Základy biochemie KBC / BCH. Fotosyntéza. Inovace studia biochemie prostřednictvím e-learningu CZ / /0407

Transkript

1 Základy biochemie KB / B Fotosyntéza Inovace studia biochemie prostřednictvím e-learningu Z / /0407 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 snova Úvod hloroplasty Světlo absorbující pigmenty Světelná reakce alvinův -Bensonův cyklus (RUBIS) Fotorespirace Rostliny 4 a AM

3 Fotosyntéza - úvod Fotosyntéza fixuje ročně asi tun uhlíku, což reprezentuje kj energie. Fotosyntéza u rostlin je dvoustupňový proces při kterém se světelná energie využívá k oxidaci 2 : [ ] Současně získané elektrony se využívají k redukci 2 : 4 [ ] + 2 ( 2 ) + 2 Dva stupně fostosyntézy se tradičně uvádí jako světelná fáze a temnostní fáze. Místem fotosyntézy u eukaryot (vyšší rostliny a řasy) jsou chloroplasty. Buňky obsahují 1 až 1000 chloroplastů tvaru elipsoidu o rozměrech asi 5 μm délky.

4 hloroplast kukuřice Vnější membrána Lamela Vnitřní membrána Mezimembránový prostor Grana Stroma Prostor thylakoidu

5 Fotosyntetizující kyanobakterie Anabaena (zvětšení 450 x). Předkové se evolučně přetvořili na současné chloroplasty.

6 Světlo absorbující pigmenty hlorofyl - cyklický tetrapyrrol s centrálním atomem Mg 2+. Prekurzorem je stejně jako u hemu protoporfyrin IX. lavní formy chlorofylu u rostlin a cyanobakterií jsou: hlorofyl a (hl a) a chlorofyl b (hl b), u fotosyntetizujících bakterií jsou to bakteriochlorofyl a (Bhl a) a bakteriochlorofyl b (Bhl b). hlorofyly jako vysoce konjugované sloučeniny silně absorbují viditelné světlo. Malé rozdíly v chemické struktuře silně ovlivňují jejich spektra. Fotosystémy I a II jsou lokalizovány v thylakoidní membráně chloroplastů. Fotosystém I (PS 700) je transmembránový multipodjednotkový komplex (10), absorbuje světlo kratší vlnové délky než 700 nm. Vytváří NADP. Fotosystém II (PS 680), transmembránový komplex 20 podjednotek, přenos elektronů z vody na plastochinon (plastochinol). Absorbuje světlo vlnových délek kratších než 680 nm. ytochrom bf (obdoba komplexu III mitochondrií!!!). ytochrom bf generuje protonový gradient přes thylakoidní membránu což vede ke tvorbě ATP.

7 Struktury chlorofylů 2 R 1 R I N N + 3 II 4 R 3 3 N N Mg 2+ + Fe 2+ 3 IV N N III 3 3 N N 3 2 V R hlorofyl (Fe-protoporfyrin IX) R 1 R 2 R 3 R 4 hlorofyl a hlorofyl b Bakteriochlorofyl a Bakteriochlorofyl b a a a a 3 P P P nebo G P P = G = 2 2 Fytylový postranní řetězec Geranylový postranní řetězec a značí, že mezi 3 a 4 se nevyskytuje dvojná vazba.

8 Absorpční spektra různých fotosyntetických pigmentů. hlorofyl b Sluneční spektrum Absorbance hlorofyl a Karotenoidy Fykoerythrin Fykocyanin Vlnová délka (nm)

9 Světlosběrné komplexy Světlosběrné komplexy obsahují fotosyntetická reakční centra místa kde se odehrává primární reakce světelné fáze fotosyntézy a anténní komplex obsahující další chlorofyly a přídavné pigmenty jako jsou karotenoidy, např. β-karoten β-karoten 3 3

10 Fotosyntetický anténní komplex. Zachycené fotony náhodně migrují anténním komplexem až vstoupí do reakčního centra (tmavě zelené). Foton Foton Foton Foton

11 Možnosti uvolnění excitační energie excitovaných molekul Elektrony excitovaná molekula může uvolnit excitační energii několika způsoby: a) Vnitřní konverze na kinetickou energii, pohyb molekul, teplo. U molekul chlorofylu k těmto stavům nedochází. b) Fluorescence, je emitován foton o vyšší vlnové délce (nižší energie). U rostlin jen asi 3 až 6 % absorbované světelné energie. c) Excitační transfer, excitovaná molekula přenáší excitační energii na sousední molekuly chlorofylu s nižším excitační energií než anténní chlorofyly. d) Fotooxidace, světlem excitovaná donorová molekula je oxidována přenosem elektronu na akceptorovou molekulu. Takovým donorem je excitovaný chlorofyl. Fotooxidovaný chlorofyl, kationtový radikál, se vrací do původního stavu oxidací jiné molekuly.

12 Excitační stavy chlorofylu a jejich převod. Fotosyntéza je proces při kterém elektrony z excitovaného chlorofylu prochází řadou akceptorů, které převádí energii elektronů na chemickou energii. Klikaté šipky reprezentují absorpci fotonů nebo jejich emisi ve formě fluorescence. Excitační energie může být také proměněna v produkci tepla a chemické reakce. ENERGIE Vnitřní konverze (nezářivá produkce tepla) Absorbce Absorbce hν modrého hν červeného hν světla světla Druhý excitovaný stav První excitovaný stav Fotooxidace (chemické reakce) Základní stav

13 Reakční centrum Jakmile některá z molekul antény pohltí foton, je energie předávána z jedné molekuly barviva na druhou, až dosáhne jedné určité molekuly chlorofylu a. Na této molekule není zvláštní molekulární stavba, ale její postavení. Pouze tato molekula chlorofylu a je totiž umístěna v oblasti fotosystému nazývané reakční centrum. Zde probíhá fotoindukované oddělení nábojů. Světlo vybudí elektron na vyšší energetickou hladinu a tento elektron je příjemcem zachycen ještě dříve, než se stačí vrátit do svého základního stavu v molekule chlorofylu. Elektrony extrahované z počáteční sloučeniny jsou excitované a představují redukční sílu mohou redukovat další sloučeniny a skladovat tak světelnou energii ve formě chemických sloučenin.

14 Struktura fostosystému II. D1 a D2 podjednotky (32kd) navázány dva chlorofyly (speciální)-přenos elektronů na feofytin poté na plastochinony. entrum Mn fotolýza vody. Stroma D2 D1 Dutina thylakoidu Specifický pár chlorofylů Manganové centrum

15 Struktura fotosystému I. Dvě podjednotky psaa a psab (červeně a modře), chlorofyly včetně speciálního páru, klastry Fe-S. Fotoindukované oddělení nábojů. 4Fe-4S klastry Stroma Dutina thylakoidu Specifický pár chlorofylů Pohled shora

16 Dva fotosystémy. NADP + + NADP SVĚTL (λ<680 nm) SVĚTL (λ<700 nm) PS II PS I e - YTRM b 6 f 2 2

17 Fotolýza vody tvorba kyslíku Součástí PS II (P680, fotosystém II) je centrum uvolňující kyslík (oxygen evolving center-e). V tomto komplexním útvaru dochází působením světelných kvant (fotonů) k rozkladu molekul vody na kyslík, čtyři protony a čtyři elektrony e - Elektrony uvolněné z vody vstupují do PSII, kde jsou světelnými kvanty uvedeny excitací do vyšších energetických hladin označený P680 * a posléze putují řetězcem přes Q 2.

18 Pravděpodobné schéma uvolnění kyslíku v Mn centru. lavní roli hrají 4 ionty Mn v různém oxidačním stavu a jeden a 2+. S 0 až S 4 vždy jednoelektronová oxidace. + a l Mn + Mn 3+ S 0 Mn 4+ e -, + + a l Mn Mn 3+ S 1 Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+

19 Pravděpodobné schéma uvolnění kyslíku v Mn centru. a + + S 1 e - a + + S 2 l + 3+ Mn Mn 3+ Mn 4+ l + 3+ Mn Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+

20 Pravděpodobné schéma uvolnění kyslíku v Mn centru. a + + S 2 e -, + a + S 3 l + 3+ Mn Mn 4+ Mn 4+ l + 4+ Mn Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+

21 Pravděpodobné schéma uvolnění kyslíku v Mn centru. a l + 4+ Mn Mn 4+ S 3 Mn 4+ e -, + + a l + 5+ Mn + Mn 4+ S 4 Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+

22 Pravděpodobné schéma uvolnění kyslíku v Mn centru. + S 4 + S 4 a l + 5+ Mn + Mn 4+ Mn 4+ a l + 5+ Mn + Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+

23 Pravděpodobné schéma uvolnění kyslíku v Mn centru. K uvolnění 2 je nutná oxidace a l + 5+ Mn + Mn 4+ S 4 Mn a l Mn + Mn 3+ S 0 Mn 4+ Mn 4+ Mn 4+

24 Plastochinon (Q) plastochinol (Q 2 ) n Plastochinon 2[ ] n Plastochinol

25 Z-schéma světelné fáze fotosyntézy Elektrony mohou dosáhnout na ferredoxin-nadp + reduktasu (FNR), která katalyzuje redukci NADP +. xidace vody a tok elektronů přes Q cyklus generuje transmembránový protonový gradient s vyšší koncentrací protonů na straně thylakoidní dutiny (lumen - uvnitř). Energie gradientu se uplatňuje při tvorbě ATP. Různé prosthetické skupiny fotosyntetického aparátu rostlin mohou být seřazeny podle redukčního potenciálu v diagramu zvaném Z-schéma. Elektrony uvolněné z P680 po absorpci fotonů jsou nahrazovány elektrony z fotolýzy vody. Každý elektron prochází řetězcem přenašečů do hotovosti plastochinonových molekul. Vytvořený redukovaný plastochinol redukuje cytochrom b 6 f komplex, za současného transportu protonů do thylakoidů. ytochrom b 6 f přenáší elektrony na plastocyanin (P) a ten regeneruje fotooxidovaný P700 v PSI. Elektrony emitované z PSI redukují přes řetězec přenašečů NADP + na NADP. Necyklický proces. V cyklickém procesu se elektrony vrací zpět na cytochrom b 6 f a přitom se přenášejí další protony do thylakoidu.

26 Diagram Z-schéma PSI -1.4 P700* A 0 A1 F X F A Necyklická cesta PSII P680* hl a Pheo a yklická cesta F B Fd e - 2 NADP FNR (stroma) -0.4 hν 2 NADP -0.2 Q A Q B 8 + (stroma) cyt b 6 Δξ (V) 0 Q PL Manganový komplex hν 8 + (thylakoid) Q [4Fe-4S] cyt f ytochrom b 6 f P P e - S (thylakoid) S 4 Z +1.2 P680

27 ytochrom b 6 f komplex a plastocyanin (P) ytochrom b 6 f komplex je integrální membránový proteinový komplex obsahující řadu složek analogicky jako např. mitochondriální komplex III a cytochrom bc 1. Elektrony z cytochrom b 6 f komplexu putují Q cyklem. Při transportu jednoho elektronu se translokují dva protony do thylakoidu. Tedy čtyři elektrony z 2 2 vedou k translokaci 8 protonů. Plastocyanin (P) periferní membránový protein (99 aminokyselin) - člen skupiny modrých měďnatých proteinů lokalizovaný na vnitřní straně thylakoidů. xidační stavy redoxních center cyklují mezi u 2+ a u + stavy.

28 Lokalizace systémů PSII, PSI, cytochromu b 6 f a ATP-synthasy na thylakoidech Fotosystém PSI ATP-synthasa Volná membrána (stromatální lamela) Fotosystém PSII ytochrom b 6 f Převrstvená membrána (granum)

29 Lokalizace systémů PSII, PSI, cytochromu b 6 f a ATP-synthasy PSI se nachází na neuzavřených stromatálních lamelách v dotyku se stromatem, kde je k dosažení NADP +. PSII je lokalizován většinou mezi uzavřenými složenými grany, mimo přímý kontakt se stromatem. ytochrom b 6 f je rovnoměrně distribuován v celé membráně. ATPasa je lokalizována na vnější straně membrány.

30 Směr protonového gradientu fotosystému II Stroma (vysoké p) Q 2 2 Q Lumen thylakoidu (nízké p)

31 ytochrom bf V každém Q cyklu jsou přes cytochrom bf transportovány 4 protony. 1. čás: Q Pc(u 2+ ) = Q + 2 Pc (u + ) (v thylakoidu) 2. část: yt.bf (redukuje) + Q (z poolu) = Q 2 (protony ze stromatu). Po reoxidaci Q 2 se protony uvolní do thylakoidu. 2 + Q 2 Q 2 2 Pc ox 2 Pc red 4 +

32 Jagedorfův pokus. Syntéza ATP jako důsledek p gradientu Membrána thylakoidu ATP ADP + P i p 7 p 4 p 4 + p 8 Inkubace po dobu několika hodin Náhlá změna externího p po přídavku ADP a P i p 4 p 4

33 Srovnání světelné fáze fotosyntézy a oxidativní fosforylace FTSYNTÉZA NADP + NADP ADP + P i ATP + 2 Q 2 Q 2 Q Pc ox Pc red Pc ox + XIDATIVNÍ FSFRYLAE yt c ox yt c red yt c ox + Q 2 Q 2 Q 2 NAD NAD ADP + P i SVĚTL (λ<700 ATP nm) + 2

34 Fotosystém I využívá světelnou energii ke tvorbě redukovaného ferredoxinu silného redukčního činidla (obsahuje 2Fe-2S). Elektrony jsou přenášeny na ferredoxin-nadp reduktasu.

35 Tok elektronů fotosystémem I na ferredoxin. Pozitivní náboj P700 se doplňuje z plastocyaninu. Ferredoxin 4Fe-4S hinon (A 1 ) P700 hlorofyl (A 0 ) Plastocyanin

36 Dráha elektronů z vody na NADP + při fotosyntéze. FTSYSTÉM II FTSYSTÉM I P700* -1.0 A 0 REDUKČNÍ PTENIÁL (V) 0 Foton 1 P680* Ph Q A Q B ytochrom b 6 f Foton 2 P A 1 4Fe-4S Fd-NADP Fd + reduktasa NADP P Manganový komplex P680

37 Struktura ferredoxin-nadp + reduktasy Flavin Vazebné místo NADP + Ferredoxin

38 Ferredoxin NADP + reduktasa - mechanismus + + Fd red + + Fd red Fd ox Fd ox FAD FAD FAD 2 Semichinonová forma NADP + + NADP +

39 Energetický výtěžek světelné fáze fotosyntézy Absorpce 4 fotonů PSII generuje 1 molekulu 2 a uvolní se 4 protony do dutiny thylakoidu. Dvě molekuly plastochinolu jsou oxidovány komplexem bf za uvolnění 8 protonů do dutiny thylakoidu. Elektrony ze 4 molekul redukovaného plastocyaninu jsou za účasti dalších 4 absorbovaných fotonů předány na ferredoxin. Čtyři molekuly redukovaného ferredoxinu generují 2 molekuly NADP. elková reakce tvorby NADP: NADP stroma = NADP thylakoid Dvanáct protonů v thylakoidu vstupuje do ATPsynthasy. Tvoří se celkem 3 molekuly ATP. elková reakce fotofosforylace: 2 NADP ADP + 3 P i + + = NADP + 3 ATP + 2

40 yklická fotofosforylace. yklická fotofosforylace je alternativní drahou fotosyntézy. Elektrony redukovaného ferredoxinu mohou být převedeny na cytochrom bf komplex namísto na NADP +. Elektrony prochází zpět bf komplexem, redukují plastocyanin, který je posléze reoxidován P yklus se uzavírá. Výsledkem je pumpování protonů komplexem bf. Vzniklý protonový gradient pohání syntézu ATP. Tvoří se jen ATP a ne NADP! Proces je aktivní za situace, kdy je nadbytek NADP. yklická fotofosforylace je produktivnější ve smyslu zisku ATP než necyklická. Dva absorbované fotony poskytují 1 molekulu ATP Na procesu se nepodílí fotosystém II, netvoří se kyslík fotolýzou vody.

41 Temnostní fáze fotosyntézy alvin Bensonův cyklus. Metabolická dráha ve které rostliny inkorporují 2 a tvoří sacharidy byla objasněna mezi léty 1946 až 1953 M. alvinem a A. Bensonem. Pracovali s buňkami řas a zkoumali produkty vstupu značeného Analýzou buněk řas po 5 s po expozici značeným 14 2 zjistili, že jediným produktem je 3-fosfoglycerát (3PG) s označeným karboxylem. Dále zjistili, že akceptorem 2 je pentosa ribulosa-1,5-bisfosfát a enzymem podílejícím se na reakci je ribulosa-1,5-bisfosfátkarboxylasa (RUBIS). alvin-bensonův cyklus probíhá ve stromatu chloroplastů a lze ho rozdělit na dvě části: Produkční ve které tři molekuly ribulosa-5-fosfátu přes ribulosa-1,5- bisfosfát reagují se třemi molekulami 2 za tvorby šesti molekul glyceraldehyd-3-fosfátu (GAP) za spotřeby 9 molekul ATP a 6 molekul NADP. yklický charakter procesu činí dráhu ekvivalentní tvorbě jedné molekuly GAP ze tří molekul 2. GAP se může využít k biosyntéze. Regenerační ve které uhlíkové atomy zbylých pěti GAP jsou přeměněny v procesu podobném pentosafosfátové dráze na tři ribulosa- 5-fosfáty, které proces zahajovaly.

42 Fosforylce tří ribulosa-5-fosfátů, vstup tří 2 -karboxylace (RUBIS), tvorba šesti 3-fosfoglycerátů a šesti 1,3 - bisfosfoglycerátů. ATP ADP Fosforibulosakinasa 2 P P 3 Ribulosa-1,5-bisfosfát (Ru-1,5-BP) 2 Ribulosabisfosfát karboxylasa RUBIS - 2 P P 3 3-Fosfoglycerát (3-PG) ATP ADP Fosfoglycerátkinasa P 3 2 P 3 1,3-Bisfosfoglycerát (1,3-BPG) P 3 Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P) 2 P 3 Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P)

43 Redukce šesti 1,3-bisfosfoglycerátů na glyceraldehyd-3-fosfát a start NADP NADP regenerační fáze. P 3 2 P 3 1,3-Bisfosfoglycerát (1,3-BPG) Glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenasa 2 P 3 Glyceraldehyd-3-fosfát (GAP) Triosafosfátisomerasa 2 P 3 PRDUKTY 2 Dihydroxyacetonfosfát (DAP) Aldolasa 2 P 3 2 P 3 Erythrosa-4-fosfát (E-4-P) Aldolasa 2 P 3 2 P 3 Fruktosa-1,6-bisfosfát (F-1,6-BP) 2 P 3 Sedoheptulosa-1,7-bisfosfát (S-1,7-BP)

44 Pokračování regenerační fáze 2 P 3 2 P 3 2 P 3 2 Fruktosabisfosfatasa Fruktosa-1,6-bisfosfát (F-1,6-BP) P i 2 2 P 3 Sedoheptulosa-1,7-bisfosfát (S-1,7-BP) 2 P 3 Ribosa-5-fosfát (R-5-P) 2 P 3 Xylulosa-5-fosfát (Xu-5-P) Sedoheptulosabisfosfatasa 2 P i 2 P 3 Fruktosa-6-fosfát (F-6-P) Transketolasa 2 P 3 Transketolasa Sedoheptulosa-7-fosfát (S-7-P)

45 Závěr regenerační fáze - tvorba ribulosa-1,5-bisfosfátu. 2 2 P 3 Ribosa-5-fosfát (R-5-P) 2 P 3 Xylulosa-5-fosfát (Xu-5-P) Ribosafosfátisomerasa Fosfopentosaepimerasa P 3 Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P) 2 P 3 Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P) ATP ADP 2 P 3 Fosforibulokinasa 2 P 3 Ribulosa-1,5-bisfosfát (Ru-1,5-BP)

46 Jednotlivé reakce alvin Bensonova cyklu sm, z celkového počtu jedenácti reakcí alvin-bensonova cyklu, je zvratem glykolýzy nebo reakcí glukoneogeneze známé z biochemie živočichů. Jediné tři reakce z jedenácti jsou katalyzovány enzymy, které se v živočišné říši nevyskytují: Fosforibulosakinasa katalyzující tvorbu ribulosa-1,5-bisfosfátu z ribulosa-5-fosfátu. Ribulosabisfosfátkarboxylasa katalyzující vstup 2 do sacharidu. Sedoheptulosabisfosfatasa (SBPasa) katalyzující odštěpení fosfátu ze sedoheptulosa-1,7-bisfosfátu na sedoheptulosa-7-fosfát.

47 Ribulosabisfosfátkarboxylasa (RuBP karboxylasa) RuBP karboxylasa je nejdůležitější enzym na Zemi. Vyznačuje se nízkou aktivitou (k cat = 3 s -1 ), ale jeho obsah v zeleném listu přesahuje 50 % všech proteinů. Je tedy i nejrozšířenějším proteinem biosféry. RuBP karboxylasa z vyšších rostlin a většiny fotosyntetických mikroorganismů je složeno z osmi velkých podjednotek kódovaných chloroplastovou DNA (L je složena ze 477 aminokyselin) a osmi malých podjednotek (S složených z 123 aminokyselin) kódovaných jadernou DNA. K aktivitě RuBP karboxylasa je nutný Mg 2+ vázaný na katalyticky významnou karbamátovou skupinu (-N- - ), která se vytváří reakcí nesubstrátového 2 s ε-aminoskupinou Lys 201. Reakci in vivo katalyzuje RuBP karboxylasaaktivasa s účastí ATP.

48 Mechanismus katalýzy ribulosabisfosfátkarboxylasy Reakce je silně exergonní (Δ G o = - 35, 1 kj.mol -1 ), dáno štěpením oxokyseliny na dva stabilní ENZYM B 2 P 3 3-fosfoglyceráty. - 2 P 3 2 P 3-2 P 3 Ribulosa-1,5-bisfosfát 2 P 3 Endiolátová forma 2 P 3 xokyselina + 2 P P 3 2 P Fosfoglycerát P 3-2 P 3 ydratovaný meziprodukt 3-Fosfoglycerát

49 Biosyntéza sacharidů elková stechiometrie alvin-bensonova cyklu (GAP = glyceraldehyd-3-fosfát) ATP + 6 NADP GAP + 9 ADP + 8 P i + 6 NADP + Vytvořený GAP může být využit k řadě biosyntéz, buď vně nebo uvnitř chloroplastu. Může být převeden na fruktosa-6-fosfát dalším postupem cyklu a poté na glukosa-1-fosfát (G1P) (fosfoglukosaisomerasa a fosfoglukosamutasa). G1P je prekurzor všech dalších sacharidů rostlin. lavní složka škrobu, α-amylosa, je syntetizována ve stromatu chloroplastu jako dočasná skladovatelná forma glukosy. α-amylosa je také syntetizována jako dlouhodobá skladovatelná forma v jiných částech rostlin jako jsou listy, semena a kořeny. elulosa tvořena dlouhými řetězci β(1 4)-vázanými glukosovými jednotkami je hlavním polysacharidem rostlin. Je syntetizována z UDP-glukos v rostlinné plasmové membráně a vylučována do extracelulárního prostoru.

50 Syntéza škrobu. elkově je reakce poháněna hydrolýzou PP i. Syntéza škrobu je podobná syntéze glykogenu (Stroma). - γ P β P α P ADENSIN ATP - P - Glukosa-1-fosfát ADP-glukosafosforylasa - PP i Anorganická fosfatasa 2 P i 2 P P ADENSIN ADP-Glukosa Synthasa škrobu ADP α-amylosa (n jednotek) α-amylosa (n + 1 jednotek)

51 První část syntézy α-amylosy. Aktivace (fosforylace) glukosa-1-fosfátu. - γ P β P α P ADENSIN ATP - P - Glukosa-1-fosfát ADP-glukosafosforylasa - PP i Anorganická fosfatasa 2 P i 2 P P ADENSIN - - ADP-Glukosa

52 Druhá část syntézy α-amylosy. Prodlužování řetězce na neredukujícím konci molekuly α-amylasy. Enzym: Synthasa škrobu 2 P P ADENSIN ADP-Glukosa Synthasa škrobu ADP α-amylosa (n jednotek) α-amylosa (n + 1 jednotek)

53 Sacharosa hlavní transportní sacharid pro nefotosyntetizující buňky - nejdůležitější produkt fotosyntézy. Sacharosa je syntetizována v cytosolu a proto musí být její dvě komponenty (G3P a DA) transportovány z chloroplastu systémem antiporter s fosfátem. Dvě triosy se kombinují za tvorby fruktosa-6-fosfátu, která se následně převede na glukosa-1-fosfát. G1P je aktivován UTP (uridintrifosfát) na UDP-glukosu. Sacharosa-6-fosfát se tvoří za katalýzy enzymem sacharosafosfátsynthasa. dštěpení fosfátu se uskutečňuje sacharosafosfátfosafatasou. UDP-Glukosa + Fruktosa-6-fosfát Sacharosafosfátsynthasa UDP Sacharosa-6-fosfát 2 Sacharosafosfátfosfatasa P i Sacharosa

54 Regulace alvin Bensonova cyklu. Kontrolní body každé metabolické dráhy jsou na enzymových stupních vzdálených od rovnováhy (velká negativní hodnota Δ G). Enzymy, katalyzující reakce s velkou změnou volné energie: Ribulosabisfosfátkarboxylasa; Δ G (kj.mol -1 ) = - 41, 0 Fruktosabisfosfatasa; Δ G (kj.mol -1 ) = - 27, 2 Sedoheptulosabisfosfatasa; Δ G (kj.mol -1 ) = - 29, 7 Katalytická účinnost těchto enzymů je silně ovlivňována osvětlením!! Aktivita RUBISA je ovlivňována těmito třemi na světle závislými faktory: p. Po osvětlení se zvyšuje p ve stromatu z hodnoty 7, 0 na hodnotu 8, 0. Protony jsou pumpovány ze stromatu do dutin thylakoidů. RUBIS má ostré p optimum 8, 0!! [Mg 2+ ] Vstup protonů do thylakoidů je kompenzován transportem Mg 2+ do stromatu.

55 Standardní a fyziologické změny volné energie reakcí alvin-bensonova cyklu. Stupeň Enzym Δ G o (kj.mol -1 ) Δ G (kj.mol -1 ) 1. Fosforibulokinasa - 21, 8-15, 8 2. Ribulosabisfosfátkarboxylasa - 35, 1-41, Fosfoglycerátkinasa + glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa + 18, 0-6, 7 5. Triosafosfátisomerasa - 7, 5-0, 8 6. Aldolasa - 21, 8-1, 7 7. Fruktosabisfosfatasa - 14,2-27,2 8. Transketolasa + 6, 3-3, 8 9. Aldolasa - 23, 4-0, Sedoheptulosabisfosfatasa - 14,2-29,7 11. Transketolasa + 0, 4-5, Fosfopentosaepimerasa + 0, 8-0, Ribosafosfátisomerasa + 2, 1-0, 4

56 Regulace alvin Bensonova cyklu - pokračování. Analog přechodového stavu karboxyarabinitol-1-fosfát (A1P). Tuto látku, která inhibuje RuBP karboxylasu, syntetizuje řada rostlin pouze za tmy. Blokuje se tak aktivita RUBISA ve tmě. ba další enzymy jsou také aktivovány zvýšením p a [Mg 2+ ]. Navíc jsou ovlivňovány NADP. To je druhý regulační systém závislý na redoxním potenciálu stromatu. Thioredoxin, protein obsahující 105 aminokyselin, má redukovatelnou disulfidovou skupinu. Redukovaný thioredoxin aktivuje jak fruktosabisfosfatasu, tak sedoheptulosabisfosfatasu. Redoxní hladina thioredoxinu závisí na systému ferredoxinthioredoxinreduktasy. Jeho redoxní stav závisí na osvětlení. Thioredoxin deaktivuje fosfofruktokinasu klíčový enzym glykolýzy. Závěr: Světlo stimuluje alvin-bensonův cyklus a deaktivuje glykolýzu, kdežto tma má opačný efekt.

57 Světlem indukovaná funkce ferredoxin-thioredoxinreduktasy PSI red hν PSI * red PSI ox Ferredoxin ox Ferredoxin red Ferredoxin-thioredoxin reduktasa red Ferredoxin-thioredoxin reduktasa ox S S S S Thioredoxin ox Thioredoxin red S S S S Bisfosfatasa aktivní Bisfosfatasa inaktivní S S S S

58 A-1-P inhibitor ribulosabisfosfátkarboxylasy (tma). 2 P 3-2 Karboxyarabinitol-1-fosfát (A-1-P)

59 Fotorespirace d roku 1960 je známo, že osvětlené rostliny spotřebovávají kyslík a uvolňují 2 drahou odlišnou od oxidativní fosforylace. Při nízkých hladinách 2 a vysokých 2 může proces fotorespirace převládnout nad fixací 2. Překvapení: Kyslík kompetuje s 2 jako substrát ribulosakarboxylasy. Přesnější název: ribulosabisfosfátkarboxylasa-oxygenasa (RUBIS). Při oxygenasové reakci se vytváří z RuBP 3-fosfogylcerát a fosfoglykolát. Fosfoglykolát je hydrolyzován na glykolát a ten je oxidován za tvorby 2 v sérii enzymových reakcí v peroxisomech a mitochondrii. Fotorespirace je devastující proces jehož výsledkem je neužitečná spotřeba světlem vytvořeného NADP a ATP!!

60 Pravděpodobný mechanismus oxygenasové reakce RUBISA. 2 P 3 2 P 3 2 P 3 - ENZYM B 2 P 3 Ribulosa-1,5-bisfosfát 2 P 3 Endiolátová forma 2 P 3 xokyselina + 2 P P P 3 - Fosfoglykolát 3-Fosfoglycerát 2 P 3 ydratovaný meziprodukt

61 xygenasová reakce RUBISA. hloroplast peroxisom (glyoxysom). - 2 P P 3 i + - Fosfoglykolátfosfatasa 2 P 3-2 Glykolátoxidasa - 3-Fosfoglycerát Fosfoglykolát Glykolát / Katalasa Glyoxylát 2 2 P 3 2 P 3 Ribulosa-1,5-bisfosfát karboxylasa/oxygenasa 2-2 P 3 3-Fosfoglycerát Glycerátkinasa ADP ATP - 2 Glycerát NAD + NAD ydroxypyruvátreduktasa - 2 ydroxypyruvát Ribulosa-1,5-bisfosfát LRPLAST PERXISM

62 xygenasová reakce RUBISA. Peroxisom mitochondrie. + 2 N Glyoxylát Glycin - N 3 TRANSAMINAE N Serin 2 ydroxypyruvát PERXISM MITNDRIE

63 Rostliny 4 koncentrují na povrchu listu 2. Řada rostlin se evolučně přizpůsobila kolísání koncentrace 2 a 2 tak, že koncentrují ve fotosyntetických buňkách 2 a zabraňují fotorespiraci. Např. cukrovka, cukrová třtina, kukuřice a mnoho plevelných rostlin. Typické pro tropické oblasti. List má charakteristickou anatomii pod vrstvou buněk tzv. mesofylu jsou soustředěny žilky cévních svazků. V mesofylových buňkách není ribulosabisfosfátkarboxylasa!! Kutikula Svrchní epidermis Palisádový mezofyl oubový mezofyl Xylem Floem évní svazek 2 2 Spodní epidermis Průduch (stoma) Svěrací buňky

64 yklus 4 M. atch a R. Slack (1960) V mesofylu reaguje vstupující 2 ve formě 3 - s fosfoenolpyruvátem za tvorby oxaloacetátu (čtyři uhlíky, proto 4 ). xaloacetát je redukován NADP na malát, který je transportován do buněk cévních svazků, kde je oxidativně dekarboxylován na 2, pyruvát a NADP. Takto koncentrovaný 2 vstupuje do alvinova cyklu. Pyruvát je transportován zpět do mesofylu, kde je fosforylován za katalýzy pyruvát-fosfátdikinasy za tvorby fosfoenolpyruvátu. Při aktivaci přechází ATP na AMP + PP i. PP i je posléze hydrolyzován všudepřítomnou pyrofosfatasou na 2 x P i. xid uhličitý je koncentrován v buňkách cevních svazků na úkor spotřeby 2 ATP / 2. Fotosyntéza 4 rostlin spotřebovává celkem 5 ATP na rozdíl od 3 rostlin, které spotřebují 3 ATP.

65 Schematický nákres metabolismu 4 rostlin xid uhličitý VZDU Anorganický fosfát - - P - - NADP NADP Fosfoenolpyruvát (PEP) P xaloacetát - Malát 2 - MEZFYLVÁ BUŇKA - - P P - - Pyrofosfát + ADP ATP + Pyruvát P - Anorganický fosfát xid uhličitý BUŇKA PVY ÉVNÍ SVAZKU ALVINŮV YKLUS

66 Metabolická dráha 4 rostlin. Mezofyl buňky pochvy cévních svazků. 2 VZDU 2 P i Karbonátanhydrasa ATP + P i AMP + PP i 3 - P i - NADP NADP Pyruvátfosfát dikinasa P 3 - Fosfoenolpyruvát (PEP) PEP karboxylasa Malátdehydrogenasa - xaloacetát MEZFYLVÁ BUŇKA - Malát BUŇKA PVY ÉVNÍ SVAZKU 3 Jablečný enzym - Pyruvát 2 + NADP NADP + ALVINŮV YKLUS 3-Fosfoglycerát

67 AM rostliny jako varianta rostlin 4. Dráha byl poprvé popsána u tučnolistých rostlin a odtud název AM crassulacean acid metabolism. U AM rostlin je časově oddělen záchyt 2 a alvin-bensonův cyklus. AM rostliny otevírají stomata (póry v listech) v noci a zachycují 2 drahou 4 ve formě malátu. Pro zachycení 2 je nutné velké množství fosfoenolpyruvátu. To se získává štěpením škrobu a glykolýzou. Během dne je malát štěpen za tvorby 2 vstupujícího do alvin Bensonova cyklu a pyruvátu použitého na resyntézu škrobu. elý tento proces je veden také z důvodu zabránění ztrátě vody!!! Stejnou drahou probíhá fotosyntéza u sukulentů.