FOTOSYNTÉZA ZÁKLAD ŽIVOTA NA ZEMI Pavel Peč Katedra biochemie Přírodovědecké fakulty Univerzita Palackého v Olomouci Fotosyntéza fixuje na Zemi ročně asi 1011 tun uhlíku, což reprezentuje 1018 kj energie. Fotosyntéza u rostlin je dvoustupňový proces, při kterém se světelná energie využívá k oxidaci H2O: 2 H 2 O O 2 + 4 [ H + ] + 4 e Současně získané elektrony se využívají k redukci CO 2 : 4 [ H ] + CO 2 (CH 2 O) + H 2 O Dva stupně fotosyntézy se tradičně uvádí jako světelná reakce (první fáze) a temnostní reakce (druhá fáze). Místem fotosyntézy u eukaryot (vyšší rostliny a řasy) jsou chloroplasty. Buňky obsahují 1 až 1000 chloroplastů tvaru elipsoidu o rozměrech asi 5 mm délky. Světlo absorbující pigmenty. Chlorofyl cyklický tetrapyrrol s centrálním atomem Mg 2+. Prekurzorem je stejně jako u hemu protoporfyrin IX. Hlavní formy chlorofylu u rostlin a cyanobakterií jsou chlorofyl a (Chl a) a chlorofyl b (Chl b), u fotosyntetizujících bakterií jsou to bakteriochlorofyl a (BChl a) a bakteriochlorofyl b (BChl b). Chlorofyly jako vysoce konjugované sloučeniny silně absorbují viditelné světlo. Malé rozdíly v chemické struktuře silně ovlivňují jejich spektra. Modelové schéma chlorofylu.
Dvě centra elektronového transportu (Zschéma). U rostlin a cyanobakterií je fotosyntéza necyklický proces využívající redukční sílu generovanou světlem poháněnou oxidací H 2 O k produkci NADPH. Mnohostupňový proces probíhá ve dvou reakčních centrech: Fotosystém II (PSII, P680), který oxiduje H 2 O a fotosystém I (PSI, P700), který redukuje NADP +. Oba fotosystémy jsou nezávisle aktivovány světlem s elektrony proudícími od PSII k PSI. Další komponentou elektronového transportu od H 2 O k NADPH mezi PSII a PSI je cytochrom b6f komplex. Mezi PSII a tímto komplexem jsou elektrony přenášeny mobilním analogem respiračního elektronového transportního řetězce plastochinonem (Q). Redukovaná forma plastochinol (QH 2 ). Přenos elektronů mezi cytochrom b6f komplexem a PSI se uskutečňuje prostřednictvím mobilního periferního membránového proteinu plastocyaninu (PC). Ležaté Z schéma světelné fáze fotosyntézy. 1,4 PSI P700 PSII P680 8 H + stroma h 2 NADP + + 2H + 2 NADPH Stroma 0 + (V) h 8 H + thylakoid ATP P700 Thylakoid 2 H 2 O + 1,2 P680 O 2 4 H + 4 e 4 e Produkty první, světelné fáze fotosyntézy: O 2 ATP adenosintrifosfát (energie), NADPH (redukční síla, energie), odpadní produkt kyslík (O 2 ). ATP, NADPH se využívají k zabudování oxidu uhličitého do sacharidů v druhé fázi fotosyntézy zvané CalvinBensonův cyklus. Druhá fáze fotosyntézy CalvinBensonův cyklus. Metabolická dráha, ve které rostliny inkorporují CO 2 a tvoří sacharidy, byla objasněna mezi léty 1946 až 1953 M. Calvinem a A. Bensonem.
Pracovali s buňkami řas a zkoumali produkty vstupu značeného 14 CO 2. Analýzou buněk řas po 5 s po expozici značeným 14 CO 2 zjistili, že jediným produktem je 3fosfoglycerát (3PG) s označeným karboxylem. Dále zjistili, že akceptorem CO 2 je pentosa ribulosa1,5bisfosfát a enzymem podílejícím se na reakci je ribulosa1,5bisfosfátkarboxylasa (RUBISCO). CalvinBensonův cyklus lze rozdělit na dvě fáze: Produkční ve které šest molekul ribulosa1,5bisfosfát reaguje se šesti molekulami CO 2 za tvorby dvanácti molekul glyceraldehyd3fosfátu (GAP) za spotřeby 18 molekul ATP a 12 molekul NADPH. Cyklický charakter procesu činí dráhu ekvivalentní tvorbě jedné molekuly glukosy ze šesti molekul CO 2. Regenerační ve které uhlíkové atomy zbylých deseti GAP jsou přeměněny v procesu podobném pentosafosfátové dráze u savců na šest molekul ribulosa5fosfátu resp. rribulosa1,5bisfosfátu, které byly na počátku procesu. RUBISCO enzym ribulosabisfosfátkarboxylasaenzym ribulosabisfosfátkarboxylasa HC HC O OH OH + CO 2 RUBISCO 2 HC OH CH 2 O PO 3 Ribulosa 1,5 bisfosfát 3 fosfoglycerát Schéma CalvinBensonova cyklu. 2 C3 C6 + 6 CO 2 12 C3 ATP 10 C3 6
Ribulosabisfosfátkarboxylasa (RuBP karboxylasa). RuBP karboxylasa je nejdůležitější enzym na Zemi. Vyznačuje se nízkou aktivitou (kcat = 3 s 1 ), ale jeho obsah v zeleném listu přesahuje 50 % všech proteinů. Je tedy i nejrozšířenějším proteinem biosféry. RuBP karboxylasa z vyšších rostlin a většiny fotosyntetických mikroorganismů je složeno z osmi velkých podjednotek kódovaných chloroplastovou DNA (L je složena ze 477 aminokyselin) a osmi malých podjednotek (S složených z 123 aminokyselin) kódovaných jadernou DNA. K aktivitě RuBP karboxylasa je nutný Mg 2+ vázaný na katalyticky významnou karbamátovou skupinu (NH), která se vytváří reakcí nesubstrátového CO 2 s aminoskupinou Lys 201. Reakci in vivo katalyzuje RuBP karboxylasaaktivasa s účastí ATP. Fotorespirace. Od roku 1960 je známo, že osvětlené rostliny spotřebovávají kyslík a uvolňují CO 2 drahou odlišnou od oxidativní fosforylace. Při nízkých hladinách CO 2 a vysokých O 2 může proces fotorespirace převládnout nad fixací CO 2. Překvapení: Kyslík kompetuje s CO 2 jako substrát ribulosakarboxylasy. Přesnější název: ribulosabisfosfátkarboxylasa/oxygenasa (RUBISCO). Při oxygenasové reakci se vytváří z RuBP 3fosfogylcerát a fosfoglykolát. Fosfoglykolát je hydrolyzován na glykolát a ten je oxidován za tvorby CO 2 v sérii enzymových reakcí v peroxisomech a mitochondrii. Fotorespirace je devastující proces, jehož výsledkem je neužitečná spotřeba světlem vytvořeného NADPH a ATP!! O CHOO 3 RUBISCO HC OH + O 2 HC OH + HC OH Ribulosa1,5bisfosfát (C 5 ) 3 Fosfoglycerát (C 3 ) 2 Fosfoglykolát (C 2 )
C4 Rostliny koncentrují na povrchu listu CO 2. Řada rostlin se evolučně přizpůsobila kolísání koncentrace O2 a CO2 tak, že koncentrují ve fotosyntetických buňkách CO2 a zabraňují fotorespiraci. Např. cukrovka, cukrová třtina, kukuřice a mnoho plevelných rostlin. Typické pro tropické a subtropické oblasti. List má charakteristickou anatomii pod vrstvou buněk tzv. mesofylu jsou soustředěny žilky cévních svazků. V mesofylových buňkách není ribulosabisfosfátkarboxylasa!! Model řezu listu C4 rostlin. Kutikula Svrchní epidermis Palisádový mezofyl Houbový mezofyl Xylem Floem Cévní svazek CO 2 O 2 Spodní epidermis Průduch (stoma) Cyklus C 4 M. Hatch a R. Slack (1960). V mesofylu reaguje vstupující CO2 ve formě HCO3 s fosfoenolpyruvátem (C3) za tvorby oxaloacetátu (čtyři uhlíky, proto C4). Oxaloacetát je redukován NADPH na malát, který je transportován do buněk cévních svazků, kde je oxidativně dekarboxylován na CO2, pyruvát a NADPH. Takto koncentrovaný CO2 vstupuje do CalvinBensonova cyklu. C 4 rostliny vstup CO2 do mesofylových buněk. Svěrací buňky CO 2 VZDUCH 2 P i Karbonátanhydrasa ATP + P i AMP + PP i CH 2 HCO 3 P i CH 2 NADPH NADP + CH 2 Pyruvátfosfát dikinasa C OPO 3 Fosfoenolpyruvát (PEP) C O PEP karboxylasa Malátdehydrogenasa Oxaloacetát MEZOFYLOVÁ BUŇKA H C OH Malát
C 4 rostliny vstup malátu do buněk cévních svazků. BUŇKA POCHVY CÉVNÍHO SVAZKU CH 3 C O Jablečný enzym Pyruvát CO 2 + NADPH NADP + CALVINŮV CYKLUS 3Fosfoglycerát CAM rostliny jako varianta rostlin C 4. Dráha byla poprvé popsána u tučnolistých rostlin a odtud název CAM crassulacean acid metabolism. U CAM rostlin je časově oddělen záchyt CO 2 a CalvinBensonův cyklus. CAM rostliny otevírají stomata (póry v listech) v noci a zachycují CO 2 drahou C 4 ve formě malátu. Pro zachycení CO 2 je nutné velké množství fosfoenolpyruvátu. To se získává štěpením škrobu a glykolýzou. Během dne je malát štěpen za tvorby CO 2 vstupujícího do CalvinBensonova cyklu a pyruvátu použitého na resyntézu škrobu. Celý tento proces je realizován také z důvodu zabránění ztrátě vody!!! Stejnou drahou probíhá fotosyntéza u sukulentů.