Fotosyntézu lze schematicky vyjádřit: hv CO2 + 2 H2O (CH2O)+ O2 + H2O. Rozčlenění pochodů v chloroplastu na membránové a enzymové:

Transkript

1 Fotosyntéza

2 Fotosyntézu lze schematicky vyjádřit: hv CO2 + 2 H2O (CH2O)+ O2 + H2O Rozčlenění pochodů v chloroplastu na membránové a enzymové:

3 Kde všude jsou fotosyntetické organismy?

4

5 Yoon et al. (2006)

6 (Archibald2009)

7 oxygenní fotosyntéza

8 Primární pochody Membrána tylakoidu - 4 supramolekulární komplexy: en.wikipedia.org

9

10 Zjednodušený model světlosběrného systému a RC Oba fotosystémy obsahují fotochemické reakční centrum a světlosběrný systém Reakční centrum + antény

11 Světlosběrné antény: fykobiliproteiny nebo LHC

12 Fykobilisomy Proteinové komplexy nachází na cytoplasmatickém povrchu thylakoidů sinic, ruduch a glaukofyt, skrytěnky fykobilisomy nemají připojují se k fotosystému II fykobilisomy sinic ruduch

13 Fykobilisomy Fykobilisomy na tylakoidech v chloroplastu ruduchy Porphyridium cruentum; ultratenký řez buňkou a fykobilisomy zachycené metodou freeze-fracturing.

14 Evoluce světlosběrných antén: cyanobacterial ancestor Primární endosymbióza ztráta BPS LHC s a a b ztráta ch b LHC s a Sec. endosymbióza LHC s a a c

15 Pigmenty

16 Elektromagnetické záření ze Slunce PAR: nm Průnik záření do vody

17 Úloha fotosyntetických pigmentů: vlastní fotochemická přeměna energie v reakčních centrech (ch a) zachycení fotonů a přenos excitace do reakčního centra (barviva zabudovaná v bílkovinných molekulách světlosběrných antén - ch a a b i chlorofyly c, d, fykobiliny a xanthofyly) ochrana fotosyntetického aparátu před nežádoucí nebo nadměrnou excitací chlorofyly fykobiliny karotenoidy

18 Chlorofyly Porfyriny - tetrapyroly s uzavřeným kruhem, vzájemně spojené metinovými můstky iws.collin.edu fytylový řetězec ukotvuje v membráně

19 Vznik molekuly porfobilinogenu kondenzací 2 molekul kyseliny δ - aminolevulové d-aminolevulová kys. porfobilinogen (PBG) 4x uroporfyrinogen protoporfyrinogen oxidace protoporfyrin chelatace Mg 2+ methyl magnesium protoporfyrin 5. izocyklický kruh methyl magnesium feoporfyrin redukce prochlorofylid a redukce chlorofylid a esterifikace C 17 fytolem chlorofyl a

20 Chlorofyl c Chlorofyl d plantphys.info Acaryochloris marina

21 Chlorofyl v buňkách sinic a chloroplastech řas Cyanophyta: chlorofyl a, (b, d) Glaucophyta: chlorofyl a Rhodophyta: chlorofyl a Chlorophyta a Charophyta: chlorofyl a, b Chrysophyceae: chlorofyl a, c 2, (c 3 ) Synurophyceae: chlorofyl a, c 1 Tribophyceae: chlorofyl a, c 1, c 2 EusGgmatophyceae: chlorofyl a Bacillariophyceae: chlorofyl a, c 1, c 2, c 3 Fucophyceae: chlorofyl a, c 1, c 2, c 3 Dinophyta: chlorofyl a, c 2 Haptophyta: chlorofyl a, c 1, c 2 Cryptophyta: chlorofyl a, c 2 Euglenophyta: chlorofyl a, b

22 Fykobiliny, fykobiliproteiny tetrapyroly s otevřeným kruhem akcesorické pigmenty u sinic, ruduch, skrytěnek a Glaucophyt lineární substituované tetrapyrolové řetězce, vznikají oxidačním otevřením porfyrinového kruhu kovalentně navázány na bílkovinu fykobiliproteiny liší se polohou absorbčních vrcholů a tudíž barvou allofykocyanin (APC) - modrá s odstínem do zelena; nm fykocyanin (PC) - fialová až tmavě modrá; nm fykoerythrocyanin (PEC) fialová; 575 nm fykoerythrin (PE) červená; nm

23 Základní stavební jednotka alfa beta heterodimer (=monomer) Hexamer = (ab)6 heterodimer skládání fykobilisomů z podjednotek

24 Fykobiliproteiny skrytěněk Fykobiliproteiny skrytěnek se nacházejí v lumenu thylakoidů. Jejich součástí jsou fykobiliny: fykoerythrobilin (PEB); fykocyanobilin (PCB); dihydrobiliverdin (DBV), bilin 584; bilin 618 a bilin 684.

25 Karotenoidy isoprenoidy, základní skelet obsahuje 40 uhlíků světlosběrná barviva v anténách Maximum absorpce nm ochrana fotosyntetického aparátu před fotoinhibicí (poškozením nadměrným světlem) Primární X sekundární polyisopreny uhlovodíkové = karoteny beta karoten polyisopreny kyslíkové = xantofyly fucoxanthin

26 Biosyntéza karotenoidů redukce dekarboxylace fosforylace

27 Karotenoidy syntéza β karotenu reakce se účastní tři enzymy: fytoen syntáza dehydrogenáza cycláza

28 Některé xantofyly produkované de novo pouze řasami

29 Rozdělení karotenoidů u sinic a řas Cyanophyta: b-karoten, echinenon, zeaxanthin, myxoxanthofyl, b-cryptoxanthin Glaucophyta: b-karoten, zeaxanthin, b-cryptoxanthin Rhodophyta: a, b-karoten, zeaxanthin, (lutein, b-cryptoxanthin) Chrysophyceae: b-karoten, neoxanthin, zeaxanthin, (diadinoxanthin, diatoxanthin) Tribophyceae: b-karoten, diadinoxanthin, diatoxanthin, vaucheriaxanthin, heteroxanthin EusGgmatophyceae: b-karoten, vaucheriaxanthin, violaxanthin Bacillariophyceae: b-karoten, fukoxanthin, diadinoxanthin, diatoxanthin, zeaxanthin Fucophyceae: b-karoten, fukoxanthin, violaxanthin, (diadinoxanthin, diatoxanthin) Haptophyta: b-karoten, fukoxanthin, diadinoxanthin, diatoxanthin Cryptophyta: a-karoten, alloxanthin, monadoxanthin, crocoxanthin Dinophyta: b-karoten, diadinoxanthin, dinoxanthin, peridinin Euglenophyta: b-karoten, neoxanthin, (diadinoxanthin, diatoxanthin) Chlorophyta a Charophyta: antheraxanthin, a, b-karoten, lutein, syphonoxanthin, syphonein, neoxanthin, violaxanthin, zeaxanthin

30 Sekundární procesy fotosyntézy glyceraldehyd-3-fosfát izomeráza dihydroxyacetonfosfát fruktóza-1,6-bisfosfát Pi fruktóza-6-fosfát glukóza-6-fosfát glukóza Pi

31 RuBisCO Nejhojnější protein na Zemi 4 velké a 4 malé podjednotky Oxygenázová aktivita fotorespirace pyrenoid Chlamydomonas

32 RuP 2 + CO 2 + H 2 O 2 x 3-phospho glycerate RuP 2 + O 2 3-phospho glycerate + phosphoglycolate glycine defosforylace NH 3 CO 2 chloroplast peroxisom mitochondri

33

34 Relativní faktor selektivity RuBisCO...S rel popisuje schopnost RuBisCO rozlišovat mezi O 2 a CO 2 nižší S rel pro danou koncentraci O 2 a CO 2, vyšší oxygenázová aktivita produk. Více fosfoglykolátu

35 Proč buňky fotorespirují? 1. Pouze relikt - dříve nebylo v atmosféře tolik kyslíku 2. ochrana proti nadměrnému ozáření při nízké koncentraci CO 2 - využití přebytečné energie získané absorpcí světla, brání chronické fotoinhibici

36 Dostupnost CO 2 Problém vodního prostředí a fotorespirace Adaptace: aktivní zvyšování intracelulární koncentrace anorganického uhlíku v okolí RuBisCO carbon concentrating mechanism (CCM) CCM je u všech sinic a mnoha řas různé mechanismy, ale cíl stejný

37

38 Sinice Všechny sinice mají CCMs CO 2 přes PM difůzí, bikarbonát aktivní pumpa Karboxyzomy obsahují karbanhydrázu (CA) Prochlorococcus Na +, bikarbonát symport

39 AkGvní transport HCO 3 - u sinic Karboxysomy (u sinic a Glaucophyt) útvary uzavřené jednovrstevnou proteinovou membránou, obsahují enzym RubisCO a karboanhydrázu. Bílkovinný obal karboxyzomu zvyšuje karboxylázovou akyvitu Rubisco. Hypotéza: enzym obalený v karboxyzomu je nucen do konformace, která upřednostňuje vazbu CO 2 před O 2.

40 Eukaryontní řasy Pyrenoid - obdoba karboxyzomu ne všechny řasy s CCMs ho mají! CCMs na PM, vnitřní plasydové membráně nebo obou Energized entry of CO 2 or HCO 3 - Energized flux of H + to cell wall, conversion of bicarb. to CO 2 Plasmalemma or plasyd envelope or both rubisco in stroma/pyrenoid plasmalemma, CO 2 flux to rubisco in stroma many algae characean green algae C4 metabolism Udotea, Thalassiosira weissflogii

41 Energized flux of H + to thylakoid lumen, conversion of bicarbonate to CO 2 thylakoids, CO 2 flux to rubisco in pyrenoid freshwater green microalga Chlamydomonas

42 CCMs nemají Chrysophyceae, Synurophyceae někt. lichenizované kokální (Coccomyxa) sladkovodní ruduchy v rychle tekoucích vodách hlubokomořské ruduchy některé pikoplanktonní

43 Chlororespirace fce: nejasná, několik hypotéz získání ATP za tmy, udržení ATP synthasy v aktivním stavu, fotoprotekce - sink pro fotosynteticky vzniklé redukční ekvivalenty (NADPH) spotřeba O 2 na thylakoidních membránách ve tmě oxidace H + a e - do poolu PQ sinice, řasy, cévnaté rostliny modelové organismy e - redukce H + tvorba gradientu

44 Specifičnost fotosyntézy u některých sinic Adaptace sinic na zvyšující se koncentraci sulfidů v prostředí (horké prameny, microbial mats) nízká koncentrace např. Synechoccocus lividus, S. elegans, tolerantní druhy s oxygenní fotosyntézou (rezistentní PSII) nad 200 µm např. Oscillatoria amphigranulata, Microcoleus chthonoplastes, efekyvní přepínání mezi anoxygenní a oxygenní fotosyntézou - adaptace na prostředí, kde kolísá obsah H 2 S a O 2 nad 1mM - Oscillatoria limneeca, Aphanothece halophylica, anoxygenní fotosyntéza, PSII kompletně zablokován (reverzibilně) 2H 2 S + CO 2 [CH 2 O] + 2S + H 2 O Nutné světlo!! Oscillatoria limneeca

45 Fluorescence chlorofylu

46 Fotochemické a nefotochemické zhášení fluorescence Princip

47 Excitace chlorofylu: plantphys.info

48 Analýza zhášení (quenching analysis) Temnostní adaptace Kautského efekt Aktinické světlo Měřící světlo PAM fluorometrie : modulovaný zdroj světla

49 Analýza zhášení (quenching analysis)

50 Základní parametry - přehled TMA SVĚTLO F 0, F M F V = F M - F 0 F (F S, F t ) F M F V /F M = (F M - F 0 )/ F M Maximální kvantový výtěžek PSII (u vyšších rostlin okolo 0.8) (F M - F )/F M = φ PSII Kvantový výtěžek PSII na světle

51 Electron transport rate ETR = φ PSII * PPFD * a L * PSII/PSI ozářenost Kvantový výtěžek na světle Absorbance listu Poměr absorbce světla mezi fotosystémy retr = φ PSII * PPFD ð saturační křivky obdoba P-I křivek

52 Zvláštnosti sinicové fotosyntézy a fluorescence Fykobilizómy Jen jedna membrána Větší poměr PSII:PSI ð F V /F M není spolehlivým indikátorem stavu PSII Cronodon.com

53 AquaPen (PSI) Přístroje - příklady PAM fluorometr (Walz) FluorCam (PSI)

54 Příklady využití v konkrétních studiích Gray et al. (2007), Plant, Cell & Environment

55 Herburger et al. 2015

56 Aigner et al Zygogonium ericetorum

57 Výhody a nevýhody metody Neinvazivní in vivo metoda stanovení fotosyntegcké akgvity a fyziologického stavu Snadné a rychlé získání dat Velmi drahé přístrojové vybavení Nejednotná terminologie Interpretace naměřených dat