C5720 Biochemie 24_Fotosyntéza 10/6/2014 1 Petr Zbořil Obsah •Fotosyntéza, světelná fáze. Chlorofyly, struktura fotosyntetického centra. Komponenty přenosu elektronů (cytochromy, chinony, plastocyanin, ferredoxin), FS-2, FS-1, mechanismus syntézy ATP. Rovnice světelné fáze a její bilance. •Temná fáze fotosyntézy (Calvinův cyklus), RUBISCO, mechanismus fixace CO2. •Typy fotosyntézujících organizmů, další způsoby záchytu světla, chemotrofní asimilace C1. •Ekologický a technologický význam fotosyntézy, perspektivy. • 10/6/2014 Petr Zbořil 2 Obecně •Sumárně 6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2 •Endergonický pochod – nelze provést jednoduše oOpačný směr – jednoduchý – energie jako teplo oVyužití energie uvolněné oxidací – složité pochody •2 fáze fotosyntézy oSvětelná – tvorba ATP a NADPH (redukční ekvivalenty) – vyžaduje světelnou (alternativně jinou) energii oTemná – fixace a redukce CO2 – využití ATP a NADPH – alternativní pochody 10/6/2014 Petr Zbořil 3 Světelná fáze •Světlá fáze oTvorba NADPH a ATP oFotosyntetický elektronový otransport – acyklický a cyklický oEndergonický směr přenosu oelektronů oDonorem je voda – vysoká ohodnota E štěpicícho enzymu oSvětelná energie přeměněna ona změnu E0‘ chlorofylu o ca o2x1 V o o • 10/6/2014 Petr Zbořil 4 Světelná fáze •Komponenty •fotosyntetického •elektronového transportu •Komplexy fotosystémů I a II -PSII a PSI s reakčními centry -Primární e- donory P680 a P700 •(tvořeny Chl a), plastochinon •Komplex cyt b6f – translokace H+ •Spojovací přenašeče PQ a PC •Centra redukce NADP+ •Feredoxin •NADP+ reduktasa (FMN) • o • 10/6/2014 Petr Zbořil 5 Lokalizace systému přenašečů • • 10/6/2014 Footer Text 6 Lokalizace systému přenašečů • • 10/6/2014 Footer Text 7 Struktura fotosyntetického řetězce transportu elektronů • • • • • • • • •Lokalizace přenašečů v membráně tylakoidu oTransport elektronů z vody na NADP+ oTranslokace protonů oSyntéza ATP oSložení – komplexy PSII, cyt b6f, PSI, navazuje CFOCF1 ATP syntetasa • 10/6/2014 Petr Zbořil 8 10/6/2014 Footer Text 9 Štěpení vody • • •Není to fotolýza oEnzym bez světla •H2O = ½ O2 + 2H+ + 2e- •E0‘ ca +1 V •2e- do reakčního •centra PSII – redukce P680 • •Aktivní centrum •enzymu • 10/6/2014 Footer Text 10 Sběr světla • • • • • • • • • •Absorpční spektra chlorofylů oNepokrývají celou oblast oJediná molekula – malá plocha • 10/6/2014 Petr Zbořil 11 Sběr světla • • • • • • • • • •Pigmenty absorbující světlo oPokrývají další oblasti spektra oVelké množství – efektivní záchyt 10/6/2014 Petr Zbořil 12 Sběr světla •Anténní systém •Organizované •pigmenty •Jednosměrný •přenos energie 10/6/2014 Footer Text 13 Sběr světla • • • • • • • • • • • • •Anténní systém – pomocné pigmenty oEfektivní záchyt světelné energie oOdlišné u různých typů organizmů – bakterie, sinice • 10/6/2014 Petr Zbořil 14 Využití světelné energie •Kvantifikace o1 foton – 1 e- •Redukce NADP+ o2x2 fotony •Syntéza ATP o1 při necyklickém otransportu e- při redukci oDalší cyklickým otransportem e- oPotřeba více ATP než oNADPH pro redukci CO2 • 10/6/2014 Petr Zbořil 15 Redukce NADP+ •Finální krok •Redukce PSI •plastocyaninem •Účast kofaktorů oQ a FeS centra •Feredoxin (Fe) •NADP+ reduktasa oKofaktor FMN 10/6/2014 Petr Zbořil 16 Plastocyanin • • •Kuproprotein •E0‘ = 370 mV, pro •Cu(II)/Cu(I) = 158 mV •modulace bílkovinou •Funkcí podobný •cyt c • • • 10/6/2014 Footer Text 17 Tvorba ATP • • • • • • • •Mechanismus jako u oxidační fosforylace 10/6/2014 Petr Zbořil 18 10/6/2014 Footer Text 19 Struktura a funkce PS řetězce přenosu elektronů • • 10/6/2014 Footer Text 20 Cyklický transport Bilance přenosu e- •2 H2O = O2 + 4 H+ (do lumen) + 4 e- •2 H+ (ze stroma) + 4 e- + 2 NADP+ = 2 NADPH •Potřeba 8 fotonů oExperimentálně 8 – 10 na 1 uvolněnou O2 •8 H+ translokováno do lumen přes bf komplex •Celkem 12 – tj. stačí na syntézu 4 ATP •Protonmotivní síla téměř zcela záležitostí DpH oDíky propustnosti membrány pro Mg2+ a Cl- je D Y blízká 0 • 10/6/2014 Footer Text 21 Umělý systém syntézy ATP • • • • • • • • •Experimentální průkaz tvorby ATP na konto Δ H+ •První potvrzení chemiosmotické teorie – tylakoidy 10/6/2014 Footer Text 22 Sumární schema světelné fáze 10/6/2014 Footer Text 23 Temná fáze •Fixace a asimilace CO2 oAkceptor Rul-l,5-bisP oRUBISCO – ribulosabisfosfát karboxylasa oxygenasa •Redukce – form. CO2 + 4[H] = HCOH + H2O oVznik GAP oVyžaduje NADPH a ATP oObrat glykolytické reakce GAPDH •Regenerace akceptoru CO2 oGAPDH – fruktosa-1,6-bisfosfát oObrat pentosového cyklu oTransaldolace a transketolace o6 CO2 + 6 C5 = 6 C6 o5 C6 = 6 C5 – další spotřeba ATP 10/6/2014 Footer Text 24 Fixace CO2 • • • • • • • • •Ribulosabisfosfát karboxylasa oxygenasa oAlternativně reaguje s O2 - vzniká P-glykolát – disipace energie oNejvíce syntetizovaná bílkovina v biosféře o 10/6/2014 Footer Text 25 Calvinův cyklus • • • • • • • • • • •Redukce 3PG a regenerace Rul-1,5-bis P 10/6/2014 Footer Text 26 Calvinův cyklus 10/6/2014 Footer Text 27 • • • • • • • •Studován pomocí papírové chromatografie 14C-metabolitů (špenát, Chlorella) •Melvin Calvin, James Bassham, Andrew Benson •UCB, NC 1961 • 10/6/2014 Footer Text 28 C4 mechanismus •Hatch-Slackův cyklus •Pomocný pochod •záchytu CO2 oC4 rostliny v oblastech os vysokým slunečním svitem oEfektivnější záchyt CO2, oale na konto ATP oCAM – probíhá v noci při ootevřených průduchách, ove dne uzavřeny o– omezení ztráty vody oTvorba C4 metabolitů o– malát, oxalacetát 10/6/2014 Footer Text 29 Fotorespirace • • • • • • • • • • • •Nedostatek CO2 – zvl. u C3 – energetické nároky oVýhody a nevýhody C3 a C4 10/6/2014 Footer Text 30 Alternativy • •Zdroje elektronů oOxygenní oAnoxygenní •Tvorba pms oPigmenty oBakteriorhodopsin • • 10/6/2014 Footer Text 31