Fotosyntézu lze schematicky vyjádřit: hv CO H 2 O (CH 2 O)+ O 2 + H 2 O. Rozčlenění pochodů v chloroplastu na membránové a enzymové:

Transkript

1 Fotosyntéza

2 Fotosyntézu lze schematicky vyjádřit: hv CO H 2 O (CH 2 O)+ O 2 + H 2 O Rozčlenění pochodů v chloroplastu na membránové a enzymové:

3 Kde všude jsou fotosyntetické organismy:

4

5 Yoon et al. (2006)

6 (Archibald 2009)

7 oxygenní fotosyntéza

8 Sinice

9 Primární plastidy Chlorophyceae, Chlamydomonas 2 obalné membrány Charophyta Chara 2 obalné membrány, grana

10 Primární plastidy Porphyridium Glaucocystis

11 Sekundární plastidy červené Cryptomonas Stramenopiles Ochromonas; Hacrobia 2+2 obalné membrány

12 Sekundární plastidy zelené Euglena Chlorarachniophyta Chlorarachnion 2+2(1) obalné membrány

13 Terciární endosymbióza Pohlcení organismu s červeným sekundárním plastidem obrněnky

14 Kleptoplastidy Elyssia viridis molusca, chloroplasty z Codium Placida dendritica - molusca, plastidy z Codium, Bryopsis Amphidinium latum obrněnka, kleptoplastidy ze skrytěnek Perispira ovum nálevník, kleptoplastidy z euglen?

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

16

17 Zjednodušený model světlosběrného systému a RC Oba fotosystémy obsahují fotochemické reakční centrum a světlosběrný systém

18 Světlosběrné antény: fykobiliproteiny nebo LHC

19 Fykobilisomy nachází na cytoplasmatickém povrchu thylakoidů sinic, ruduch a glaukofyt, skrytěnky fykobilisomy nemají skládají se z kotoučovitých útvarů uvnitř s otvorem; trimery (ab) 3 nebo hexamery (ab) 6 jejich velikost a složení se může měnit v závislosti na růstových podmínkách připojují se k fotosystému II sinic fykobilisomy ruduch

20 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

21 Fotosyntéza necyklický transport elektronů NADPH a ATP účast PSI a PSII plastochinon feofytin plastocianin cyklický transport elektronů pouze ATP účast pouze PSI

22 Fotofosforylace Absorbcí kvant záření a přenosem elektronů se v lumenu thylakoidů zvýší koncentrace protonů využívány pro tvorbu ATP systémem ATP-syntázy CF o - transportuje H + přes membránu, tvoří kanál pro prostup protonů thylakoidní membránou, je silně hydrofobní CF 1 - zabezpečuje vlastní syntézu ATP z ADP a anorganického fosfátu. CF 1 je označován jako spřahovací (coupling) chloroplastový faktor spřahuje syntézu ATP s tokem elektronů.

23 Pigmenty

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

25 www2.estrellamountain.edu Fotosyntetické pigmenty 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

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

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

28 plantphys.info Chlorofyl c Chlorofyl d Acaryochloris marina

29 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 Eustigmatophyceae: 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

30 Excitace chlorofylu: plantphys.info

31 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 fykourobilin (PUB) fykocyanobilin (PCB) fykoerythrobilin (PEB) fykoviolobilin (PXB)

32 Fykobiliproteiny - liší se polohou absorbčních vrcholů a tudíž barvou allofykocyanin (APC) - modrá s odstínem do zelena; nm, nese jeden fykobilin na každé a a b podjednotce fykocyanin (PC) - fialová až tmavě modrá; nm fykoerythrocyanin (PEC) fialová; 575 nm fykoerythrin (PE) červená; nm heterodimer skládání fykobilisomů z podjednotek

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

34 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. Základní stavební jednotkou fykobiliproteinů skrytěnek jsou tetraméry aa b 2, které jsou velmi stabilní. Každá a a a podjednotka nese 1 fykobilin a každá b podjednotka nese 3 fykobiliny

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

36 Biosyntéza karotenoidů redukce dekarboxylace fosforylace

37 Karotenoidy syntéza karotenu reakce se účastní tři enzymy: fytoen syntáza katalyzuje vznik fytoenu z GGPP dehydrogenáza katalyzuje čtyři následné dehydrogenace (zelená šipka) cycláza modifikuje konce molekuly

38 Některé xantofyly produkované de novo pouze řasami

39 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 Eustigmatophyceae: 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

40 Nadměrné ozáření Fotoinhibice zvýšená ozářenost podporuje vznik kyslíkových radikálů (ROS), což poškozuje hlavně PS II protein D1

41 Xanthofylový cyklus ochrana proti nadměrné ozářenosti Při nadměrném ozáření je violaxantin deepoxidován - enzym violaxantin deepoxidáza (VDE) na antheraxantin a pak na zeaxantin. Při nízkém ozáření je zeaxantin přeměněn zpět na violaxantin enzymem zeaxantin epoxidázou (ZE) Nadměrné ozáření vyšší absorbce hv a přenos e - snížení ph lumenu thylakoidu aktivace VDE (ph optimum 5,2) v VDE - při neutrálním ph (ve tmě) je mobilní v lumenu thylakoidu, při nízkých hodnotách ph se připojuje k membráně thylakoidu, kde získává přístup ke svému substrátu violaxantinu - mění konformaci xantofylů tak, že tyto zvyšují přeměnu (disipaci) přebytku světelné energie na teplo (kinetickou energii pohybu molekul).

42 Ochrana proti nadměrnému ozáření Chlorophyta Streptophyta vyšší rostliny Heterokontophyta Haptophyta Euglenophyta Dinophyta Cyanophyta Cryptophyta Rhodophyta Glaucophyta xantofylový cyklus diadinoxantin diatoxantin fykobiliproteiny (chromatická adaptace) diadinoxantin diatoxantin

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

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

45 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

46

47 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

48 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

49 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: zvýšit koncentraci CO 2 v okolí RuBisCO

50

51 Sinice Všechny sinice mají CCMs CO 2 přes PM difůzí, bikarbonát aktivní pumpa Karboxyzomy obsahují karbonickou anhydrázu (CA) Prochlorococcus Na +, bikarbonát symport Sinicový CO 2 koncentrační mechanismus: 1) Akumulace HCO - 3 v cytosolu 2) Jeho transport do karboxyzómu 3) Konverze na CO 2

52 Aktivní 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 aktivitu Rubisco. Hypotéza: enzym obalený v karboxyzomu je nucen do konformace, která upřednostňuje vazbu CO 2 před O 2.

53 Eukaryontní řasy Pyrenoid - obdoba karboxyzomu ne všechny řasy s CCMs ho mají! CCMs na PM, vnitřní plastidové 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 plastid 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

54 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

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

56 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

57 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 M např. Oscillatoria amphigranulata, Microcoleus chthonoplastes, efektivní přepínání mezi anoxygenní a oxygenní fotosyntézou - adaptace na prostředí, kde kolísá obsah H 2 S a O 2 nad 1mM - Oscillatoria limnetica, Aphanothece halophylica, anoxygenní fotosyntéza, PSII kompletně zablokován (reverzibilně) 2H 2 S + CO 2 [CH 2 O] + 2S + H 2 O Nutné světlo!! Oscillatoria limnetica