Fotoszintézis

Dr. Horváth Ferencegyetemi adjunktus

SZTE Növénybiológiai Tanszék

Fotoszintézis: a fény energiájának hasznosítása szerves anyagok szintézisére

A Napból az atmoszférát elérő energiamennyiség: 56 x 1023 J/év

Ennek a fele éri el a Föld felszínét: 28 x 1023 J/év

A fotoszintézisben hasznosulni képes hullámhosszok energiája ebből: 15 x 1023 J/év

Az előállított szerves anyag tömege 2 x 1011 tonna/év, melynek energiatartalma: 3 x 1021 J/év

A fotoszintetizáló szervezetek tehát az arra alkalmas energiának csak 0,2%-át hasznosítják.

A fotoszintézis általános reakcióegyenlete

H2D + A H2A + D Redox reakció, melyben H2D-donor, A-akceptor molekula

fény

A fotoszintetizáló szervezetek döntő többségében a donor molekula a víz,az akceptor molekula a szén-dioxid vagy más molekulák.

2n H2O + n CO2 n (CH2O) + n H2O + n O2

A reakció során tehát a víz oxidálódik, a szén-dioxid pedig redukálódik. A felszabaduló O2 a vízből képződik.

redukált termék

redukció

oxidáció

fény n = 6

Prokarióták zöld, kékes-zöld és bíbor baktériumok,Prochloron-fajok

Eukariótákegysejtű algák,többsejtű zöld-, barna és vörösmoszatok,magasabbrendű növények

A Föld jelenlegi légkörének O2 tartalma fotoszintetikus eredetű!„oxigén katasztrófa” – 2,4 milliárd éve

Fotoszintetizáló szervezetek

Levélér

Levél keresztmetszet

Mezofillum

CO2 O2Sztómák

A növények levele– A fotoszintézis legfőbb helyszíne

Kloroplasztisz– Organellum, melyben a fotoszintézis zajlik

– Tilakoidokat és gránumokat tartalmaznak

Kloroplasztisz

Mezofillum sejtjei

5 µm

Külsőmembrán

Membránok közötti tér

Belsőmembrán

LumenTilakoid

GránumSztróma

1 µm

A fotoszintetikus apparátus szerkezete

Kloroplasztiszok

lencse alakú, 3-10 µm3,

20-60 db/sejtkettős membrán határolja (6 nm vastagságúak, 10-20 nm-es résekkel)sztróma (CO2 redukciós enzimek, klp cirkuláris DNS, 70S riboszómák, keményítőszemcsék)tilakoidmembránok, összefüggő üregrendszer = lumengránumok

sztrómatilakoid

gránatilakoid

sztróma

A kloroplasztisz belső membránrendszerének elektronmikroszkópos képe

keményítő szemcse a sztrómában

pl. reakciócentrumok, antenna pigment-protein komplexek, elektron továbbító fehérjék

A PS II D1 fehérjéjének szerkezete a tilakoid membránban

A tilakoid membránban integráns membránfehérjék találhatók

F. F. Blackman (1905-1911)

Magas CO2 koncentrációnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a fény intenzitásával (alacsony fényintenzitások esetén).

Magas fényintenzitásnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a CO2 koncentrációjával (alacsony CO2 koncentrációk esetén).

A fotoszintézis két szakaszra bontható: „fényszakasz” és „szén-redukció”

A napfény energiakvantumok (fotonok) „esője”, melyből szemünk csak egy adott frekvenciatartományt lát.

nm

A napfény energiatartalma különböző hullámhosszokon

Abszorpciós spektrum:A fényenergia elnyelődése különböző hullámhosszokon

SpektrofotometriaA fény elnyelődése (abszorpciója) a vizsgálandó anyagban (pl. klorofill a molekulák), amely a fényt nem-elnyelő oldószerben van feloldva

Fehér fény

Fénytörő prizma

Klorofill oldat

Fotoelektromos cső

Galvanométer

A rés csak a kiválasztott hullámhosszt engedi át

Zöldfény Az erős sugárzás (alacsony abszorpció)

azt mutatja, hogy a klorofill csak kevés zöld fényt abszorbeál

Kékfény

1

2 3

40 100

0 100

A gyenge sugárzás (magas abszorpció) azt mutatja, hogy a klorofill a legtöbb kék fényt abszorbeálja

Csak az a fény válthat ki fotokémiai reakciót, amely a rendszerben elnyelődik(A fotokémia I. törvénye)

bakterioklorofillokklorofillok (a, b, c, d) kísérőpigmentekfikobilinek

A fotoszintetikus pigmentek

A k

loro

pla

sztis

z p

igm

en

tek

fé

ny

ab

szo

rpci

ója

Klorofill a

A kloroplasztisz pigmentek abszorpciós spektruma.

A fény hullámhossza (nm)

Klorofill b

Karotinoidok

Akcióspektrum: funkció vagy reakció sebessége a fény hullámhosszának függvényében

pl. oxigéntermelés sebessége, a fotoszintézis kvantumhatásfoka

Az akcióspektrum abszorpciós spektrummal való összevetése megmutatja, hogy mely pigmentek milyen mértékben vesznek részt az adott folyamatban.

Theodor W. Engelmann (1883) kísérlete

A prizmával alkotóelemeire bontott fehér fény kék és vörös hullámhosszú komponenseivel megvilágított régió köré gyűlnek az aerob baktériumok a fotoszintetizáló Spirogyra körül

Klorofillok

Porfirin gyűrű – négy pirrolgyűrűből áll

A négy pirrolgyűrű mellett egy öttagú ciklopentanon gyűrű található

Magnézium ion a porfirinváz közepén, amely savas közegben leválik, ekkor a neve: feofitin

Észter kötéssel csatlakozó fitol

Sok klorofill a forma van, melyek közül a P680 és P700 tud fotokémiai reakcióba lépniA többi forma fény abszorbeáló és energiaátadó

Kísérőpigmentek

Karotinoidok

40 C-atomos poliizoprén molekulákKonjugált kettős kötésekα és β-ionon gyűrűk a molekula végein

CH3CH3 CH3

CH3 CH3 CH3 CH3CH3

CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

CH3 CH3 CH3 CH3

CH3

CH3 CH3OH

OH

lutein

-karotin

Két csoport: karotinok és oxigént tartalmazó xantofillokSárga színűek, mert a kék tartományban abszorbeálnakFotoprotektív hatásEnergia közvetítés a klorofillok felé

A klorofill fénnyel való gerjesztése

– Amikor a pigment molekula fényt abszorbeál, az alapállapotból instabil gerjesztett állapotúvá válik

Gerjesztett állapot

Ger

jesz

tési

ene

rgia

Hő

Foton(fluoreszcencia)

Klorofillmolekula

AlapállapotFoton

e–

• Ha az izolált klorofillokat tartalmazó oldatot megvilágítjuk– Fluoreszkál, fényt és hőt ad le

Az antenna-pigmentek az elnyelt fényenergiát a reakciócentrum klorofill a felé továbbítják

A fényenergia vándorlása:antenna pigmentek között: külső és belső antennákreakciócentrumok klorofill a molekulájához: energia csapdázódás

II. fotokémiai rendszer: P680

I. fotokémiai rendszer: P700

Elsődlegeselektronakceptor

Foton

Gránum

Fénybegyűjtőkomplexek

Reakció-centrum

Fotorendszer SZTRÓMA

Tila

koid

mem

brán

Energia transzfer Klorofill a molekulák

Pigmentmolekulák

LUMEN(A GRÁNUM BELSEJE)

e–

A két fotokémiai rendszer működésének kapcsolata

Photosystem II(PS II)

Photosystem-I(PS I)

ATP

NADPH

NADP+

ADP

CALVINCYCLE

CO2H2O

O2 [CH2O] (sugar)

LIGHTREACTIONS

Light

Primaryacceptor

Pq

Cytochromecomplex

PC

e

P680

e–

e–

O2

+

H2O2 H+

Light

ATP

Primaryacceptor

Fd

ee–

NADP+

reductase

ElectronTransportchain

Electron transport chain

P700

Light

NADPH

NADP+

+ 2 H+

+ H+

MillmakesATP

ATP

e–

e–e–

e–

e–

Pho

ton

Photosystem II Photosystem I

e–

e–

NADPH

Pho

ton

A két fotokémiai rendszer működésének kapcsolata

A fotoszintetikus elektrontranszportlánc

FÉNYREAKCIÓ

NADP+

ADP

ATP

NADPH

CALVINCIKLUS

[CH2O] (cukor)SZTRÓMA(Alacsony H+ koncentráció)

Photosystem II

FÉNY

H2O CO2

Citokrómkomplex

O2

H2OO2

1⁄2

Photosystem IFény

LUMEN(Magas H+ koncentráció)

SZTRÓMA(Alacsony H+ koncentráció)

Tilakoidmembrán

ATPszintáz

PqPc

Fd

NADP+

reduktáz

NADPH + H+

NADP+ + 2H+

A Calvin-ciklus felé

ADP+

PATP

H+

2 H++2 H+

2 H+

Fény

A fotoszintetikus elektrontranszportlánc

Az ATP szintáz

Kötésváltoztató mechanizmus

Gyenge kötődés: az aktív centrum gyengén köti az ADP-t és Pi-t

Erős kötődés: az ATP molekula kialakul

Nyitott konformáció: ATP leválás

Funkciója a tilakoid membrán két oldala között kialakuló protongradiens elektrokémiai energiájának kémiai szabadenergiává alakítása.Protontranszfer: 3 proton / 1 ATP molekula (32 kJ/mol)

A kemiozmózis helye a mitokondriumok és kloroplasztiszok esetében különbözik, ám a protonmozgató erőből

mindkettőben ATP képződik

Jelölés

Magasabb [H+]Alacsonyabb [H+]

Mitokondrium Kloroplasztisz

MITOKONDRIUMSZERKEZET

Intermembrános tér

Membrán

Mátrix

Elektron-transzport

lánc

H+ Diffúzió

Lumen

Sztróma

ATPH+

PADP+

ATPSzintáz

KLOROPLASZTISZSZERKEZET

Ciklikus elektrontranszport

Elsődlegesakceptor

Pq

Fd

Citokrómkomplex

Pc

Elsődleges akceptor

Fd

NADP+

reduktázNADPH

ATPPhotosystem II Photosystem I

NADP+

TheDark Biochemistry

avagy a sötét szakasz…

A CO2 asszimilációja:

fixáció és redukció

Ha nem fotoszintetikus úton előállított ATP-t és NADPH-t adunk sötétben lévő kloroplasztiszokhoz, akkor ugyanúgy megtörténik a CO2-fixáció, mintha megvilágítottuk volna őket.

2n H2O + n CO2 n (CH2O) + n H2O + n O2redukált termék

redukció

oxidáció

fény

• A C3-as (primer termék 3-szénatomos molekula) fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus)

• A C2-es fotorespirációs ciklus

• A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus)

• A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben

M. Calvin (1948-1953) tisztázta elsőként a CO2-fixáció folyamatát, azóta több alternatív utat is feltártak

Melvin Calvin,Nobel díj 1961.

1. A C3-as fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus)

Szénben jelzett hidrogénkarbonát ion, H14CO3- adagolásával a

széndioxid fixálás elsődleges termékei kimutathatók

5 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2 D papírkromatografálvaPGA- glicerinsav-3-foszfát

30 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2 D papírkromatografálva

(G3P)

Bemenet

(Egyszerre csakegy lép be)CO2

3

Rubisco

Rövid életidejűköztes termék

3 P P

3 P P

Ribulóz-biszfoszfát(RuBP)

P

Glicerinsav-3-foszfát

P6 P

6

Glicerinsav1,3-biszfoszfát

6 NADPH

6 NADPH+

6 P

P6

Glicerinaldehid-3-foszfát(G3P)

6 ATP

3 ATP

3 ADP CALVIN-CIKLUS

P5

P1

G3P(cukor)

Kimenet

FényH2O CO2

FÉNYREAKCIÓ

ATP

NADPH

NADP+

ADP

[CH2O] (cukor)

CALVINCIKLUS

O2

6 ADP

Glükóz ésmás szerves vegyület

I. fázis: Szén fixáció

II. fázis:Redukció

III. fázis: A CO2 akceptor

RuBP regenerációja

Rubisco: a levél összes fehérje tartalmának több, mint 50%-a

N-raktár, a Föld népességének minden tagjára 20 kg jut…

Évente 200 milliárd tonna CO2-t fixál

A fehér és szürke a nagy alegység dimereket, a narancs és kék a kis alegység dimereket mutatja.

RUBISCO

• Ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz-oxigenáz a reakciót katalizáló enzim a kloroplasztisz sztrómájában

• Kettős enzimaktivitású – karboxiláz és oxigenáz (3:1)

• Kompetíció, ha mindkét szubsztrátum jelen van

• CO2/O2 koncentrációk aránya hőmérséklet-függő, melegben a karboxiláz aktivitás részaránya csökken

FotorespirációAz oxigenáz reakció eredményeképp egy három szénatomos glicerinsav-foszfát és egy két szénatomos glikolsav-foszfát keletkezik. Ez utóbbi nem használódhat fel a Calvin ciklusban.

A fotorespirációs ciklus során viszont a peroxiszóma és a mitokondrium segítségével a szén veszteség csökkenthető.

Összegezés:

Minden 2 molekula glikolsav-foszfát (2 x 2 = 4 C atom), mely a Calvin-ciklusból a RuBP oxigenálódása miatt vész el, 1 molekula glicerinsav-3-foszfáttá (C3) + 1 molekula CO2-dá alakul.

Más szóval, az oxigenálódás miatt elveszett szén 75%-át a fotorespirációs ciklus visszavezeti a Calvin-ciklusba.

A fotorespirációs ciklussal viszont a CO2 fixáció teljes energiaigénye megnő.

2. A C2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus

A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus)

C4-es növények jellegzetességei:

1. A primer fixációs termékek négy szénatomosak, pl. oxálecetsav, almasav és aszparaginsav

2. A négy szénatomos molekulákból 1 szénatom adódik a C3-as ciklus felé

3. Anatómiai különbségek

Probléma: a hőmérséklet emelésével a CO2 és O2 oldhatósága megváltozik úgy, hogy a CO2/O2 arány csökken. Ezért a Rubisco oxigenáz aktivitása erősebbé válik.A sztómák is záródnak a vízvesztés megakadályozása miatt, így tovább csökken a rendelkezésre álló CO2 mennyisége. C4 stratégia

C3 és C4 levélszerkezet

• A C4-es növények anatómiája szembeszökően különbözik a C3-as növényekétől.

• Csak a C4-es növényekben találhatók fotoszintetizáló hüvelyparenchima (bundle sheath) vagy Kranz sejtek.

A kukoricalevél tipikus Kranz-anatómiája

C4 levél szerkezet és a C4 út

CO2

Mezofill sejt

Hüvely-parenchimasejt

Levélér(szállítószövet)

A C4 növény levélfotoszintetizálósejtek

Sztóma

Mezofillsejt

C4 levél felépítés

PEP karboxiláz

Oxálecetsav (4 C) PEP (3 C)

Almasav (4 C)

ADP

ATP

Hüvely-parenchimasejt CO2

Piruvát (3 C)

CALVINCIKLUS

Cukor

Szállítószövet

CO2

• primér fixációs termék C4 sav (oxálecetsav)

• foszfoenol-piruvát (PEP) karboxilálódik

• a C4-es és a C3 ciklus térben elválasztódik: speciális anatómia (mezofill és hüvelyparenchima)

• trópusi, szubtrópusi növényekben

4. A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben

CAM =

Crassulacean Acid Metabolism

Crassulaceae

Cactaceae

Euphorbiaceae

Liliaceae

Bromeliaceae…

A CAM útvonal hasonló a C4 úthoz

A lépések térbeli elkülönülése. A C4 növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus eltérő sejtekben zajlik.

(a) A lépések időbeli elkülönülése. A CAM növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus ugyanabban a sejtben de eltérő időben zajlik.

(b)

AnanászCukornád

Hüvelyparenchima sejt

Mezofill sejt

Szerves sav

CALVINCIKLUS

Cukor

CO2 CO2

Szerves sav

CALVINCIKLUS

Cukor

C4 CAM

CO2 négy szénatomos savakba épül(szén fixálás)

Éjszaka

Nappal

1

2 A szerves savak-ból CO2 szabadulfel a Calvin ciklus számára

A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben

Összefoglalás

Fényreakciók:• A tilakoid membrán molekulái működtetik• A fény energiája ATP és NADPH kémiai energiájává alakul• Vízbontás és O2 kibocsájtás a légkörbe

Calvin-ciklus reakciók:• Sztrómában zajlik• Az ATP és NADPH felhasználásával a CO2 G3P cukorrá alakul• Az ADP, a szervetlen foszfát és a NADP+ visszatér a fényreakcióba

O2

CO2H2O

Fény

Fényreakció Calvin ciklus

NADP+

ADP

ATP

NADPH

+ P 1

RuBP Glicerinsav-3-foszfát

AminosavakZsírsavak

Keményítő(raktározás)

Szacharóz (export)

G3P

II. Fotokémiai rendszerElektrontranszport láncI. Fotokémiai rendszer

Kloroplasztisz