6 Přenos elektronů a protonů



Podobné dokumenty
12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

Fotosyntéza Světelné reakce. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

1- Úvod do fotosyntézy

FOTOSYNTÉZA I. Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74. Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Fotosyntéza. Dýchání a fotosyntéza, struktura a funkce antén a reakčních center, energetika transportu elektronů a protonů.

Sacharidy a polysacharidy (struktura a metabolismus)

Metabolické dráhy. František Škanta. Glykolýza. Repetitorium chemie X. 2011/2012. Glykolýza. Jaký je osud pyruátu bez přítomnosti kyslíku?

Vyjádření fotosyntézy základními rovnicemi

Respirace. (buněčné dýchání) O 2. Fotosyntéza Dýchání. Energie záření teplo BIOMASA CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3

Fyziologie rostlin. 9. Fotosyntéza část 1. Primární fáze fotosyntézy. Alena Dostálová, Ph.D. Pedagogická fakulta ZČU, letní semestr 2013/2014

Měření množství dopadající energie světla. Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy

Fotosyntéza. Ondřej Prášil

Světelné reakce fotosyntézy. - fixace energie záření

7 Fluorescence chlorofylu in vivo

EKOTECH Fluorescence chlorofylu in vivo 1

10. Minerální výživa rostlin na extrémních půdách

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

2. Fotosensitizované reakce a jejich mechanismus. 5. Samoorganizované porfyrinové nanostruktury a jednoduché aplikace

>>> E A1 + E A2. . aktivační energie potřebná k reakci bez přítomnosti katalyzátoru E A E A1. energie potřebná ke vzniku enzym-substrátového komplexu

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Fotosyntéza

Aminokyseliny, struktura a vlastnosti bílkovin. doc. Jana Novotná 2 LF UK Ústav lékařské chemie a klinické biochemie

Metabolismus aminokyselin. Vladimíra Kvasnicová

1. Napište strukturní vzorce aminokyselin D a Y a vzorce adenosinu a thyminu

Umělá fotosyntéza. Michael Hagelberg. Tomáš Polívka, Ústav fyzikální biologie

Obecná struktura a-aminokyselin

Eva Benešová. Dýchací řetězec

Enzymologie. Věda ležící na pomezí fyz. ch. a bioch. Zabývá se problematikou biokatalyzátorů.

Proteiny Genová exprese Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

35.Fotosyntéza. AZ Smart Marie Poštová

Závěrečná práce studentského projektu Fotosyntéza - Rostlinná barviva

Fotosyntéza a Calvinův cyklus. Eva Benešová

OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE

FOTOSYNTÉZA. soubor chemických reakcí,, probíhaj v rostlinách a sinicích. z CO2 a vody jediný zdroj kyslíku ku pro život na Zemi

FOTOSYNTÉZA ZÁKLAD ŽIVOTA NA ZEMI

Text zpracovala Mgr. Taťána Štosová, Ph.D PŘÍRODNÍ LÁTKY

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

FOTOSYNTÉZA. Princip, jednotlivé fáze

Měření množství dopadající energie světla. Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy. (osvětlenost ln.m -2 = lux) Ozářenost W.

Dýchací řetězec (DŘ)

4 Přenos energie ve FS

Energetický metabolismus rostlin. respirace

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

Světlosběrné komplexy rostlin. Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy. (+ světlosběrné komplexy) Rodina Lhc (light harvesting complex)

Energetický metabolismus rostlin

Bílkoviny - proteiny

CHEMICKÉ ZNAKY ŽIVÝCH SOUSTAV


D\ Bifjcu06\Fyrolec\Enzrea_06\enzreaCC_06_01

Aminokyseliny, peptidy a bílkoviny

Struktura bílkovin očima elektronové mikroskopie

Struktura proteinů. - testík na procvičení. Vladimíra Kvasnicová

FOTOSYNTÉZA. Mgr. Alena Výborná Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou VY_32_INOVACE_01_1_07_BI1

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA

PROTEINY. Biochemický ústav LF MU (H.P.)

Rychlost chemické reakce je dána změnou Gibbsovy energie a aktivační energií: Tudíž zrychlení reakce pomocí katalýzy může být vyjádřeno:

Fyziologie rostlin. 8. Minerální výživa rostlin část 3. Ca, Mg a mikroelementy. Alena Dostálová, Ph.D.

6. Mikroelementy a benefiční prvky. 7. Toxické prvky Al a těžké kovy, mechanismy účinku, obranné mechanismy rostlin

Aminokyseliny. Peptidy. Proteiny.

14. Fyziologie rostlin - fotosyntéza, respirace

Aerobní odbourávání cukrů+elektronový transportní řetězec

Rostlinná cytologie. Přednášející: RNDr. Jindřiška Fišerová, Ph.D. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Předmět: KBB/BB1P; KBB/BUBIO

Citrátový cyklus a Dýchací řetězec. Milada Roštejnská Helena Klímová

DYNAMICKÁ BIOCHEMIE. Daniel Nechvátal ::

Obecný metabolismus.

ení k tvorbě energeticky bohatých organických sloučenin

EXTRAKCE, CHROMATOGRAFICKÉ DĚLENÍ (C18, TLC) A STANOVENÍ LISTOVÝCH BARVIV

NMR biomakromolekul RCSB PDB. Progr. NMR

Autor: Katka Téma: fyziologie (fotosyntéza) Ročník: 1.

Regulace translace REGULACE TRANSLACE LOKALIZACE BÍLKOVIN V BUŇCE. 4. Lokalizace bílkovin v buňce. 1. Translační aparát. 2.

Dýchací řetězec (Respirace)

Síra. Deficience síry: řepka. - 0,2-0,5% SH, nedostatek při poklesu obsahu síranů pod 0,01% SH

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

VAKUOLA. membránou ohraničený váček membrána se nazývá tonoplast. běžná u rostlin, zvířata specializované funkce či její nepřítomnost

Biotransformace Vylučování

Minerální výživa na extrémních půdách. Půdy silně kyselé, alkalické, zasolené a s vysokou koncentrací těžkých kovů

Fotosyntéza. Ondřej Prášil

FOTOSYNTÉZA V DYNAMICKÝCH

TERMODYNAMICKÁ ROVNOVÁHA, PASIVNÍ A AKTIVNÍ TRANSPORT

Každá molekula kyslíku kterou právě dýcháme vznikla někdy v nějaké rostlině. Každý atom uhlíku našeho těla byl kdysi včleněn fotosyntézou do nějaké

Dýchací řetězec. Viz též přednášky prof. Kodíčka (snímky a blány v levém sloupci)

Procvičování aminokyseliny, mastné kyseliny

Metabolismus bílkovin. Václav Pelouch

Aminokyseliny. Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Zlín. Tematická oblast Datum vytvoření Ročník Stručný obsah Způsob využití

NaLékařskou.cz Přijímačky nanečisto

Škola: Gymnázium, Brno, Slovanské náměstí 7 III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Název projektu: Inovace výuky na GSN


Energetický metabolismus rostlin

Energie fotonů je předávána molekulám chlorofylu A, který se zachyceným fotonem excituje (uvolní se energeticky bohatý elektron).

Farmakokinetika I. Letní semestr 2015 MVDr. PharmDr. R. Zavadilová, CSc.

Propojení metabolických drah. Alice Skoumalová

ENZYMY. RNDr. Lucie Koláčná, Ph.D.

SYSTÉMY BIOLOGICKÉHO ODSTRAŇOVÁNÍ NUTRIENTŮ

BÍLKOVINY R 2. sféroproteiny (globulární bílkoviny): - rozpustné ve vodě, globulární struktura - odlišné funkce (zásobní, protilátky, enzymy,...

Struktura atomů a molekul

B4, 2007/2008, I. Literák

VLIV AKLIMAČNÍ OZÁŘENOSTI NA ORGANIZACI PIGMENT-PROTEINOVÝCH KOMPLEXŮ THYLAKOIDNÍ MEMBRÁNY SMRKU ZTEPILÉHO

Transkript:

6 Přenos elektronů a protonů Petr Ilík KBF a CRH, PřF UP Evoluce FS 1

Halobaktérie H + pumpa http://www.rsc.org/publishing/chemtech/volume/2008/11/b acteriorhodopsin_insight.asp - Protonová pumpa halobakterií obsahuje pigment-protein bakteriorhodopsin (brdp) - 7 helikálních jednotek s pigmentem retinalem (aldehyd vitaminu A) http://course1.winona.edu/sberg/427-2005/427fall05.htm - absorpce fotonu konformační změna proteinu translokace protonu - abs. maximum: 412 nm (neprotonovaný brdp), 570 nm (protonovaný brdp) Bakteriorhodopsin elektronická součástka? Jin Y et al. PNAS 2006;103:8601-8606 - brhp v pevném stavu je schopen vést elektrický proud - změna ve vodivosti pod vlivem světla (viz V-A charakteristika) kandidát pro biomolekulární elektroniku!!! - vysoká stabilita 2

-red. pot. Obecný princip činnosti RC + hν anténa e - jádro RC sek. donor P sek. akcep. A 1 A 2 A n P * ~ ps A 1 A2 ~ fs ~ 100ps P e - e - e - A n Reakční centrum (RC): - jádro - sekundární donor e - - sekundární akceptor e - Jádro RC: - P - primární donor e - ((b)chl dimer) - A 1 - primární akceptor e - - A n - primární stabilní akceptor e - - v jádru nábojová separace: P * P + + e - - směrovaný přenos elektronu napříč proteinem membrány - rychlost přenosu e - postupně klesá - přenosu konkuruje rekombinace: P + + A i- P + A i ale má velmi nízký výtěžek e - Bakteriální RC - 1 sek. donor e - http://www.lbl.gov/science-articles/archive/sb/oct- 2004/3-INCITE-Photosynthesis.html snadné oddělení od anténních systémů (LH1 a LH2), relativně snadná krystalizace 1984 - první RTG strukrura na Rhodopseudomonas viridis (Deisenhofer, Huner, Michel Nobelova cena 1988) Jádro RC: proteiny L 21 kda (low), M 24 kda (medium) 10 transmemránových helixů, 4 bchl b (2 spec. pár P960, v př. bchl a - P870), 2 bph b, menachinon (Q A, MQ), ubichinon (Q B, UQ), mezi MQ a UQ je Fe 2+/3+ (usnadnění přenosu e - ), car - ochrana H protein 28 kda (high) cytochrom c: 4 hemová Fe sekundární donor e - 3

Bakteriální RC - 2 e - 1 ps 3 ps 150 ps http://theor.jinr.ru/disorder/gal_bio.html#lhc 100 µs - 2 větve pro přenos e -, využívá se jen jedna - osa symetrie - MQ (Q A ) primární stabilní akceptor elektronů - UQ (Q B ) sekundární akceptor elektronů Elektronový transport u purpurových bakterií e - H 2 S NAD + - cyklický i necyklický elektronový transport generuje gradient protonů napříč membránou syntéza ATP pomocí ATP syntázy 4

Elektronový transport u purpurových bakterií e - cyt bc 1 komplex - SDH sukcinát dehydrogenáza, NQO chinon-nad + oxidoreduktáza - reakční centrum typu PSII (chinonový typ) Elektronový transport u zelených bakterií - reakční centrum typu PSI (Fe-S centra) 5

Elektronový transport u zelených bakterií e- Bakterie FS charakteristiky e- 6

Přenos elektronů kyslíková FS - Necyklický (lineární) elektronový transport: voda (PSII) NADP + (FNR) - Cyklický elektronový transport kolem PSI: z Fd zpět na plastochinon (PQ) hν hν Elektronový transport v PSII základní funkční proteiny (integrální) - D1, D2 (homologie k L a M u bakterií), CP43, CP47 (vnitřní antény PSII), cyt b 559 periferní - MSP ( manganese spliting protein ), OEC (oxygen evolving complex) - 4 atomy manganu v mocenství 2 + az 4 + 0.1-0.5 ms 1 ms 400 ps < 10 ps 20 ns 1 ms PQ funkční pouze jedna větev (jako u bakterií) P680 - dimér chl a - prim. donor e - (příjem energie excitací z CP47 nebo přímo) Pheo - feofytin - primární akceptor e - Q A - chinon - primární stabilní akceptor e - Q B - vázaný plastochinon (PQ) - sekundární akceptor e - (2e - akceptor, Q B kapsa - místo kompetice s herbicidy) Z - tyrosin- sekund. donor e - (D1), D - Tyr (D2); funkční zejména větev přes Tyr Z 7

Redukce PQ v PSII redoxní stav PQ je signálem pro aktivaci/inaktivaci různých regulačních procesů Cytochrom b6f komplex hemové Fe 2Fe-2S centrum 8

Q cyklus přechod mezi jednoelektronovými a dvouelektronovými přenašeči translokace protonů PQ dvojelektronový přenašeč 2Fe-2S centrum v Rieske Fe-S proteinu - 1e - přenašeč cyt f - 1e - přenašeč PC (plastocyanin) - 1e - přenašeč cyt b l a cyt b h nízko- a vysokopotenciálový cytochrom b Elektronový transport v PSI základní funkční proteiny (integrální) A (PsaA), B (PsaB), vážou celkem asi 120 molekul chl a), mnoho periferních proteinů s nejasnou funkcí 0,2 ms??? 1 ms 0.2 ms 200 ps < 20 ps C (sek. akcep. e-), F - váže PC, D, E - váže Fd (ferredoxin) P700 - dimér chl a - prim. donor e - (nábojová separace - vysoce ireverzibilní) A 0 - chl a - primární akceptor e - A 1 - fylochinon (vitamin K1) F X - vázané 4Fe-4S cetrum - primární stabilní akceptor e - (1e - akceptor) F A, F B - vázané 4Fe-4S - centra - sekundární akceptor e - (vázaný ferredoxin) 9

ATP-syntáza CF 0 - CF 1 komplex CF 0 (komplexy I - IV): translokace H + CF 1 (komplexy α, β, χ, δ, ε) syntéza ATP komplex II kotví hlavu (3α, 3β) translokace H + (vazba H + ) spojena s rotací komplexu III, komplex III se pevně vázán k komplexu χ, který se napíná, mechanický torzní moment síly je využit k syntéze ATP v hlavě syntázy poměr 4 H + /ATP využití µ H+ ~ ph, ψ (el. napětí napříč membránou) u chlp: nejdůležitější ph složka u mitochondrií: ψ Lineární elektronový transport ve tmě ph lumenu a stromatu neutrální při osvitu ph lumenu až 5,5 a ph stromatu 7,5-8 nejpomalejší (limitující) reakce přenosu elektronů lineárního transportu oxidace PQH 2 10 µs 20 ms 0,2 ms 10

Z schéma kyslíkové FS Lineární elektronový transport studium elektronového transportu pomocí inhibitorů a umělých akceptorů DCMU: 3-(3,4- dichlorfenyl)-1,1-dimethylkarbonyldiamid (diuron) - herbicid DBMIB: 2,5-dibromo-3-methyl-6-isopropylbenzoquinone paraquat (methylviologen, MV), N,N -dimethyl-4,4 - bipyridinium dichloride - herbicid MV souvislost s Parkinsonovou nemocí (Tanner a kol. Environmental Health Perspectives 119, 866 872, 2011) 11

Aktivace temnotních reakcí FS Fd - aktivuje ferredoxin-thioredoxin reduktázu (FTR), která aktivuje řadu enzymů (i enzymy Calv. cyklu) pomocí redukce disulfidických můstků pro aktivaci enzymu Rubisco je třeba z něj vyvázat RuBP, karbamylace a vazba Mg 2+ - role Rubisco aktivázy, která je aktivována pomocí FTR za spotřeby ATP Cyklický elektronový transport kolem PSI důležitý pro život rostlin i za normálních podmínek (spotřeba ATP/NADPH = 1,43 v rámci Calvinova cyklu; LEF poskytuje 1,3; 0,13 ATP/NADPH díky cyklickému el. transportu (CEF)!) Fd - donuje e - zpět na PQ za účasti Fd- PQ-oxidoreduktázy (možná FNR) aktivace když lineární přenos e - na NADP + je inhibován (akumulace NADPH, nedostatek NADP + ) při např. inhibici fixace CO 2 (stres suchem zavření průduchů nebo vyšší teploty) generace gradientu H + napříč thylakoidní membránou bez redukce NADP + změna poměru NADPH/ATP při zachování elektronového transportu 12

2 typy CET kolem PSI (ii) PGR5/PGRL1 (což je FQR, 2013) využití i za normálních podmínek (i) NDH NAD(P)H-dehydrogenáza (vysoká homologie s komplexem I u mitochondrií) využití za stresových podmínek (nadbytek NADPH) Cyklus voda - voda - uplatnění když je Fd redukovaný (CET nestíhá ) 13

Emersonův efekt kooperace fotosystémů důkaz práce PSI a PSII v sérii (Emerson a kol. 1957), měření kv. výtěžku vývinu kyslíku far red (λ > 690 nm) preferenčně excituje PSI, red (λ ~ 650 nm) excituje PSI a PSII použití: stanovení rozsahu kooperace po stresovém působení Přechod stav 1 stav 2 povrchový náboj thylakoidní membrány je záporný (1e - /6 nm 2 ) díky lipidům PG a SQDG a disociovaným COOH skupinám postranního řetězce AMK Glu a Asp proteinů thylakoidní membrány se odpuzují Co je spojuje do gran? ph>5: -COOH -COO - + H + HA H + + A - pk = - log K; K disociační konstanta ph = pk + log ([A - ]/[HA]) (Hendersenova-Hasselbalchova rovnice) pk kyseliny HA je ph, při kterém je kyselina zpoloviny disociovaná pk (α-cooh) ~ 2 (pro ph>2 je skupina disociovaná COO - ) pk (α-nh 3+ ) ~ 9.5 (pro ph>9.5 je skupina nedisociovaná NH 2 ) 14

Přechod stav 1 stav 2 Přechod stav 1 stav 2 pk funkčních skupin aminokyselin Aminokyselina α-cooh α-nh 3 + skupiny postranního řetězce Alanin 2.3 9.9 Glycin 2.4 9.8 Fenylananin 1.8 9.1 Serin 2.1 9.2 Valin 2.3 9.6 Kys. Asparagová 2.0 10.0 3.9 (β-cooh) Kys. Glutamová 2.2 9.7 4.3 (χ-cooh) Histidin 1.8 9.2 6.0 (imidazolová sk.) Cystein 1.8 10.8 8.3 (-SH) Tyrosin 2.2 9.1 10.9 (-OH) Lysin 2.2 9.2 10.8 (ε-nh 3+ ) Arginin 1.8 9.0 12.5 (quanidinová sk.) Karlson, P.: Základy biochemie, Stryer L.: Biochemistry 15

Přechod stav 1 stav 2 kationty (zejména divalentní, Mg 2+ ) zmenšují odpuzování membrán LHCII komplexy (hlavně v granu) mají kladně nabitý N konec na stromální straně thylakoidní membrány - vazba na jinou thylakoidní membránu ( stacking - granum), LHCII v granu preferenčně dodává excitace na PSII Lhcb1(2) má šestou AMK (od N konce) treonin (s OH skupinou v postranním řetězci), která je při přechodu ze stavu 1 do stavu 2 fosforylována protein kinázou (aktivace redukovaným PQ) Ultramikrostruktura thylakoidní membrány - 4 - PSI, ATP syntáza okraje gran a stromální thylakoidy - PSII s LHCII vnitřek gran -Cyt b 6 f komplex - všude Buchanan a kol.: Biochemistry and Molecular Biology of Plants 2000 16

Přechod stav 1 stav 2 Regulace distribuce excitací mezi PSII a PSI (pro obvyklé intenzity světla): - nízká koncentrace kationtů rozpad gran LHCII distrubuuje excitace i na PSI - aktivace protein kinázy (PQ redukované ) fosforylované LHCII (LHCIIp) se odpuzují částečný rozpad gran - migrace LHCIIp do stromálních thylakoidů, kde excitují PSI (stav 2) - aktivace fosfatázy (PQ oxidované) defosforylace LHCIIp více gran (stav 1) - důležitost: optimální fungování PSI a PSII v sérii (lineární el. transport) - stav 1: ve tmě nebo při preferenční excitaci PSI ((λ > 690 nm) (PQ oxidované), chemicky - stav 2: není preferenční excitace PSI (PQ redukované), chemicky - na intenzivním světle inhibice kinázy pomocí FTR (hydrogenace S-S- vazby) fixace stavu 1! - doba trvání přechodu stav 1 stav 2: minuty (u org. s fykobilizomy podobný přechod: sekundy) PSII-LHCII (a) a PSI-LHCI (b) komplex PSII core Pan a kol. 2013 Current Opinion in Structural Biology 23, 515-525 17

Přechod stav 1 stav 2 Xantofylový cyklus 3) Přenos energie z 1 chl * na karotenoid iniciovaný acidifikacií lumenu thylakoidu a následnou konformační změnou LHCII v souvislosti s deepoxidací violaxantinu na zeaxantin 18

Xantofylový cyklus Violaxantin deepoxidáza(vde): - 43 kda enzym v lumenu thylakoidů - při neutrálním ph mobilní - při acidifikaci lumenu ph < 6 (tj. při ozářenosti vyšší než odpovídá saturaci asimilace CO 2 ) vazba na thylakoidní membránu - nutná dostupnost violaxantinu v lipidové dvojvrstvě, V se vyvazuje z LHCII při acidifikaci - při vyvázání V z LHC fázová separace MGDG (důlezitá pro flip-flop antheraxanthinu) - deepoxidace V A Z (cca 1-2 min.) - Z se naváže místo V a změní konformaci LHCII přiblížení luteinu k chl a v LHC (také role protonovaného PsbS ) zhášení excitací (nefotochemické zhášení non-photochemical quenching- NPQ) - VDE potřebuje ke konverzi V na Z reduktant - askorbát (vitamin C) Zeaxanthin epeoxidáza (ZE): - na stromální straně - dosud málo prozkoumaná - epoxidace Z A V (cca 10 min.) pomalejší - ph optimum = 7,5 - spotřeba NADPH Mechanismus NPQ Pan a kol. 2013 Current Opinion in Structural Biology 23, 515-525 19

Poměr PSII/PSI 20