Fotosyntéza. Ondřej Prášil

Transkript

1 Fotosyntéza 5 Ondřej Prášil prasil@alga.cz

2 Karotenoidy - polyisopreny Pomocné pigmenty, strukturní funkce a disipace energie Tetraterpeny (40 C) vytvořené z 8 isoprenových jednotek, délka 30 A Systém konjugovaných dvojných vazeb, symetrie, terminální alicyklické kruhy Syntéza v chloroplastu Car / chl 0,5 Xantofyly + atomy kyslíku

3

4 ISOPREN

5

6

7

8 Karotenoidy v anténách zelených rostlin L a N mají strukturní úlohu a regulují fluiditu membrán

9 nejběžnější xanthofyl dinofyta - obrněnky rozsivky

10 Pigmenty taxonomické markery fytoplanktonu

11 The role of carotenoids is not only to transfer energy, but also to protect the cell against damage by O 2 at high light intensities. If the antenna is flooded with light too rapidly for the reaction centers to be reoxidized, then the antenna chlorophylls discharge most of the extra energy as fluorescence and heat. However, the excited molecules also have an opportunity to evolve into an excited triplet state, inwhichthe spins of the two unpaired electrons are parallel (Fig. a). These excited triplet states are relatively long-lived. They cannot decay to the ground state (singlet) unless the electronic spin changes again, and this does not happened readily. reaction with O 2 The phosphorescence is too slow compared to a reaction between the triplet 3 Chl* and O 2

12 One way that they do decay is by reacting with O 2 molecules which has a triplet ground state. The reaction returns the chlorophyll to its ground state and promotes the O 2 to an excited singlet state (Fig. b) This change can have lethal consequences for the cell because singlet O 2 is extremely toxic. It reacts irreversibly with a variety of groups in proteins, nucleic acids and lipids. Carotenoids (Car) prevent these destructive side reactions by quenching the excited triplet chlorophyll before it has a chance to react with O 2 (Fig. c). In this process, the chlorophyll returns immediately to its ground state, and the carotenoid is elevated to an excited triplet state. The carotenoid triplet state cannot generate singlet O 2 because it lies below the singlet O 2 in energy. Instead, it decays harmlessly to the ground state. Carotenoids also can quench singlet O 2 itself.

13 Singletní kyslík velmi reaktivní (peroxidace..)

14 Fotoprotektivní role nefotochemické zhášení zabránění vzniku 3 Chl xantofylový cyklus violaxanthin antheraxanthin zeaxanthin diadinoxanthin - diatoxanthin (dinoxanthin)

15

16 Tvorba 1 O 2 v rostlinách a obranné mechanismy karotenoidy: a) NPQ (omezení 1 chl*) b )zhášení 3 chl* c) zhášení 1 O 2

17 Světlosběrná anténa vyšších rostlin LHC 3 Chl* NPQ

18 Antény Pigmentová anténa mechanismus pro akumulaci kvant ve slabém světle. Zvýší efektivní absorbční průřez RC více než 100 x. Kombinací různých pigmentů se využije světlo různých vlnových délek. Mechanismus ekologické adaptace na prostředí.

19 Historie Robert Emerson a William Arnold, 1932 Chlorella 1 O 2 ~ 2500 chl Gaffron a Wohl 1936: fotosyntetická jednotka možná alternativní vysvětlení: pomalý fotoenzym pohyblivý fotoenzym

20 Proč antény?? maximální intenzita PAR ~1800 mol kvant.m -2.s -1 I = 1,1 x fotonů.m -2.s -1 = 1100 fotonů.nm -2.s -1 fyzický průřez chl ~ 2 nm 2 = 25 mm -1 cm -1 = 2303 /N A = 9,6x10-17 cm 2 optický průřez ~ 0,01 nm 2 absorbce ~ 10 fotonů/chl.sec

21

22 Univerzální architektura antén: pigment - proteinové komplexy Vnitřní- u reakčního centra, pevné, neměnné, někdy přímo spojené s reakčním centrem Vnější- plastické, přizpůsobení prostředí Vnější periferní - vněmembránové zelené sirné bakterie,sinice, ruduchy, skrytěnky integrální - vnitromembránové hydrofobní alfa šroubovice purpurové fotosyntetické bakterie, řasy (kromě ruduch a skrytěnek), vyšší rostliny.

23

24 Principy přenosu energie v anténách: trychtýř

25 purpurové bakterie Možné modely organizace fotosyntetických jednotek

26 Jak lze potvrdit vzájemné propojení antén? 1/ f = 1/ o f -px

27 Fluorescenční excitační spektra přímý důkaz přenosu energie energie je absorbována pigmentem A a přenesena na pigment B, který část vyzáří jako fluorescenci srovnání absorbčního spektra páru AB a excitačního spektra fluorescence z B > účinnost přenosu z A na B.

28 Příklad - zelená bakterie Chloroflexus aurantiacus Bchl c ~ 70% Bchl a Bchl a ~ 100%

29

30 Mechanismy přenosu excitační energie Zářivý přenos excitační energie: D * D + h h + A A * Účinnost přenosu energie závisí na: Kvantovém výtěžku emise donoru Počtu molekul akceptoru ve hodné orientaci Extinkčním koeficientu akceptoru Překryvu emisního spektra donoru a absorpčního spektra akceptoru J I D E A d

31 Försterův rezonanční přenos excitační energie Popisuje nezářivý přenos energie mezi chlorofyly. Thomas Förster 1948 Nepřenáší se elektrony, jen energie Analogie ladičky Molekuly jako dipóly (, 0 ) Dipól dipólová Coulombovská interakce Interakce dvou dipólů: D a A Energie interakce mezi dipóly E D A 3 R DA Rychlost přenosu energie K ET ~ E 2 = K ET ~ s -1 Účinnost přenosu energie závisí na: Dipólových momentech 2 Vzdálenosti mezi pigmenty 6 Je vždy po spádu energií downhill Přenos energie i na delší vzdálenosti 2 2 D A 6 R DA

32 Dexterův koherentní přenos excitační energie exciton coupling Popisuje přenos excitonu na krátké vzdálenosti (<10 Å) mezi chlorofyly a karotenoidy K ET = K J e (-2R/L) K je úměrné překryvu molekulárních orbitalů J je spektrální překryv emisních a absorbčních pásů R je vzdálenost mezi D-A L je atomový nebo molekulární poloměr Účinnost přenosu energie tímto mechanismem: Nezávisí na dipólových vlastnostech interagujících molekul Počtu molekul akceptoru ve hodné orientaci Nemusí být z vyšší na nižší energetickou hladinu

33

34 Přenos excitace z antény do reakčního centra RC pasti s různou hloubkou 1. hluboká past (purpurové baktérie) 2. mělká past vícenásobné zachycení (Fotosystém I) 3. extrémně mělká past (Fotosystém II) Doba života excitace v anténách připojených k RC je ~ stovky ps izolované antény ~ ns mezipigmentový přenos ~ subps

35 Limitace velikosti antén s velikostí antén se prodlužuje doba přenosu excitace A. energy-transfer limited t ET =N ln(nt ss ) t ss ~ 100 fs t ET ~ ps pro N t exc ~ 1-3 ns max účinnost 90% B. trap-limited rychlý přenos, ale náhodný (RC má stejnou energii) k cs = k int /N Φ CS = k cs /(k rad + k nr + k cs ) k cs musí být >2ns -1