Světlosběrné komplexy rostlin. Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy. (+ světlosběrné komplexy) Rodina Lhc (light harvesting complex)

Transkript

1 Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy (+ světlosběrné komplexy) Světlosběrné komplexy rostlin Rodina Lhc (light harvesting complex) - vyvinuly se z proteinů sinic chránících fotosystémy při skládání SEP stress enhanced protein ELIP early light induced protein HLIP high light induced protein OHP one helix protein Engelken J., Funk C., Adamska I. (2012) The Extended Light-Harvesting Complex (LHC) Protein Superfamily: Classification and Evolutionary Dynamics. In: Functional Genomics and Evolution of Photosynthetic Systems. Springer, Dordrecht, pp [online] URL: _11 (accessed 26 March 2018).

2 LHCII (geny Lhcb1-6) - monomerní i trimerní, hlavně kolem PSII LHCI (geny Lhca1-4) - monomerní, kolem PSI 3 alfa-helixy 14 Chl a/b 2-4 karotenoidy Ballottari M., Girardon J., Dall Osto L., Bassi R. (2012) Evolution and functional properties of Photosystem II light harvesting complexes in eukaryotes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 1817: LHC light harvesting complexes LHCI Lhca1-4 vazba LHCII 2 dimery na PSI LHC1 680 (dimer Lhca2 a 3) LHC1 730 (dimer Lhca1 a 4) fotony do cca 750 nm s nízkou účinností použitelné pro P700 Lhca5-6: vazba NDH (CET) CP26 CP29 CP24 PQ LHCII-trimery (1-3 / PSII): různé kombinace Lhcb1,2 a 3 S silně vázané, M středně, L slabě PQ + monomery Lhcb4-6 (CP29, CP26, CP24)

3 Sinice - fykobilisomy - světlosběrné antény vně membrány sinice rostliny Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy

4 Měření množství dopadající energie světla Ozářenost W.m -2 (osvětlenost ln.m -2 = lux) Fotonová (kvantová) ozářenost mol.s -1.m -2 Vzájemné převody závisí na vlnových délkách fotonů (tedy přesné jsou jen pro monochromatické světlo)! PAR photosynthetically active radiation - kvantová ozářenost v rozmezí vlnových délek nm Závislost rychlosti čisté fotosyntézy (P N ) na ozářenosti (PAR) - s rostoucí ozářeností klesá účinnost využití záření 3 0 0,0 7 ε - kvantový výtěžek (mol CO 2 /mol fotonů) kvantum = foton P N (µmol CO 2 m -2 s -1 ) P N ε 0,0 6 0,0 5 0,0 4 0,0 3 0,0 2 0,0 1 ε (mol CO 2 mol -1 quanta) -5 0, P A R (µ m o l m -2 s -1 ) ε- max. teoretická hodnota = 0,125 mol CO 2 / mol kvant (min. kvantový požadavek Q (ε = 1/Q) je: Q = 8 mol kvant / mol CO 2 ) 2 H 2 O 4 e- 4 fotony v PSII 4 fotony PSI 2 NADPH Na redukci každé ze dvou fosfoglycerových kys. vzniklých po navázání CO 2 na ribulóza-1,5- bisfosfát je potřeba 1 NADPH (které se oxiduje)

5 Fotoinhibice soubor procesů projevujících se snížením rychlosti fotosyntézy při zvyšující se ozářenosti P N fotoprotekce = snížení účinnosti fotoinhibice = snížení počtu funkčních fotosystémů (PSII) ozářenost Fotoprotekce - snížení E přenesené do RC (ε) (= méně E do fotochemie) - předcházení fotopoškození a fotoinhibici (rychle vratné změny) Fotoinhibice příčina: Fotopoškození - snížení počtu funkčních fotosystémů - fotosyntetických struktur (proteinů) - UV světlo, ale i PAR, oxidativní poškození (ROS, P680 +, ) ROS: 1 O 2 - nastává i za nízké ozářenosti, ale rychlá oprava nenastává fotoinhibice - za vysoké ozářenosti vede k fotoinhibici

6 Fotoinhibice soubor procesů projevujících se snížením rychlosti/účinnosti fotosyntézy při zvyšující se ozářenosti = nerovnováha mezi poškozováním a opravou PSII (D1 proteinu) Rychlost opravy (z předchozího 90% poškození) Rovnováha Rychlost fotopoškození (+lincomycin) = jen poškození Fotopoškození mechanismy a cíle PSII 1) blok transportu elektronů 2) poškození D1 ( D2, proteiny cyt b559) Vysoká ozářenost (poškozování PSII D1 za světla pořád!): donorová strana: 1) poškození OEC 2) P oxidativní poškození okolí akceptorová strana PSII: málo oxid. PQ 3 P680* 1 O 2 (x PTOx, STN7) Nízká ozářenost: Q B- - možná rekombinace náboje zpět na P680 3 P680* 1 O 2

7 Fotopoškození mechanismy a cíle PSI - jen při nízké teplotě - zřejmě inhibicí aktivity SOD Cu/Zn - kumulativní poškození celého PSI 1. O 2- poškození FeS klastrů (F A, F B ) 2. blok transportu e - Pomalá oprava mnoho dní po přenesení do tepla Oprava PSII výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) D1 protein v PSII hlavní cíl fotopoškození Odbourání 1. fosforylace proteinů PSII (STN8, příp. STN7- především LHCII) 2. odpoutání LHCII, monomerizace 3. transport do strom. membrán, defosforylace (PBCP) 4. odpoutání CP43 a OEC proteinů; 5. degradace D1 (FtsH, Degs) Vložení nového 1. kotranslačně (interakce s D2 a cyt b559) 2. odštěpení C-konce v luminu, 3. začlenění CP43, 4. připojení dalších podjednotek (OEC), 5. do gran, dimerizace, +LHCII

8 Fotoinhibice je způsobena příliš silnou ozářeností Původní představa: - D1 je poškozován přebytkem záření zachyceného fotosyntetickými pigmenty ALE rychlost fotopoškození (při bloku opravy chloramfenicolem, lincomycinem) je zcela úměrná ozářenosti! (tedy nastává i při nízké!) - účinné vlnové délky se liší od absorpce Chl a karotenoidů

9 Fotoinhibice důsledek nerovnováhy mezi poškozením a opravnými pochody Revize: ozářenost vede k fotopoškození D1, příliš silná ozářenost vede k inhibici reparace D1 Primární poškození: Cíl především Mn klastr - přímá absorpce záření (max. UV, žluté) - uvolnění Mn neredukuje se primární donor P680 + (alt. donor ascorbate!) - P680 + poškození D1 (role fotonů zachycených fotosynt. pigmenty nejasná) Výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) - silně inhibována [ROS] ~ ozářenosti! - inhibice translace D1 (EF-G)

10 Fotoprotekce I: ochrana před nadbytečným tokem energie do listů Strukturní úroveň listu - paraheliotropismus (x dia-) - tenčí listy, ochranné pigmenty (x UV, VIS) (fenolické l., antokyany, flavonoidy) úroveň buňky: dlouhodobé: méně chloroplastů, krátkodobé: pohyb chloroplastů - méně poškození, méně ROS (opravy stíhají) pevné nastavení není tropismus Fotoprotekce II Zhášení ROS: - hlavně na PSI - tvorba O 2- ( 1 O 2 na PSII) - inhibice chloroplastové translace (EF-G)

11 Fotoprotekce III: ochrana před nadbytečným tokem energie do fotosystémů Změny na úrovni chloroplastu pomalejší: méně LHCII a LHCI ku PSII a PSI (rel. rychlá degradace LHC 1,2,3 a 6) méně PSI a PSII ku Rubisco krátkodobé: - State transitions (regulace excitace PSII x PSI) - zvýšení disipace: Xantofylový cyklus + protonace PsbS State transitions Vyvážení excitace PSII x PSI - různé absorpční spektrum odlišné reakce na kvalitu (barvu) a intenzitu světla - řízeno redox stavem PQ (redukovaný -> fosforylace LHCII - > přesun LHCII od PSII (grana) k PSI (stromatální tylakoidy) When PSII, PSI and downstream metabolism are balanced, the PQ pools is distributed between PQ (oxidized) and PQH 2 (reduced) High light (or light that favors PSII) or conditions that decrease downstream metabolism lead to an over-reduction of the PQ pool

12 Reduced PQH 2 activates LHCII kinase and promotes state transition LHCII kinase (STN7) phosphorylates LHCII. Some LHCII relocates to PSI Accumulation of PQH 2 activates LHCII kinase Minagawa, J. (2013). Dynamic reorganization of photosynthetic supercomplexes during environmental acclimation. Front. Plant Sci. 4: 513. State 1 LHCII trimer LHCII phosphorylation also prevents light energy from being passed to PSII ATP synthase Cyt b 6 f PSI-LHCI supercomplex State 2 LHCII trimer (quenched) A current model indicates that state transitions balance PSII and PSI mainly by quenching LHCII energy transfer to PSII Nagy, G., Ünnep, R., et al.. and Minagawa, J. (2014). Chloroplast remodeling during state transitions in Chlamydomonas reinhardtii as revealed by noninvasive techniques in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111: See also Ünlü, C., Drop, B., Croce, R. and van Amerongen, H. (2014). State transitions in Chlamydomonas reinhardtii strongly modulate the functional size of Photosystem II but not of photosystem I. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111:

13 Disipace energie LHCII Xanthofyly anteraxanthin a zeaxanthin - zvýšená disipace světelné energie (teplo): chl excit + karotenoid => karotenoid excit + chl karotenoid + teplo (kinetická E) - přenos E není doprovázen přenosem e- mezi pigmenty Xantofylový cyklus - VDE (violaxanthin deepoxidáza) modifikace (deepoxidace) karotenoidů - zvýšení schopnosti odvádění (nadbytečné) energie z chlorofylu - méně energie do fotochemie Diurnální změny: - violaxanthin a zeaxanthin - anteraxanthin poměrně stabilní Místo disipace - nejvíce v LHCII Regulace?

14 Disipace světelné energie xantofyly Regulace prostřednictvím ph v lumen tylakoidu - aktivace violaxanthin deepoxidázy (VDE) - PsbS protein (protonizace) - zřejmě úloha v odpoutávání a změně konformace LHCII - neváže karotenoidy - zhášení až 80 % excitovaných singletových chlorofylů - u zastíněných zůstává deepoxidovaný stav déle - u jehličnanů v zimě permanentně deepoxidováno Disipace světelné energie xantofyly Regulace prostřednictvím ph v lumen tylakoidu v širším kontextu: PQH 2 / PQ aktivace STN7 kinázy fosforylace LHCII oslabení PSII posílení cykl. transportu elektronů nižší ph v lumen (vyšší gradient H + ) aktivace VDE + protonace PsbS vyšší disipace méně energie do fotochemie, méně ROS rychlejší reparace D1

15 Disipace karotenoidy v LHCII - odpoutání od PSII (role PsbS) Disipace světelné energie = nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu Fluorescence chlorofylu 680 nm LHCII 685 nm CP nm CP nm PSI core 740 nm LHCI C3 rostliny: % fluorescence z PSII

16 Fluorescence chlorofylu Kautského efekt (1931): - rychlý nárůst a pomalý pokles fluorescence po ozáření listu adaptovaného na tmu za nárůst fluorescence je zodpovědný PSII fluorescence PSI - vcelku neměnná Fluorescence chlorofylu Osud energie ze světla fotochemie (uložení energie) absorbované světlo fluorescence (vyzáření energie) další procesy (nefotochemické zhášení atd.... teplo)

17 Fluorescence chlorofylu Osud energie ze světla Málo světla fotochemie (uložení energie) absorbované světlo fluorescence (vyzáření energie) další procesy (nefotochemické zhášení atd.... teplo) Fluorescence chlorofylu Osud energie ze světla Hodně světla (saturační ozářenost) těsně po ozáření absorbované světlo fotochemie (uložení energie) fluorescence (vyzáření energie) další procesy (nefotochemické zhášení atd.... teplo)

18 Fluorescence chlorofylu Osud energie ze světla Hodně světla později po ozáření fotochemie (uložení energie) fotochemické zhášení fluorescence absorbované světlo fluorescence (vyzáření energie) další procesy (nefotochemické zhášení atd.... teplo) nefotochemické zhášení fluorescence (nonphotochemical quenching, NPQ) Maximum quantum yield of PSII F v Maximum quantum yield of PSII F v /F m = (F m F 0 )/F m

19 OJIP křivka - chloroplasty ze tmy ( dark adapted ): 1. krátký pulz o nízké intenzitě (fotoaktivace) 2. hodnota fluorescence F o (Origin) - všechna reakční centra otevřená (mohou přijímat kvanta) = Q A oxidovaný 3. kontinuální, saturační světlo F m (Peak) - za cca 1 s všechna reakční centra uzavřená (Q A plně redukovaný) - změny při nižší ozářenosti 3 = saturační OJIP fotochemická fáze (0-J) na ozářenosti tepelná fáze (J-I-P) teplotě inflexní body = zhášení fluorescence! (různé mechanismy) - ne zcela jasné! Fotochemické zhášení fluorescence chlorofylu

20 Fluorescence chlorofylu F 0 všechny PSII otevřené F m všechny PSII uzavřené F s steady state fluorescence při daném osvětlení Fotochemické zhášení fluorescence chl qp = (F m F s )/(F m F 0 ) - podíl otevřených PSII Nefotochemické zhášení fluorescence chl (NPQ) qn = (F m F m )/(F m F 0 ) F v F v = F m F 0 maximální variabilní fluorescence φ = F v / F m = (1 - F 0 / F m ) max. účinnost využití excitační energie PSII (poměrně konstantní = 0,83 kvantovému požadavku 9-10 fotonů na O 2 ) zapínání NPQ vypínání NPQ Nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu (NPQ) = fotoprotekce qn = q E + q T + q I q E feed-back deexcitation (ph aktivace: VDE, PsbS) q T state transition (fosforylace LHCII přesun k PSI) q I fotoinhibice (poškozené fotosystémy disipují)