fotosinteza - bf.uni-lj.si · funkcionalna organizacija tilakoid • fotosintezna barvila...
TRANSCRIPT
FOTOSINTEZA
• Svetloba kot energija: E = h.√ = h.c/λ(400-700 nm); E = energija; √ =frekvenca;
• λ = val. dolžina svetlobe; h = Plankovakonstanta (6,625 .10 34 J/s); c = hitrostsvetlobe
• Enota : 1μmol s -1 m -2 = 1 μE s -1 m -2= 6,023 . 10 17 fotonov s -1 m -2=
• 6,023 .10 17 kvantov s -1 m -2
FOTOSINTEZA - ASIMILACIJA OGLJIKA (energetika celice
• RASTLINE - AVTOTROFNI ORGANIZMI višje rastline -brstnice;
• cianobakterije, fotosintetskoaktivnebakterije,
• evkariontske alge, • lišaji
KEMOSINTEZA• 1. Nitrifikacijske bakterije (Nitrosomonas)• 2 NH3 + 3 02 = 2 HNO2 + 2 H2O + 158 kcal• 2. Nitratne bakterije (Nitrobacter)• 2 HNO2 + 02 = 2 HNO3 + 38 kcal (solitri; • guano; Čile)• 3. Žveplove bakterije:• 2H2S + O2 ⇒ H20 + S2• S2 + 02 + H20 ⇒ 2 H2SO4• H2S + 2 02 ⇒ H2SO4 + 115kcal
ZAČETEK FOTOSINTEZE
• 4. Purpurne žveplove bakterije• CO2 + 2 H2S(donor e-, H+) ⇒(svetloba) CH20 +H2O +2S
• Svetloba je vir energije• Žveplovodik vir elektronov in protonov• Sprošča se elementarno žveplo
Ostale oblike kemosinteze
• 5. Železove bakterije (Crenothrix, Leptothrix)
• FeCO3 (Fe++) (Fe2(CO3)3 ⇒ Fe(OH)3(Fe+++)
• 6. Metanove bakterije (Bacillus methanicus)
• CH4 + 2O2 ⇒ CO2 + 2H2O
FOTOSINTEZA VIŠJIH RASTLIN, EV. ALG, CIANOBAKTERIJ
• 6CO2 + 6 H2O(donor H+, e-) + 675 kcal ⇒(klorofil, h() C6H12O6 + 6O2
• n H2O + n CO2 ⇒(h.√) (CH2O)n + nO2 ; endergon proces!
• (Go = + n. 477KJ ⇒(+ n. 114 KCAL); n=6• 1. 2H2O + 2A ⇒(h.√) 2AH2 + O2• 2. CO2 + 2AH2⇒ CH2O +H2O + 2A• 1+2( CO2 + 2 H2O ⇒(h.√) CH2O + O2 +
H2O
BISTVO FOTOSINTEZE:
• pretvorba svetlobne energije v kemijsko• oksidacija vode (fotoliza); sprošča se kisik• redukcija ogljik.dioksida; nastanek org.
spojin (sladkorji, amino kisline, maščobe)• PQ (fotosintetski količnik) = O2/CO2 = 1
(samo v idealnih razmerah!)
FAZE FOTOSINTEZE
I. SVETLOBNA FAZA: pretvorba svetlobne energije v kemično: ATP; fotoliza vode: NADPH2(2e-, 2H+); nastanek kisika: O2
- Poteka na tilakoidnih membranah kloroplasta- II. TEMOTNA FAZA: redukcija CO2: nastanek
sladkorjev, aminokislin, maščob,..-poteka v stromi kloroplasta
I. SVETLOBNA FAZA FOTOSINTEZE
• Pomen svetlobe za rastline:• vir energije• regulator rasti in razvoja (fitokromi,
kriptokromi)• toplotni učinek• svetloba kot stres (preveč, premalo,..)• Učinki so odvisni od spektralnega sestava,
jakosti sevanja in trajanja sevanja
a) Fotofizikalne reakcije:• - absorbcija svetlobne energije:E¸= h.√; fotoni;
kvanti; molekule klorofila; ant. kompleksi, reakcijski centri - prenos energije do reakcijskihcentrov; PSI (700nm), PSII (680nm)
• - ekscitacija in deekscitacija molekul klorofila a; glavni in pomožni pigmenti;
• - Emersonov efekt; PSI, PSII, "red drop"; pomen(; vzburjenje elektrona;
• izbitje elektrona; fluorescenca; toplota; hiperenergetsko stanje kloroplasta
Pomen fotosinteznih barvil:
• A) Glavna: Klorofil a (bakterioklorofil): absorbcija svetlobe in pretvorba energije fotonov v energijo elektronov
• B) Pomožna (antenski pigmenti): pomočpri absorbciji svetlobe (spektralni sestav; okolje!): klorofil b (c, d, e), karotenoidi, fikobilini);zaščita kloroplasta v stresnih razmerah: karotenoidi(karoteni→ksantofili; ksantofilski cikel)
FOTOSINTEZNI UČINEK SVETLOBE
• PhAR(phtosynthetic active radiation): 400 (380) – 700 (710) nm
• Učinek je odvisen od spektralne sestave (=energetske vsebnosti sevanja: E=hν=hc/λ (npr. 1 mol fotonov modre svetlobe -490 nm- ima energijo 240 kJ, 1 mol rdeče svetlobe z val. dol 700 nm pa le 170kJ(1E)
Pomen karotenoidov
• Pomožna absorbcija v modrem delu PhAR• zaščita kloroplasta pred fotokemijsko
oksidacijo fotoinhibicijo• Pomen kemijske zgradbe karotenoidov• Vloga ksantofilskega cikla – odaptacija
kloroplasta na svetlobno okolje
B) Fotokemične reakcije• Z-shema, Hill & Bendal 1960• - izbitje elektronov v reakcijskih centrih (PSI,
PSII); fotoliza vode (PSII)• - vektorski transport elektronov iz vode ( pomoč
PSI, PSII) preko prenašalcev na končneprenašalce (NADP+; O) in poraba v temotni fazi(CO2, NO3
-, SO4--,
• ....; Z - shema);• - vektorski transport protonov H+ iz strome v
notranji lumen tilakoidnih membran;• - fotofosforilizacija (tvorba ATP; ADP + Pi(ADP)
Funkcionalna organizacija tilakoid
• Fotosintezna barvila (klorofili, karotenoidi) so vezana v reakcijske centre (PSI 700, PSII 680) in njim priključene žetvene komplekse (LHC-I, LHC-II)
• V reakcijskih centrih je samo kl a, v “antenah” poleg kl a še kl b, feofitin, karotenoidi in prijemniki elektronov
• Vsi klorofili so vezani na beljakovine, večji del tilakoidnihbeljakovin so del LHC kompleksov
• Za funkcioniranje je pomembna prostorska in topografska organizacija tilakoid (bližina pomeni prenos energije; odklaplanje in priklapljanje LHC na PS
• Pri rdečih algah in cianobakterijah so fikobilini (fikoeritrinin fikocian) organizirani v vodotopne LHC imenovane fikobilisome)
PSI in PSII tvorita funkcionalno enoto
• Samo fotosintetsko aktivne bakterije in cianobakterije imajo 1 PS
• Evkariontske alge in vse višje rastline imajo PS I in PSII, ki delujeta v navezi
• Delež/število PSI/PSII je odvisno od jakosti sevanja
Tok elektronov iz vode na NADP+ pojasnjuje Hil-Bendallova Z-shema;Tok elektronov istočasno spremlja tok protonov v lumen tilakoid
Tvorba ATP- fotofosforilizacija• Teorije nastanka ATP: kemijska hipoteza (Arnon et al. 1954, Slater 1954)• kemoosmotska hipoteza (Mitchell 1966, Nobel 1978):• Fotofosforilizacija poteka na intaktnih (topografsko celih) tilakoidah, ki so
relativno nepropustne za H+ in OH- ione.• Vir e- in H+ je voda. Prenos e- iz vode (fotoliza vode!, PSII) na prejemnike
je vektorski - preko prenašalcev, vezanih za oba PS v tilakoidni membrani.• Prenos e- je istočasno spremljan s prenosom H+ iz strome kloroplasta v
notranji lumen zlepljenih (naloženih) tilakoid. Nastanek koncentracijskegagradienta (H+!) in el. polja preko tilakoidne membrane.
• Kombinacija konc. gradienta in el. polja tvorita visoko energetsko stanje s težnjo po izmetu protonov (H+) iz notranjega lumna tilakoid.
• V tilakoidah obstaja vektorsko vezana ATP sintetaza (F1-Fo kompleks; integralni, transmembranski protein), ki na račun energije elektrokemijskegapotenciala in gradienta protonov sintetizira ATP iz ADP in Pi.
Kaj potrjuje hipotezo?
• - poskusi na izoliranih in intaktnih tilakoid. membranah (meritve fluorescence, sproščanje O2, meritve pH, toplote, količine ATP, NADPH+H,...)
• - analize tilakoidnih membran z el. mikroskopom in biokemične analizesestave
• proteinov v tilaoidnih membranah.
Načini tvorbe ATP
• V normalnih razmerah poteka neciklična fotofosforilizacija, pot elektrona iz vode na NADP+
• Kadar se NADPH+H ne porablja (težave v Kalvinovem ciklu) steče na PS I ciklična fotofosforilizacija, tvori se samo ATP
• Ob popolni redukciji PS I lahko sprejme elektron kisik – Maehlerjeva reakcija-psevdociklična fosforilizacija
Povzetek• - ciklična: PSI; pot e-: PSI⇒PSI (kl a 700nm);• - neciklična: PSII; pot e-: H2O⇒PSII⇒PSI ⇒NADP+:• fotoliza vode: 2H2O⇒(Mn++) ⇒O2+ 4H+ +4e-;• prenos e- na NADP+; PSII (Mn -protein!); Kok et al. 1970;
(H2O + NADP+ + h.√⇒ 1/2O2 + NADPH+H+)• - pseudociklična : PSII,PSI; pot e-: H2O⇒e- iz
H2O⇒PSII⇒PSI⇒O⇒O2• (2H+ + O2+ 2e- ⇒H2O2 (katalaza) ⇒H2O + 1/2O2);
Edwards & Walker 1983; "Mehlerjeva"reakcija)
POVZETEK REAKCIJ IN PRODUKTI SVETLOBNE FAZE:
• 2H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3Pi (H2PO4) + 8-12 FOTONOV⇒ O2 + 2 NADPH + 2H+ + 3ATP + 3H2O;
• 1 molekula H2O⇒ 1/2O2 + NADPH +H+ + 1,5 ATP;
• za redukcijo 1CO2 potrebujemo: 3 ATP + 2 NADPH +H+
• zadošča že neciklična fosforilizacija, a v kloroplastu ne poteka le redukcija ogljika; stresne razmere!! (poraba ATP in NADPH za reparacijo, delo,..)
TEMOTNA FAZA FOTOSINTEZE = KALVINOV CIKEL= RPP CIKEL• Povzetek reakcij:• 6CO2+ 18 ATP + 12 NADPH + 12H+
⇒C6H1206+ 18ADP + 18 Pi + 12NADP+• Proces ne poteka v temi• Sodelujejo številni encimi-temperaturna
občutljivost• Tvorijo se različni c-skeleti, ki se usmerjajo
glede na potrebe rastline
Regulacija Kalvinovega cikla
• Encimatska – 13 encimov, 3 le v kloroplastu (RUBISCO, sedoheptoloze-1,7-bifosfataza, fosforibulokinaza)
• Stanje reducentov in energije (ATP, NADPH)
• Metabolitna (snovi, ki vzstopajo in izstopajo: CO2, O2, 1. akceptor(R-BP,C5), drugi sladkorji)
• Okolje (svetloba, temperatura, voda)
Karboksilacija
• Vezava CO2 na prvi akceptor, sladkor ribuloza bifosfat
• Akceptor mopra biti aktiviran • Problem je pomanjkanje CO2, še posebej
ob zaprtih režah; tedaj vezava kisika, RUBISCO postane RUBISO
• Potek pri večini rastlin:• CO2 (C1) RuBP (C5)→(C6) 2PGK (C3)
FOTORESPIRACIJA• Ob zaprtih režah zmanjka CO2• Na isti substrat se veže kisik ob katalizaciji
istega encima:• O2 (C0) + RuBP (C5)→(C5) 1PG (C3)+1PG (C2,
fosfoglikolat)• Fosfoglikolat se presnavlja v peroksisomih, ob
sodelovanju klooroplastov in mitohondrijev –fotorespiracija (pomen: stres, povezava metabolizma C in N)
• Rešitve: C4, CAM in C1 tipi fotosinteze
C4 FOTOSINTEZA
• Pretežno tropske trave (Poaceae, Amarantaceae, Aizoaceae, Chenopodiaceae)
• Pretežno zerlišča, bogatih, dobro osvetljenih in na hranilih bogatih tal
• Dva tipa karboksilacije v listu; dimorfizemkloroplastov in asimilacijskega parenhima
CAM tip fotosinteze: Crassualacean Acid Metabolism
• Problem odprtosti rež pri pomanjkanju vode; Crassulaceae, Euphorbiaceae, Aizoaceae,Bromeliaceae, Chenopodiaceae,..
• Odprte reže ponoči (manjše sevanje, manjša transpiracija, vezava CO2 iz zraka)
• Podnevi reže zaprte in izraba CO2 iz rezervoarja C4-kislin v vakuoli
• Majhna produkcija a preživetje v zelo sušnih območjih (puščave, polpuščave, epifiti,..
C1 tip vezave
• Vodne rastline- makrofiti• Slaba topnost CO2, visoke temperature• V membrani epiderma je bil odkrit način
privzema CO2 po reakciji:• CO2 (C1) + H2O (C0)→H2CO3→H+ +HCO3
-
• Rastlina sprejme bikarbonat; splošni način pasiranja membran pri vseh rastlinah!!
REDUKCIJA
• Pomeni redukcijo fosfoglicerata v triozo: fofoglicerin aldehid, dihidroksi aceton fosfat
• Porabita se ATP in NADPH2• Reakcija pomeni energetski prag• PGA + NADPH+H + + ATP + h.( (trioze
fosfat; C3 spojina
Regeneracija akceptorja- RuBP
• 6 C5 (ribuloza bifosfat) + 6 C1(CO2) ⇒12 C3⇒6C5, ⇑ 1C6!!
• “feedback” regulacija; ker CO2 pogosto primankuje, je vedno dovolj RuBP, da Kalvinov cikel normalno teče
• Dokazano z izotopi ogljika
AVTOKATALIZA
• - uklanjanje C3, C6 spojin iz strome; sinteza škroba (asimilacijski škrob); eksport saharoze, trioz; povezava s sintezo drugih spojin (eritroza ⇒ riboza⇒RNK; deoksiroboza(DNK; ); sek. metabolizem
“Pool” 4 metabolitov v ravnotežju. Iz snovi A nastaja snov D. metabolični status celice Določa ali nastane D ali pa se “izvozi” že vmesni produkt (B,C).
VPLIVI NA FOTOSINTEZO• I. INTERNI: Stanje in vrsta rastline• II. ZUNANJI: Okolje:• 1. [CO2]• Q= D. ΔC.S/d; D= dif. koeficient (cm2s-1); (c= razlika v konc. CO2
med okoljem in celico; S = povprečna debelina lista; d= dolžina potiza CO2
• H2O/CO2; prevodnost , upornost; rs, ra, ri• 2. [O2]• FOTORESPIRACIJA; DIHANJE• 3. SVETLOBA; 4. TEMPERATURA• 5.VODA; 6. MINERALNA PREHRANA• 7. BIOTIČNI DEJAVNIKI OKOLJA: Herbivori; paraziti (glive, živali,
prokarionti)
Interni dejavniki:RASTLINA
• Vrsta, sorta• Starost• Fenofaza• Organ (list, steblo, plod,..)• Tkiva:klorenhimi (asimilacijski
parenhimi),ostala tkiva• Cela rastlina• Trenutne meritve; akumulirana vezava
Načini meritve fotosinteze
• PQ = O2/CO2 = 1 (idealne razmere)• Vodni ekosistemi: meritve sproščanja O2
• Kopenski ekosistemi: meritve vezave CO2
• Meritve fluorescence (oddane svetlobe)• Meritve “pridelka” (žetveni indeks)• Meritve biomase v časovnih presledkih
Pomen svetlobe pri meritvah fotosinteze:
• Multipli vplivi svetlobe, odvisni od jakosti in spektralnega sestava
• Tipala za meritve učinkov svetlobe (kvantna-fotosinteza, radiacijska-energija celotnega spektra, meritve osvetlitve)
• Meritve fluorescence
“Usoda” energije vzbujenega klorofila a: pretvorba v fotokemično delo (ATP; NADPH2Fluorescenca, pretvorba v toploto
Meritve izmenjave CO2
• IRGA metode (Infra Red Gas Analysis)• Meritve fotosinteze v kopenskih ekosistemih• Meritve neto fotosinteze: Pn=Pg-R (Pn=neto fotosinteze,
Pg=bruto fotosinteza,R= dihanje)• Kardinalne točke neto fotosinteze: spodnja
kompenzacijska, saturacijska, zgornja kompenzacijska (minimum, optimum, pesimum)
• Spreminjanje vplivnih dejavnikov in meritve fotosinteze; standarne razmere
• Svetlobna, CO2 saturacijska krivulja,..• Odprti in zaprti IRGA sistemi; absolutni in diferencialni
način meritev; meritve spremljajočih parametrov
Svetlobna saturacijska krivulja fotosinteze ponazarja odvisnost fotosinteze odjakosti svetlobe
svetlobna saturacija fotosinteze
Svetlobnasaturacijska točka
Svetlobna kompenzacija točka
Izkoristek svetlobe v fotosintezi
Meritve velikosti fotosinteze so lahko na podlagi izmenjave CO2 posameznihrastlin/njihovih organov-največkrat lista (slika levo) ali pa merimo izmenjavo CO2na ravni tipa vegetacije (“eddy covariance metoda, slika desno).
Meritve kompenzacijske točke fotosinteze- svetlobna umiritvena krivulja za senčno insončno adaptirane liste.
*
Svetlobne krivulje netofotosinteze rastlin različnih funkcionalnih skupin,izmerjene pri optimalni temperaturi in “ambientalni”koncentraciji CO2
Shematski prikaz dnevnega spreminjanja izmenjave CO2 v odvisnosti od jakosti Sevanja; C4 rastline imajo veliko večji izkoristek svetlobe kot C3 rastline; skiofitiučinkovito izkoriščajo svetlobo šibkih jakosti
Prikaz odvisnosti dnevnega poteka fotosinteze od radiacije pri C3 (Fagus sylvatica)In C4 rastlini (Zea mays). Izkoristek sevanja je večji pri C4 rastlini.