelektrónový transport
o plastochinón [PQ]jedno- alebo dvojelektrónový transport
o cytochrómy cyt b6 a cyt f – obsahujú hémovú prostetickú skupinujednoelektrónový transport (Fe2+, Fe3+)
o Fe-S proteíny (napr. feredoxín [Fd] a Fe-S súčasti cytochróm. komplexu b6f)jednoelektrónový transport (Fe2+, Fe3+)
o proteín obsahujúci Cu (kuproproteín) plastocyanín [PC]jednoelektrónový transport (Cu+, Cu2+)
o Mn komplex (proteín obsahujúci Mn2+) - súčasť PSII (oxiduje H2O na O2)
KOMPONENTY ELEKTRÓNOVÉHO TRANSPORTU
20
znázornenie toku elektrónov z H2O na NADP+
Z-SCHÉMA FOTOSYNTÉZY (TRANSPORTU ELEKTRÓNOV)
21
1. PSI zachytí kvantum (a e– z plastocyanínu [PC]) - ox. forma (zákl. stav) P700 sa zmení na red. formu P700* (exc. stav)2. P700* redukuje feredoxín [Fd] (e– sa prenesie z P700* na feredoxín, P700* sa tým oxiduje na P700 [Chl∙+])3. feredoxín redukuje prostredníctvom enzýmu feredoxín-NADP+-reduktázy NADP+ na NADPH;
na vytvorenie jednej molekuly NADPH je potrebný prenos 2 e– (tzn. excitácia 2 molekúl P700)4. deficit e– na P700 [Chl∙+] sa kompenzuje elektrónom z red. formy (exc. stav) P680* (nie priamo, pozri body 5 – 8)
5. PSII zachytí kvantum (a e– z H2O) - ox. forma (zákl. stav) P680 sa zmení na red. formu P680* (exc. stav)6. P680* redukuje plastochinón [PQ] na plastochinol (e– sa prenesie z P680* najprv na feofytín [Pheo] a následne
na PQ, P680* sa tým oxiduje na P680 [Chl∙+])7. plastochinol prenáša e– na cytochrómový komplex b6f (zároveň prenos 4 H+ do tylakoidového lumenu)8. z cyt komplexu b6f je e– transportovaný prostredníctvom plastocyanínu [PC] na P700 [Chl∙+] (pozri bod 4)
9. deficit e– na P680 [Chl∙+] sa kompenzuje elektrónom z H2O (H2O sa oxiduje na O2);na vytvorenie jednej molekuly O2 je potrebné zoxidovať 2 molekuly H2O, tzn. jedná sa o transport 4 e–, teda vznik 2 molekúl NADPH
T RA
NSP
OR
Te
–
23
Štruktúra cyanobakteriálneho cytochrómového komplexu b6f červené = hémové sk. cyt b6N, b6P a fmodré = Fe-S klastre
(pdb id = 1BF5)
CYTOCHRÓMOVÝ KOMPLEX b6f
25
Štruktúra rastlinného PSI-LHC1 superkomplexuz tylakoidovej membrány (stromová strana)zelené = chlorofyly, červené = karotenoidy
ŠTR
UK
TÚR
AP
SI-L
HC
1
SUP
ERKO
MP
LEX
U
26
1.2FOTOFOSFORYLÁCIA
27
o elektrónový transport medzi PSI a PSII „pumpuje“ H+ zo stromy do lumenutylakoidov
o H+ gradient sa využije na chemiosmotickú syntézu ATP(spriahnutie el. transportu a fotofosforylácie)
VZŤAH MEDZI PSI, PSII A SYNTÉZOU ATP
28
o syntéza ATP z ADP a Pi poháňaná svetelnou energiou
o syntéza ATP prebieha na CF1CF0-ATP syntázemechanizmus je analogický ako u mitochodriálnej F1F0-ATP Syntázy
o na syntézu 1 molekuly ATP je potrebný prenos 4,5 H+
z lumenu naspäť do stromy
o 2 mechanizmy vedúce k fotofosforylácii:o necyklický tok elektrónov (starší termín: necyklická fotofosforylácia)
o cyklický tok elektrónov (starší termín: cyklická fotofosforylácia)
o oba vytvárajú H+ gradient na tylakoidovej membráne – vedú k syntéze ATP
FOTOFOSFORYLÁCIA
29
o produkuje NADPH, ATP a O2 (oxiduje H2O)o zahŕňa oba fotosystémy (PSI aj PSII)o celkový zisk: NADPH : ATP = 2 : 2,6
nestačí pokryť dopyt ATP v Calvinovom cykle (tmavej fáze) NADPH : ATP = 2 : 3
o prenos 6 H+ do lumenu na 2 e–
NECYKLICKÝ TOK ELEKTRÓNOVnecyklická fotofosforylácia
30
o produkuje len ATPo neprenáša e– na NADP+,
teda neprodukuje NADPHo týka sa len fotosystému I (PSI)o keďže nezahŕňa PSII, neprodukuje O2
o význam: dopĺňa ATP pre tmavú fázu
1. PSI zachytí kvantum (a e– z plastocyanínu [PC]) - ox. forma (zákl. stav) P700 sa zmení sa na red. formu P700* (exc. stav)
2. P700* redukuje feredoxín [Fd] (e– sa prenesie z P700* na feredoxín, P700* sa tým oxiduje na P700 [Chl∙+])
3. feredoxín neredukuje NADP+ na NADPH; NADPH nevzniká
4. e– z red. formy feredoxínu sa prenáša postupne cez PQ, cytochrómový komplex b6f a PC naspäť na ox. formu P700 [Chl∙+] a kompenzuje tak jeho elektrónový deficit
o prenos 4 H+ do lumenu na 2 e–
CYKLICKÝ TOK ELEKTRÓNOVcyklická fotofosforylácia
31
CYKLICKÝ A NECYKLICKÝ TOK e– NA Z-SCHÉME
32
Dýchací reťazec
o prebieha na vnútornej mitochondriálnej membráne
o prenos H+ z matrix do medzimem-bránového priestoru (von)
o transport 2 e– vedie k prenosu:• 10 H+ (z NADH)• 6 H+ (z FADH2)
o 3 druhy gradientu:1. gradient H+
2. gradient pH3. nábojový gradient
o syntéza ATP na F1F0-ATP-Syntáze:3 – 4 H+ na 1 ATP
Fotosyntéza
o prebieha na tylakoidovej membráne
o prenos H+ zo strómy do tylakoidu(dovnútra)
o transport 2 e– vedie k prenosu:• 6 H+ (necyklický tok e–)• 4 H+ (cyklický tok e–)
o 2 druhy gradientu:1. gradient H+
2. gradient pH3. nábojový gradient sa nevytvára (tylakoid. membr.
je priepustná pre Mg2+ a Cl–)
o syntéza ATP na CF1CF0-ATP-Syntáze: 4,5 H+ na 1 ATP
ROZDIELY V EL. TRANSPORTE PREBIEHAJÚCOM
V DÝCHACOM REŤAZCI A VO FOTOSYNTÉZE
33
2. TMAVÁ FÁZA FOTOSYNTÉZY
(CALVINOV CYKLUS)
34
o Calvinov cyklus(Melvin Calvin – objav na zelenej riase Chlorella 1945, Nobelova cena 1961,spolupracovníci: Andrew Benson, James Bassham)
o ďalšie názvy:• Calvin–Bensonov cyklus , Benson-Calvinov cyklus,
Calvin–Benson–Basshamov cyklus (CBB)
o Význam:• syntéza sacharidov (hlavne Glc) z CO2
za pomoci NADPH a ATP (zo svetelnej fázy)
o celková schéma tmavej fázy fotosyntézy:
o priamo nevyžaduje svetelnú energiu, teoreticky môže prebiehať aj v tme (za dostatočného množstva NADPH a ATP)
o prebieha v strome chloroplastov
enzýmy2 6 12 6 i6 CO 12 NADPH 18 ATP C H O 12NADP 18 ADP 18 P
TMAVÁ FÁZA - INTRO
35
1. fixácia CO2: 1. reakcia• fixácia vzdušného CO2 jeho primárnym akceptorom (ribulózou-1,5-bisfosfát)• vznik 2 molekúl 3-fosfoglycerátu
2. redukcia 3-fosfoglycerátu (3-PG) za vzniku hexózy (Glc): 2. – 8. reakcia• redukcia 3-PG za účasti NADPH a ATP na glyceraldehyd-3-fosfát (G-3-P)• z G-3-P sa následne syntetizujú sacharidy (Glc) spätnými reakciami glykolýzy
3. regenerácia ribulózy 1-5-bisfosfát (akceptora CO2): 9. – 15. reakcia• súbor reakcií pentózového cyklu zabezpečujúcich tvorbu ribulózy-5-fosfátu• z ribulózy-5-fosfát sa za účasti ATP tvorí ribulóza-1,5-bisfosfát• uzavretie cyklu
3 FÁZY CALVINOVHO CYKLU
36
CELKOVÁ SCHÉMA CALVINOVHO CYKLU
37
o fixácia vzdušného CO2 jeho primárnym akceptoromo primárnym akceptorom CO2 je ribulóza-1,5-bisfofát (RuBP)o CO2 na viaže na medziprodukt 2,3-enediolo vznikajú 2 molekuly 3-fosfoglycerátu (3-PG)
(hydrolýza väzby C2–C3 posledného medziproduktu)
o enzým: ribulózabisfosfát karboxyláza / oxygenáza (RUBISCO)(vyžaduje Mg2+)
① FIXÁCIA CO2
38
svetlozelené a tmavozelené = veľké podjednotkyoranžové a červené = Fe-S klastre malých podjednotiekžltá = naviazaná ribulóza-1,5-bisfosfát (RuBP)
(pdb id = 1RXO)
o najrozšírenejší proteín v prírodeo tvorí asi 15% všetkých proteínov
v chloroplasteo veľký proteín (u vyšších rastlín 550 kD)o u vyšších rastlín má štruktúru α8β8:
8 veľkých podjednotiek• syntetizované z chloroplastovej DNA• katalytická jednotka enzýmu• viaže CO2 aj RuBP• vyžaduje Mg2+ pre enzymatickú akivitu
8 malých podjednotiek• syntetizované z jadrovej DNA• modulujú katalytickú efektívnosť enzýmu
RUBISCO
o ak je k dispozícii svetlo na syntézu ATP a NADPH prebieha aj Calvinov cykluso v tme (nemôže prebiehať syntéza ATP a NADPH) neprebieha ani Calvinov cyklus
o svetlo (nepriamo) aktivuje enzýmy Calvinovho cyklu tromi spôsobmi:1. svetelná fáza zvyšuje pH („odčerpáva“ H+) v strome až na pH = 8
niektoré enzýmy Calvinovho cyklu majú pH optimum 8:fruktóza-1,6-bisfosfatáza, ribulóza-5-fosfát kináza, glyceraldehydfosfát dehydrogenáza
2. redukovaná forma feredoxínu (Fd) prostredníctvom feredoxín-tioredoxín-reduktázy redukuje (–S–S–) skupiny niektorých enzýmov na (–SH HS–) skupiny, čím ich zmení z inaktívnej na aktívnu formu:fruktóza-1,6-bisfosfatáza, NADP+-malát dehydrogenáza, ribulóza-5-fosfát kináza
3. H+ gradient (jeho „kvazi“ nábojová zložka) spôsobuje transport Mg2+ do stromyniektoré enzýmy Calvinovho cyklu vyžadujú pre svoju aktivitu Mg2+:RUBISCO, fruktóza-1,6-bisfosfatáza
39
CALVINOV C. JE NEPRIAMO AKTIVOVANÝ SVETLOM
40
o metabolizmus je priamo (autotrofy) alebo nepriamo (heterotrofy) napojený na fotosyntézu, teda na energiu Slnka
PREPOJENIE METABOLICKÝCH DRÁH
DOC. RNDR. MAREK SKORŠEPA, PHD.
KATEDRA CHÉMIE
FAKULTA PRÍRODNÝCH VIED
UNIVERZITA MATEJA BELA V BANSKEJ BYSTRICI