Světelné reakce fotosyntézy. - fixace energie záření

Transkript

1 Světelné reakce fotosyntézy - fixace energie záření Slunečnízáření Ultrafialové (UV, < 400 nm) Fotosynteticky aktivní radiace PAR, 400 až 700 nm ( nm) Infračervené (>750 nm)

2 Sluneční záření Energetika Země

3 Spektrum a intenzita záření ze slunce Wienův zákon posuvu: Λ max = b / T b: Wienova konst. 2, m.k T: teplota v kelvinech Vlnová délka maxima vyzařování je nepřímo úměrná teplotě tělesa. Stefanův-Boltzmannův zákon: J = σ. T 4 σ: Stefan-Boltzmannova konst. 5, W m -2 K -4 T: teplota v kelvinech Intenzita vyzařování abs. černého tělesa roste se čtvrtou mocninou jeho teploty. Energie světelného záření E = h. c / λ - energie 1 fotonu h: Planckova konstanta (6, J s) c: rychlost světla ve vakuu ( km s -1 ) λ: vlnová délka E A420 = 292 kj mol -1 E A680 = 176 kj mol -1 E A = E. N - energie 1 kvanta fotonů N: Avogadrovo číslo (6, mol -1 )

4 Systémy konvertující světelnou energii H + Retinalové bacteriorhodopsin, rhodopsin H + transport konformační změnou Reakční centrum transport e - z donoru na akceptor další transport spřažen s H + transportem nh + e - * e - * e - * e - e - * H + nh + Absorpční spektra fotosyntetických barviv = účinnost pohlcování fotonů dané vlnové délky - absorbce výrazně závisí na prostředí - protein-pigmentové komplexy! Energie fotonů se liší E A420 = 292 kj mol -1 E A680 = 176 kj mol -1 Energie 1 fotonu E = h. c / λ λ = vlnová délka h: Planckova konstanta (6, J s) c: rychlost světla ve vakuu ( m s -1 )

5 Fotosyntetická barviva - základní pigment (b)chlorofyl a - doplňkové pigmenty chlorofyl b, karotenoidy Chlorofyly a+b (a+c,a+d jen sinice) Karotenoidy Fykobiliny Regulace a ochrana!!! schopnost přeměny absorbovaného záření na teplo = disipace (řízeno proteiny) Fotosyntetická barviva - v tylakoidní membráně vázaná v proteinech! - bílkovinné prostředí významně ovlivňuje vlastnosti (absorpci fotonu, přenos energie) absorpční spektrum a uspořádání pigmentů v podjednotce LHCII (light harvesting complex)

6 Osudy energie fotonu po absorpci molekulou pigmentu - přenos energie (FRET) na sousední pigment - vyzáření energie ve formě fluorescence (3 5 %) - uvolnění části či celé energie ve formě tepla (15 20 %) - reakce s kyslíkem (vznik reaktivních forem kyslíku - ROS) - uvolnění elektronu (uvolnění náboje)! primární donor chl a v reakčním centru = začátek FOTOCHEMIE (transformace E) červená fluorescence chloroplastů v mezofylových buňkách po ozáření UV zářením Fluorescence chlorofylu: - elektron v pigmentu delší dobu v excitovaném stavu - vyšší výtěžek fluorescence = nižší účinnost fotochemie (měření parametrů fotosyntézy) viz dále Zhášení fluorescence chlorofylu: fotochemické nefotochemické je-li odběr ATP a NADPH přeměna na teplo zahřívání

7 Přechod excitovaného chlorofylu do tripletového stavu = obrácení spinu (spotřeba energie) a nemožnost se rychle vrátit do základního stavu (nutné opačné spiny elektronů) - fosforescence nebo přenos energie na kyslík! Stav: S=0 - Stavy: S=1 + HOMO = highest occupied molecular orbital LUMO = lowest unoccupied molecular orbital SOMO = singly occupied molecular orbital Přenos excitační energie na kyslík (z excitovaného tripletového chlorofylu) přechod 3 O 2 do singletového stavu 1 O 2 = ROS 3 Chl Fd, Fx, P(U)Q -

8 Ochrana proti ROS AA ascorbate MDHA monodehydroascorbate GSH glutathion (Glu, Cys, Gly) Rostlinné SOD: Mn-SOD mitochondrie, peroxisomy Fe-SOD chloroplasty, peroxisomy CuZn-SOD - cytosol, chloroplasty, peroxisomy, apoplast Superoxide dismutase (SOD) Ascorbate peroxidase (APX) Monodehydroascorbate reductase (MDHAR) Dehydroascorbate reductase (DHAR) Glutathione reductase (GR) Glutathione peroxidase (GPX) Glutathione S-transferase (GST) Catalase (CAT) Fotochemie = přeměna energie fotonu na energii chemickou (ATP H + grad, NADPH) optimální podmínky: 80 % absorbované světelné energie do fotochemie (= absorpce FRET RC: separace elektronu) Fotosystém II Cytochrom. komplex Fotosystém I ATP syntáza

9 Přeměny energie na fotosystémech stabilizace separovaného náboje pokles energie, fyzické oddálení Necyklický přenos elektronů z vody na NADP+ ke štěpení vody je potřeba silné oxidační činidlo = P680 + k redukci NADP + silné redukční činidlo (P700*- red. feredoxin) Redoxní potenciál - určuje změnu volné energie (G) v jednoduchých redoxních reakcích G 0 = - z.f. E 0

10 Absorpce fotonů v anténních komplexech přenosy (sdílení) energie mezi molekulami pigmentů prostřednictvím FRET (Förster resonance energy transfer) -mnoho molekul pigmentů (chlorofylu a,b a jiných) absorbuje fotony, ale k separaci (uvolnění) elektronu dochází jen u jediné molekuly chl a (páru chl a u PSI) v reakčních centrech!!! Chlorofyly reakčních center = chlorofyly a značeny P (=pigment) a max. vlnovou délkou fotonu využitelnou k jejich přímé excitaci a separaci náboje (e - ) Reakční centra: RC PS II: P680 RC PS I: P700 Purpurové baktérie: P870 (bakteriochlorofyl a) Evoluce reakčních center - fotosystémů jeden původ (?!) dimer proteinů v jádru 5 TM (+6 TM anténa) difůze chinonů PSII: D1 + D2 + vnitřní antény (CP43,CP47) PSI: A+B první stabilní akceptor: chinon FeS (Fd)

11 PSII / Q-typ donor e - purpurové cytochrom (org. látky, sulfidy) anoxygenní vláknité auracyanin (org. látky, sulfidy) sinice (eukaryota) MnCa klastr (voda) PSI / FeS-typ zelené sirné heliobaktérie cytochrom (sulfidy, síra, vodík) cytochrom (org. látky) sinice (eukaryota) plastocyanin, cytochrom (PSII, PSI) PSII / Q-typ redukce CO 2 purpurové Calvinův cyklus anoxygenní vláknité karboxylace Ac-KoA sinice (eukaryota) Calvinův cyklus PSI / FeS-typ zelené sirné heliobaktérie reverzní (redukční) Crebsův cyklus NE sinice (eukaryota) Calvinův cyklus

12 Fotosyntéza u anoxygenních baktérií často nejsou autotrofní (donor e-!) uspořádání nemusí být původní! Rhodopsinová konverze chinon PSII-typ FeS PSI-typ Oxygenní fotosyntéza Vznik - fúze (horizontální přenos)? - selektivní ztráta u anox. baktérií? - duplikace, diverzifikace (využívání za různých podm.)

13 Anténní komplexy core antény chlorozóm (sta tisíc bchl) LHI (i místo core ant.), LHII (heterodimery s bchl a karotenoidy) Anténní komplexy CP43 - like fykobilizómy (pro PSII i PSI!) LHC (i některé ruduchy) pravděpodobný vznik z HliD (ochrana proteinů s chlorofyly - syntéza, opravy, )

14 Anténní komplexy u PSII typu nesmí bránit difůzi chinonu purpurové vláknité anoxygenní sinice rostliny Klíčové kroky v evoluci zachycování světla u rostlin LHCII grana

15 Chloroplast - obaly, stroma, tylakoidy (grana), plastoglobuly Kompartmentace komplexů Grana - možnost efektivního sběru bez omezení PQ (přilehlé membrány zřejmě přenos E i mezi) - možnost stínění - možnost přerozdělování (PSI PSII) - efektivní zvětšení plochy membrán PSI vč. LHCI PSI (vč. LHCI) + LHC II ATP syntáza B6f komplex PSII s LHCII

16 LHCI monomery (Lhca1-4) - 14 chl a nebo chl b, 2-3 karotenoidy LHCII monomery (Lhcb1-6) - 8 chl a + 6 chl b (!) + (3)-4 karotenoidy) - schopnost disipace Chl *(!) konformační změna (ph), fosforylace, modifikace xantofylů - chlorofyl a xanthofyly vázány různě, dvojí funkce: absorpce, disipace LHC light harvesting complexy LHCI Lhca1-4 možnost vazby LHCII? 2 dimery na PSI (dalších 2: Lhca5-6?) LHC1 680 (dimer Lhca2 a 3) LHC1 730 (dimer Lhca1 a 4) fotony do cca 750 nm použitelné pro P700! (využití kinetické energie molekul?) CP26 CP29 CP24 LHCII-trimery (4-8 / PSII): libovolné kombinace Lhcb1,2 a 3 S silně vázané, M středně, L slabě monomery Lhcb4-6 (CP29, CP26, CP24)

17 Změny v LHCI a II při přechodu na vyšší ozářenost může se připojit LHCII konformační změny (ph), modifikace xantofylů, fosforylace antén, Chlamydomonas Necyklický přenos elektronů mobilní a vázané přenašeče elektronů Fotosystém II Cytochrom. komplex Fotosystém I ATP syntáza

18 Přenašeče e - v tylakoidní membráně Jednoduché oxidoredukční děje zprostředkované přenosem e - na kationty kovů (metaloproteiny) Fe III+ / Fe II+ Cu II+ / Cu I+ Mn III+ / Mn II+ OEC hemy - cytochromy, Fe-S Rieskeho protein, ferredoxin, např. plastocyanin Přenosy elektronů mezi molekulami pigmentů: Chl a (Mg), ale i Phe, Přenašeče e - (a H + ) v tylakoidní a (mitochondiální) membráně chinon plastochinon semichinon (ubichinon, koenzym Q10) hydrochinon = chinol - volné nebo vázané formy chinonů

19 Necyklický přenos elektronů voda => feredoxin (redukce NADPH) a ATP PSII jen jednou podjednotkou (D1) PSI zřejmě oběma podjednotkami (A i B) PQ/PQH2 pomalá oxidace (7-40 na PSII) plastocyanin pomalá difúze (daleko (!) a úzkým luminem) 4-5 na PSI Struktura fotosystému II (PSII, Psb) dimer D1 a D2 CP43 a CP47 cyt b559 PsbO, PsbP, PsbQ mnoho kofaktorů

20 Kofaktory fotosystému II Karotenoidy - zhášení 1 O 2 - úloha v cyklu přes cyt b559 a - P680 HCO 3- - účast na protonaci PQ - - H 0 : alt. donor e - - asi pomáhá při fotoaktivaci alt. vazba dalšího PQH2 (Qc) Fotosystém II od oxidace vody po redukovaný PQH 2 4x uvolnění e - z chlorofylu (MSP) postupné doplňování z Mn klastru (přes TyrZ) oxidace vody - doplnění e -

21 Komplex štěpící vodu ve fotosystému II (OEC=WOC) Funkce OEC: doplnění elektronů chybějících v klastru Mn 4 O x Ca (Cl) - rozštěpění vody a uvolnění O 2 a H + (Kokův cyklus) - odvádění O 2 a H + (!) PsbO (P, Q) (Glu a Asp) spřažení jednoelektronové excitace/separace náboje na chlorofylu a čtyř-elektronové oxidace vody Komplex štěpící vodu ve fotosystému II (OEC=WOC) základem je klastr Mn 4 O x Ca (+Cl - ), který poskytuje elektrony do oxidovaného reakčního centra PSII (stabilizace PsbO) - O-můstky - vzdálenosti Mn 3 krátké, 1 dlouhá - 4 molekuly vody (+ další H-můstky) Umena et al Tvorba O-O vazby - H+ gradient, - dynamika/flexibilita prot. ligandů

22 Kokův cyklus - postupná oxidace Mn 4 O x Ca clastru spřažení jednoelektronové excitace/separace náboje na chlorofylu a čtyřelektronové oxidace vody 2 dominuje u chloroplastů ve tmě Pro uvolnění molekuly kyslíku jsou potřeba právě 4 fotony (na fotosystému II) uvolňování H + : oxidace Mn III na Mn IV (v S 1 a S 2 Mn3 a Mn2, Mn1 je oxidovaný i v S 0 ) - změny vzdáleností Mn - změny koordinace E, D (např. CP43-E354) - S 3 rovnováha mezi 3 stavy

23 Fotosystém II výstupem je redukovaný PQH 2 PQH 2 pool sdílený více PSII 7-40PQ/PSII Plastochinon první mobilní přenašeč elektronů Pool plastochinonu v membráně výrazně stechiometricky převyšuje množství membránových komplexů (limitujícím krokem je oxidace PQH2 na Cyt b6f komplexu) Nevyvážený výkon PSI a PSII působí změny v redoxním stavu PQ poolu - signalizace

24 Cytochrom b6f komplex H+ pumpa mezi fotosystémy Cytochrom b6f komplex a chinonový cyklus Co se dvěma elektrony, když je potřeba jen jeden? - zabránění vzniku PQ- - navíc je v nich více využitelné energie Q-cyklus zvyšuje množství protonů transportovaných ze stromatu do lumen tylakoidu při přenosu jednoho páru elektronů Qp a Qn vazebné místo pro PQ tvorba ph gradientu (4H + na PQH 2 ), jednoelektronová redukce plastocyaninu donoru e - pro PSI

25 Q-cyklus probíhá na dimeru b6f komplexu ne takto, ale dvakrát křížem (Rieske-cyt f, Qn-Qp) Struktura dimeru Cytochromového b6f komplexu Cytochrom b6, cytochrom f, další podjednotky Rieske ISP mobilní raménko mezi monomery (na cyt f) 1,6 nm, 57 Chinon exchange cavity (PQH2 z Qn do Qp) - sdílená mezi monomery

26 Chinon exchange cavity Kofaktory Cytochromového b6f komplexu 2 b-hemy (bp a bn) 2 c-hemy (cn a f) 2Fe-2S Chlorofyl a signalizace? b-karoten, zhášení 3Chl Qp: PQH2 oxidace 1. 2Fe-2S (H+, e-), 2. bp - nejpomalejší krok fotos. přenosu e- (ph!) Qn: bn a cn současná redukce PQ poblíž zřejmě vazba FNR (cyklický ET) (ferredoxin-nadp-oxidoreduktázy)

27 Fotosytém I (PS I, Psa) Redukce ferredoxinu silného redukčního činidla redukce NADP+, (FRN), thioredoxinu, nitritů, sulfitů, - dimer podjednotek A/B - přímo chl na 6 N-term (?fúzí D a CP-homol. PSII) - podjednotka C (Fe-S) (+ D a E ferredoxin) - podjednotky N a F (plastocyanin) Struktura a kofaktory Fotosytému I pár chlorofylů a/a (z PC přes 2 Trp A/B) chlorofyl a = A0 phyllochinon = A1 3 x 4Fe-4S = Fx (A/B), F A, F B (C)

28 Syntéza ATP ATP syntáza (CF o, CF 1 ) fosforylace ADP na základě elektrochemického gradientu protonů (existují i Na+) ATP syntázy Fo: ab2c10-15 F1: α3β3γδε c n γε - rotor ab2α3β3δ - stator opačná aktivita inhibována (v noci): - γc199-γc205 ox/red thoredoxinem (inserce v sekvenci γ amk ) - vazba ADP + Mg 2+ - až odpoutání ε Mitchell - chemiosmotická teorie syntézy ATP - syntéza ATP v suspensi tylakoidů vyvolaná rozdílem ph

29 Syntéza ATP ATP synthase (CF o, CF 1 ) 3-4 H + 1 ATP 3 ATP/ počet podjednotek c (= otočka o 360 ) Počet podjednotek c se liší u různých ATP syntáz obvykle 9-15, plastidy u špenátu Přenosy elektronů Mehlerova reakce: 1. Necyklický (tvorba NADPH + ATP) O 2 +2e+2H + H 2 O 2 H 2. Cyklický (tvorba ATP) - ferredoxin:pq oxidoreductase (FQR) 2 O - NADPH + :PQ oxidoreductase (NDH) - ferredoxin:nadp oxidoreductase (FRN) přímo na b6f! 3. Pseudocyklický (Mehlerova reakce) - oba fotosystémy, ale bez tvorby NADPH+ - voda - voda - spotřeba O 2 - přenos e na vodu přes O - 2 (cestou inaktivace ROS) PSII Cyklický přenos elektronů?

30 Přenosy elektronů a jejich osud ve stromatu Chlororespirace syntéza ATP oxidací NADPH a NADH přes PQ, spotřeba O 2 v noci: obnovování poolu oxid. NADP + (NDH přenos H+? syntéza ATP) PTOX plastid terminal oxidase: PQH2 O2) přes den: obnovování poolu oxidovaného PQ bránící fotopoškození

31 Účinnost využití slunečního záření ve fotosyntéze (%) Zeměkoule, celý rok.0,1 Porost, celý rok..1 až 2 Porost během vegetace..2 až 5 List v optimálních podmínkách 5 až 8 Teoretické maximum z absorb. FAR...cca 20 až 35 Limitace - omezená využitelnost záření ve fotosyntéze - ztráty při přeměnách energií - udržování struktur a aparátu (opravy, resyntézy) - transport a distribuce asimilátů - omezená dostupnost CO 2, vody, živin, Bilance využití záření listem albedo (% odrazu), propustnost teplo zjevné, latentní (transpirace) udržování struktur, přeměny metabolitů, transport, čistá produkce biomasy