Fotosyntéza. Ondřej Prášil

Transkript

1 Fotosyntéza 4 Ondřej Prášil prasil@alga.cz

2

3 Funkce fotosyntetických pigmentů Zachycení a přenos fotonů (B)chlorofyly a,b,c,d,e, fykobiliny, xanthofyly Fotochemická přeměna energie RC Chlorofyl a, Bchl a, Bchl b Ochrana před triplety a nadměrnou excitací Karoteny, xanthofyly Strukturní funkce Karoteny, xanthofyly

4 Fotosyntetické pigmenty: Porfyríny (bakterio)chlorofyly, feofytiny - fykobiliny Polyisopreny karotenoidy (karoteny, xanthofyly)

5 Porfyríny pyrol > tetrapyrol = porfin > porfyriny Rozměry jádra 15 x 15 Angstremů MW

6

7 1818 Pelletier, Canta Chlorofyly

8 Chlorofyly Porfyrinová hlava : tetrapyrol + Mg (kovalentní + koord. vazby) Fytolový řetězec (terpenový alkohol C20) ocásek, ukotvení v membráně Všechny světlosběrné pigmenty mají rozsáhlé systémy -vazeb a delokalizované elektrony Velká velikost a prstencová struktura umožňuje delokalizaci e - v orbitalech Chemické skupiny a H + udržují elektrony v jedné rovině a zvyšují absorbci v červené oblasti spektra 1915 Richard Wilstatter vzorec, Mg 1930 Hans Fischer úplná struktura 1965 Richard Woodward syntéza chl

9 Aromatické látky delokalizovaný systém elektronů počet uhlíků [4n +2] stabilní 6, 10, 14, 18 benzen ANO cyklooktatetraen NE Huckelova teorie orbitalů (30. léta) vazebné a anti-vazebné orbitaly HOMO highest occupied molecular orbital LUMO lowest unoccupied m.o. cyklooktatetraen - biradikál, nespárované el.

10 Absorbce světla Absorbce přesune e - do vyššího excitovaného stavu (10-15 s) Pokud je nestabilní, energie se ztratí ve formě tepla (S 1 na S s) S 1 může energii rezonančně předat (RET) d 6 a orientaci pigmentů (10-12 s) vyzářit jako fluorescenci (10-8 s)

11

12

13 Spektroskopie porfyrinů B a Q přechody ve viditelné oblasti substituenty kruhu centrální atom kovu Soret (B) Q x Q y

14 Spektroskopie porfyrinů B a Q přechody ve viditelné oblasti substituenty kruhu centrální atom kovu

15 in vivo spektra: určující je vazba pigment-protein

16 Chlorofyly a, b

17 methyl formyl

18 Chlorofyl a Chlorofyl b v diethyléteru

19 Chlorofyl c

20 Chlorofyl c není chlorin chybí fytylový ocásek

21 Chl c pouze u sekundárních symbiontů červené linie

22 vinyl formyl Chlorofyl d Acaryochloris marina didemnid ascidian Trididemnum paracyclops

23 Chlorofyl d Chlorofyl c v diethyléteru

24 Chlorofyl f Science - září 2010

25

26 Feofytin feofytin nebosahuje centrální atom kovu má nahnědlou barvu je v reakčních centrech

27 Bakteriochlorofyly

28 Bacteria

29

30 acetyl

31

32

33 Syntéza porfyrinů

34 živočichové ALA z glycinu a sukcinyl CoA v mitochondriích (Sheminova dráha) David Shemin g [ 15 N]glycin

35 živočichové ALA z glycinu a sukcinyl CoA v mitochondriích (Sheminova dráha) Rostliny kys.glutamová Porhyrbilinogen pacienti s porphyrií

36

37

38 Tetrapyrrole biosynthetic pathway Chlorophyll branch

39 Tetrapyrrole biosynthetic pathway Etioplast vs. chloroplast IN DARKNESS Etiolated plants Dividing etioplast Prolamelar body Pchlide-NADPH-enzyme complex UPON ILLUMINATION Chlorophyll Thylakoid membranes Mature chloroplast Green plants

40 Tetrapyrrole biosynthetic pathway Protochlorophyllide reduction A D B C light-dependent POR dark-operative POR Protochlorophyllide Chlorophyllide LIGHT Light-dependent NADPH:protochlorophyllide oxidoreductase Dark-operative Protochlorophyllide reductase DARKNESS SDR superfamily Nitrogenase-like cyanobacteria algae bryophytes pteridophytes angiosperms gymnosperms anoxygenic bacteria cyanobacteria algae bryophytes pteridophytes gymnosperms

41 Light-dependent NADPH:Protochlorophyllide oxidoreductase

42

43 Regulace syntézy tetrapyrolů

44 Heme biosynthesis pathway Two different ways of 5-Aminolevulinate (ALA) synthesis Remaining 7 steps are conserved among all organisms Photosynthetic organisms use the same pathway for the Chlorophyll synthesis Eukaryotes differ in the origin of the genes and intracellular localisation of the enzymes

45 Chlorophyll Biosynthesis in Photosynthetic eukaryotes In the Photosynt. Cell, the majority of the end-products are needed in the Plastid Chlorophyll is synthesized in much higher rate than the Heme. Most Heme is used in the Plastid for cytochromes and for synthesis of Bilin Chromophores Only small portion of the heme is needed in mitochondrion for respiratory complexes

46 Chlorophyll Biosynthesis in Chromera velia Chromera possesses ALAsynthase that is normally found only in heterotrophic eukaryotes Chromera velia is the only alga studied so far that is able to synthesize Chlorophyll a from Glycine and Succinyl-CoA

47 Syntéza hemu v mitochondriích

48 Chlorophyll Biosynthesis in Chromera velia

49 Fykobiliny Lineární tetrapyroly, vznikají oxidačním otevřením tetrapyrolového kruhu ve vodě rozpustné Two classes of phycobilins: phycocyanin (left) and phycoerythrin (right).

50

51 Kovalentní thioetherová vazba mezi cysteinem a vinylovým řetězcem

52

53 Fykocyanin

54 Sinice Fykoerythrin 550 nm Fykocyanin 620 nm Allofykocyanin 650 nm

55 Fykobiliny: sinice glaukofyta ruduchy skrytěnky

56 Sinice

57 Ruduchy

58 Karotenoidy Pomocné pigmenty, strukturní funkce a disipace energie Tetraterpeny (40 C) vytvořené z 8 isoprenových jednotek, délka 30 A Systém konjugovaných dvojných vazeb, symetrie, terminální alicyklické kruhy Syntéza v chloroplastu Car / chl 0,5 Xantofyly + atomy kyslíku

59

60

61

62 ISOPREN

63

64

65

66 Pigmenty taxonomické markery fytoplanktonu

67

68 The role of carotenoids is not only to transfer energy, but also to protect the cell against damage by O 2 at high light intensities. If the antenna is flooded with light too rapidly for the reaction centers to be reoxidized, then the antenna chlorophylls discharge most of the extra energy as fluorescence and heat. However, the excited molecules also have an opportunity to evolve into an excited triplet state, inwhichthe spins of the two unpaired electrons are parallel (Fig. a). These excited triplet states are relatively long-lived. They cannot decay to the ground state (singlet) unless the electronic spin changes again, and this does not happened readily. reaction with O 2 The phosphorescence is too slow compared to a reaction between the triplet 3 Chl* and O 2

69 One way that they do decay is by reacting with O 2 molecules which has a triplet ground state (see chap 14, slide 18). The reaction returns the chlorophyll to its ground state and promotes the O 2 to an excited singlet state (Fig. b) This change can have lethal consequences for the cell because singlet O 2 is extremely toxic. It reacts irreversibly with a variety of groups in proteins, nucleic acids and lipids. Carotenoids (Car) prevent these destructive side reactions by quenching the excited triplet chlorophyll before it has a chance to react with O 2 (Fig. c). In this process, the chlorophyll returns immediately to its ground state, and the carotenoid is elevated to an excited triplet state. The carotenoid triplet state cannot generate singlet O 2 because it lies below the singlet O 2 in energy. Instead, it decays harmlessly to the ground state. Carotenoids also can quench singlet O 2 itself.

70 Konec