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 H2O O2 + 4 [ H+] + 4 e-
•
Současně získané elektrony se využívají k redukci CO2:
•
4 [ H·] + CO2 (CH2O) + H2O
•
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 Mg2+. 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 (Z-schéma). •
U rostlin a cyanobakterií je fotosyntéza necyklický proces využívající redukční sílu generovanou světlem poháněnou oxidací H2O k produkci NADPH.
•
Mnohostupňový proces probíhá ve dvou reakčních centrech:
•
Fotosystém II (PSII, P680), který oxiduje H2O 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 H2O 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 (QH2).
•
Přenos elektronů mezi cytochrom b6f komplexem a PSI se uskutečňuje prostřednictvím mobilního periferního membránového proteinu plastocyaninu (PC).
Ležaté Z schéma světelné fáze fotosyntézy. PSI
- 1,4
P700
PSII +
+
2 NADP + 2H
P680 -
+
Stroma
h
8 H stroma
2 NADPH
0 +
8 H thylakoid +
h
(V)
ATP
P700
Thylakoid 2 H2O +
+ 1,2
O2 4 H 4 e-
P680 4e
O2
Produkty první, světelné fáze fotosyntézy: •
ATP - adenosintrifosfát (energie), NADPH (redukční síla, energie), odpadní produkt kyslík (O2).
•
ATP, NADPH se využívají k zabudování oxidu uhličitého do sacharidů v druhé fázi fotosyntézy zvané Calvin-Bensonův cyklus.
Druhá fáze fotosyntézy Calvin-Bensonův cyklus. •
Metabolická dráha, ve které rostliny inkorporují CO2 a tvoří sacharidy, byla objasněna mezi léty 1946 až 1953 M. Calvinem a A. Bensonem.
•
Pracovali s buňkami řas a zkoumali produkty vstupu značeného 14CO2. Analýzou buněk řas po 5 s po expozici značeným 14CO2 zjistili, že jediným produktem je 3-fosfoglycerát (3PG) s označeným karboxylem.
•
Dále zjistili, že akceptorem CO2 je pentosa – ribulosa-1,5-bisfosfát a enzymem podílejícím se na reakci je ribulosa-1,5-bisfosfátkarboxylasa (RUBISCO).
•
Calvin-Bensonův cyklus lze rozdělit na dvě fáze:
•
Produkční – ve které šest molekul ribulosa-1,5-bisfosfát reaguje se šesti molekulami CO2 za tvorby dvanácti molekul glyceraldehyd-3-fosfátu (GAP) za spotřeby 18 molekul ATP a 12 molekul NADPH. Cyklický charakter procesu činí dráhu ekvivalentní tvorbě jedné molekuly glukosy ze šesti molekul CO2.
•
Regenerační – ve které uhlíkové atomy zbylých deseti GAP jsou přeměněny v procesu podobném pentosafosfátové dráze u savců na šest molekul ribulosa-5-fosfátu resp. rRibulosa-1,5-bisfosfátu, které byly na počátku procesu. RUBISCO enzym ribulosabisfosfátkarboxylasaenzym ribulosabisfosfátkarboxylasa CH 2OPO3
2-
O HC HC
OH + CO 2 OH
CH 2OPO3
RUBISCO
2-
Ribulosa -1,5 -bisfosfát
COO 2 HC
-
OH
CH 2O - PO3
2-
3 - fosfoglycerát
Schéma Calvin-Bensonova cyklu. C5
C5 2 C3
C5
C5
+ 6 CO2
C6
12 C3 ATP 10 C3
C5
C5
6 C5
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 Mg2+ vázaný na katalyticky významnou karbamátovou skupinu (-NH-COO-), která se vytváří reakcí nesubstrátového CO2 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 CO2 drahou odlišnou od oxidativní fosforylace.
•
Při nízkých hladinách CO2 a vysokých O2 může proces fotorespirace převládnout nad fixací CO2.
•
Překvapení: Kyslík kompetuje s CO2 jako substrát ribulosakarboxylasy.
•
Přesnější název: ribulosabisfosfátkarboxylasa/oxygenasa (RUBISCO).
•
Při oxygenasové reakci se vytváří z RuBP 3-fosfogylcerát
•
a 2-fosfoglykolát. 2-Fosfoglykolát je hydrolyzován na glykolát a ten je oxidován za tvorby CO2 v sérii enzymových reakcí v peroxisomech a mitochondrii.
•
Fotorespirace je devastující proces, jehož výsledkem je neužitečná spotřeba světlem vytvořeného NADPH a ATP !!
CH 2OPO3
2-
O HC
OH + O 2
HC
OH 2-
CH 2OPO3 Ribulosa-1,5-bisfosfát (C5)
RUBISCO
CH OO 3 HC
-
COO +
OH
CH 2OPO3
-
2-
3 - Fosfoglycerát (C 3)
CH 2OPO3
2-
2 - Fosfoglykolát (C 2)
C4 Rostliny koncentrují na povrchu listu CO2. •
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
Xylem Floem
Houbový mezofyl CO2
Cévní svazek
O2
Spodní epidermis Průduch (stoma)
Svěrací buňky
Cyklus C4 – M. Hatch a R. Slack (1960). •
V mesofylu reaguje vstupující CO2 ve formě HCO3s 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 Calvin-Bensonova cyklu.
C4 rostliny – vstup CO2 do mesofylových buněk. CO2 2 Pi
ATP + Pi
AMP + PPi
Pyruvátfosfát dikinasa
VZDUCH
Karbonátanhydrasa HCO3-
CH2 C
2OPO3
COO
-
Fosfoenolpyruvát (PEP)
COO
Pi
-
NADPH
CH2
PEP karboxylasa
C
O
COO
-
Malátdehydrogenasa
Oxaloacetát
MEZOFYLOVÁ BUŇKA
COO
NADP+
-
CH2 H
C
OH
COO
-
Malát
C4 rostliny – vstup malátu do buněk cévních svazků. BUŇKA POCHVY CÉVNÍHO SVAZKU CH3 C
Jablečný enzym
O
COO
-
Pyruvát
CO2 + NADPH
NADP+
CALVINŮV CYKLUS 3-Fosfoglycerát
CAM rostliny jako varianta rostlin C4. •
Dráha byla poprvé popsána u tučnolistých rostlin a odtud název CAM – crassulacean acid metabolism.
•
U CAM rostlin je časově oddělen záchyt CO2 a Calvin-Bensonův cyklus.
•
CAM rostliny otevírají stomata (póry v listech) v noci a zachycují CO 2 drahou C4 ve formě malátu.
•
Pro zachycení CO2 je nutné velké množství fosfoenolpyruvátu. To se získává štěpením škrobu a glykolýzou.
•
Během dne je malát štěpen za tvorby CO2 vstupujícího do Calvin-Bensonova cyklu a pyruvátu použitého na resyntézu škrobu.
•
Celý tento proces je realizován také z důvodu zabránění ztrátě vody!!!
•
Stejnou drahou probíhá fotosyntéza u sukulentů.
