Fotosyntéza a Calvinův cyklus. Eva Benešová

Transkript

1 Fotosyntéza a Calvinův cyklus Eva Benešová

2 Fotosyntéza světlo CO 2 + H 2 O O 2 + (CH 2 O) světlo 6CO 2 + 6H 2 O 6O 2 + C 6 H 12 O 6 Opět propojení toku elektronů se syntézou ATP. Zachycení světelné energie a její konverze na energii chemickou. Fotosyntetizující organismy (autotrofní) ţijí v určité rovnováze s organismy heterotrofními. Fotosyntetizující org. - zachycují světelnou energii pro syntézu ATP a NADPH ty vyuţívají při syntéze uhlovodíků a dalších sloučenin z oxidu uhličitého a vody. Zároveň uvolňují kyslík do atmosféry. Aerobní heterotrofové vyuţívají kyslík při degradaci energeticky bohatých produktů fotosyntézy na oxid uhličitý a vodu za vzniku ATP. Oxid uhličitý se vrací do atmosféry. Fotosyntéza probíhá u mnoha bakterií, u různých jednobuněčných eukaryot (řasy) a v rostlinách. jen malé rozdíly

3 2 fáze fotosyntézy Světlá fáze = na světle závislá fáze Probíhá pouze pokud jsou rostliny vystaveny slunečnímu světlu. Chlorofyly a další pigmenty absorbují světelnou energii, ta je převáděna na chemickou a uklána do ATP a NADPH. Zároveň je uvolňován kyslík. Tmavá fáze = na světle nezávislá fáze Fixace oxidu uhličitého. Poháněna produkty světlé fáze. ATP (energie) a NADPH (redukční síla) jsou vyuţívány k redukci oxidu uhličitého na trióza-fosfáty, škrob či sacharózu a další produkty.

4 Fotosyntéza probíhá v chloroplastech Světelná i temná fáze se u eukaryotních buněk odehrávají v chloroplastech. Chloroplasty Dvě membrány: Vnější propustná pro malé molekuly a ionty Vnitřní uzavírá vnitřní kompartment Obsahují DNA pro některé vlastní proteiny. Stroma vnitřní výplň chloroplastu obsahuje enzymy pro asimilační reakce. Existuje zde ještě třetí soustava membrán tvoří tylakoidy (ploché váčky). Soustava tylakoidů nad sebou tvoří sloupce nazývané grana. V membráně tylakoidů jsou uloţeny pigmenty a enzymové komplexy pro světlou fázi fotosyntézy a pro syntézu ATP. Lumen vnitřní výplň tylakoidu.

5 Chlorofyl viditelné světlo: elektromagnetické záření o vlnových délkách od 400 do 700 nm romagnetic_spectrum.php ( ) Nejdůleţitějšími pigmenty v membráně tylakoidů jsou chlorofyly (zelené). - polycyklické planární struktury podobné protoporfyrinu hemoglobinu - v centrální pozici se vyskytuje Mg 2+ Absorpční spektra fotosyntetických pigmentů Chlorofyl je vţdy asociován se specifickými vazebnými proteiny. Světlosběrný komplex (LHC light harvesting complex) - v něm molekuly chlorofylu fixovány k sobě, s příslušnými proteiny a k membráně

6 Karotenoidy Kromě chlorofylu obsahuje membrána i další pigmenty. Karotenoidy ţluté, červené či fialové pigmenty. beta-karoten : červeno-oranţový Kombinace chlorofylů a a b (chloroplasty vţdy obsahují oba) a dalších pigmentů umoţňuje rostlinám vyuţít většinu energie dostupnou ve slunečním světle. lutein (xanthophyll): ţlutý Absorbují v jiných oblastech neţ chlorofyl a tím rozšiřují moţnosti vyuţití slunečního světla.

7 Fotosystémy Světlo-absorbující pigmenty jsou uspořádány do funkčních celků tzv. fotosystémů. (Fotosystém je tvořen světlosběrným komplexem a reakčním centrem.) Všechny molekuly pigmentů fotosystému umí fotony absorbovat, ale pouze některé chlorofylové molekuly asociované s fotochemickým reakčním centrem jsou specializované na přeměnu světla na chemickou energii. Ostatní molekuly (sběrné, antenní) pouze předávají absorbovanou sluneční energii k reakčnímu centru. Přenos excitační energie.

8 U rostlin spolupracují dvě reakční centra Membrána tylakoidů nese dva rozdílné fotosystémy, kaţdý má svůj typ reakčního centra a soustavu antenních molekul. Mají rozdílné a navzájem se doplňující funkce. PSI: obsahuje převáţně chlorofyl a absorpční maximum: 700 nm excitované elektrony z P700 na ferredoxin (Fe-S protein asociovaný s membránou) a dále přes Fd:NADP + oxidoreduktasu na NADP + PSII: obsahuje stejné mnoţství chlorofylu a i b po excitaci jeho reakčního centra P680 přecházejí elektrony komplexem cytochromu b 6 f zároveň dochází k transportu protonů přes membránu tylakoidu Všechny O 2 produkující (oxygenní fotosyntéza) fotosyntetizující buňky (rostliny, řasy, cyanobakterie) mají dva fotosystémy. Bakterie obsahují pouze jeden fotosystém Donorem elektronu pro fotoredukci (viz dále) je sulfan, propanol, laktát, mastná kyselina apod.). anoxygenní fotosyntéza

9 Necyklický a cyklický tok elektronů Při excitaci fotosystému II dochází k přechodu protonů přes membránu tylakoidů. ATP Cyklický tok netvoří se NADPH, ale probíhá syntéza ATP moţnost regulace poměru NADPH:ATP zapojen pouze PSI Ferredoxin fotolýza vody (Hillova reakce) 2H 2 O 4H + + 4e - + O 2 resp: 2H 2 O + 2NADP + 2NADPH + 2H + + O 2 - náhrada elektronu, který přešel z PSII na PSI Současná produkce kyslíku. (oxygenní fotosyntéza) Transport elektronů z vody... na NADP + v necyklické fotosyntéze Na kaţdé dva absorbované fotony připadá jeden elektron transportovaný z vody na NADP +.

10 3 bílkovinné transmembránové komplexy zahrnuté v oxygenní fotosyntéze -tyto komplexy jsou propojeny pohyblivými přenašeči elektronů a) plastochinon (analog ubichinonu) b) plastocyanin (bílkovina) vznik protonového gradientu Voet G, Voetová JG: Biochemie, Victoria Publishing, Praha 1995

11 Fotofosforylace Syntézu ATP katalyzuje CF 0 CF 1 komplex ATP syntasy na membráně tylakoidu. (Velká podobnost s ATP syntasou u mitochondrií.) CF 0 transmembránový kanál CF 1 periferní komplex červené šipky pohyb protonů modré šipky pohyb elektronů Opět vliv PMF!! Vznik 1 ATP na úkor přibliţně 3 přenesených protonů.

12 Syntéza uhlovodíků v rostlinách Syntéza uhlovodíků u ţivočichů vyţaduje minimálně 3uhlíkaté prekurzory. Kaţdý z těchto C je méně oxidovaný neţ C v CO 2. Rostliny a fotosyntetizující MO mohou syntetizovat uhlovodíky z CO 2 a vody redukcí CO 2 na úkor energie (ATP) a redukční síly (NADPH). Rostliny a další autotrofové mohou vyuţít CO 2 jako jediný zdroj uhlíku pro syntézu celulózy, škrobu, lipidů, proteinů a dalších organických sloţek. Zelené rostliny obsahují enzymatický systém pro konverzi CO 2 na jednoduché organické sloučeniny. Asimilace = fixace CO 2. CO 2 je asimilován cyklickým dějem zvaným Calvinův cyklus (redukční pentózafosfátový cyklus). Většina biosyntetických aktivit se odehrává v plastidech. chloroplasty - asimilace CO 2 (enzymy jsou umístěny ve stromě)

13 Fixace CO 2 se děje ve třech krocích Regenerace 5 ze 6 molekul trióza fosfátu je pouţito na regeneraci 3 molekul ribulóza 1,5-bisfosfátu. Šestá molekula je dále vyuţita. Přeměna hexóz na pentózy zahrnuje mnoho shodných kroků jako neoxidativní část PC. Fixace CO 2 Kondenzace oxidu uhličitého s 5uhlíkatým akceptorem. Vznik dvou molekul 3- fosfoglycerátu. 3-fosfoglycerát je redukován na trióza fosfát (Celkem 3 molekuly oxidu uhličitého jsou fixovány za vzniku 6 molekul glyceraldehyd-3-fosfátu v rovnováze s dihydroxyacetonfosfátem.) Většina reakcí Calvinova cyklu se vyskytuje i v jiných drahách. (glykolýza, pentózový cyklus)

14 Fixace CO 2 do 3-fosfoglycerátu a rubisko Rostliny, ve kterých je 3-fosfoglycerát prvním intermediátem, nazýváme C 3 rostliny. Enzym katalyzující inkorporaci CO 2 do organické formy je ribulóza-1,5-bisfosfát karboxylasa/oxygenasa = rubisko (lyasa). CO 2 + ribulóza-1,5-bisfosfát 6C (nestabilní) 2 3-fosfoglycerát Nízké číslo přeměny (3 molekuly fixovány za 1s při 25 C) - nutno velké mnoţství rubisko tvoří cca 15% proteinů chloroplastu nejběţnější enzym biosféry

15 Konverze 3-fosfoglycerátu na glyceraldehyd-3-fosfát Děje se ve dvou krocích. Obdoba (reverzně) v glykolýze (zde vyuţíváno NADPH). (Isoenzymy ve stromě a v cytosolu.) Další osudy triózy: (modré šipky v obrázku) a) Regenerace b) Přeměna na škrob (zásoba) (prekurzorem je fruktóza 1,6-bisfosfát) c) Přeměna na sacharózu (transport do nefotosyntetizujících buněk) d) Část vyuţita - energie

16 Regenerace ribulóza-1,5-bisfosfátu z trióza fosfátů Série reakcí s meziprodukty o různém počtu uhlíků. Enzym unikátní pro plastidy. Exergonická ireverzibilní reakce. Exergonická ireverzibilní reakce.

17 Výdaje na syntézu trióza fosfátu Syntéza kaţdého trióza fosfátu ze 3 CO 2 vyţaduje 6 NADPH a 9 ATP. 3CO 2 + 9ATP + 6NADPH + 6H + Glyceraldehyd 3-P + 9ADP + 8P i + 6NADP + Důvod, proč je nutno ve světlé fázi fotosyntézy regulovat poměr produkce NADPH a ATP na 2 : 3. Ţivočichové nemají: a) Rubisko b) Sedoheptulóza 1,7- bisfosfatasu c) Ribulóza 5-fosfát kinasu Čistý zisk.

18 Fotorespirace Rubisko není absolutně specifické pro CO 2 jako substrát. Molekulový kyslík kompetuje s CO 2 a asi 1x ze 3 aţ 4 případů katalyzuje rubisko kondenzaci kyslíku s ribulosa 1,5-bisfosfátem za vzniku 3-fosfoglycerátu a 2-fosfoglykolátu (ten pro buňku zbytečný). Během této reakce nedojde k ţádné fixaci oxidu uhličitého. Oxygenasová aktivita rubiska. Afinita rubiska k oxidu uhličitému klesá při stoupající teplotě. Zpětné uvolnění C z 2-fosfoglykolátu stojí buňku energii. Ritter, P.: Biochemistry; A Foundation, Brooks/Cole Publishing Company, Pacific Grove, CA 1996 Fotorespirace a) konzumuje O 2 b) produkuje CO 2 c) NEDOCHÁZÍ k ukládání energie - Inhibice produkce biomasy. Některé rostliny si proto vyvinuly adaptační mechanismy (zvláště rostliny z teplých oblastí).

19 Neumí vyuţívat O 2!!!! PEP = fosfoenolpyruvát!! 1. intermediát (také moţnost vzniku aspartátu) C 4 rostliny obrana proti fotorespiraci Fixace CO 2 a aktivita rubiska jsou prostorově odděleny. Rostliny z tropických oblastí (vyšší osvětlení a vyšší teplota). Krok, kde CO 2 je fixován do 3C produktu (3-fosfoglycerátu) je předcházen kroky fixace CO 2 do 4C sloučeniny. C4 rostliny a) Vyšší rychlost fotosyntézy. b) Vyšší rychlost růstu. c) Sníţená fotorespirace. d) Sníţené ztráty vody. inace.cz/clane k/kukuriceseta/ ( ) Speciální struktura listu. Spolupráce mezofylových buněk a buněk pochvy cévního svazku. Calvinův cyklus jako u C 3 rostlin U C 4 rostlin na asimilaci CO 2 nutno 5 ATP, u C 3 rostlin jen 3 ATP. CO 2 znovu fixován, tentokráte rubiskem

20 CAM rostliny obrana proti fotorespiraci ex.php?idc=37 ( ) Sukulenty (kaktusy, ananas apod.). Fixace CO 2 a aktivita rubiska jsou časově odděleny. Velmi teplé a suché oblasti. Redukce ztrát vody póry, kterými vstupuje CO 2 a O 2. Noc stomata otevřena vstup CO 2 fixace PEP karboxylasou do OA (OA malát ten uloţen ve vakuolách) Den stomata zavřena (nedochází ke ztrátám vody) CO 2 uvolněn z malátu jablečným enzymem asimilace rubiskem Calvinův cyklus