A fény kettıs természete: hullám és részecske (foton) Sebesség = hullámhossz X frekvencia
Fotoszintézis
C = λν Egy foton energiája: E = hν
Az elektromágneses sugárzás
h= Planck állandó (6,626 x 10-34 Js)
A látható tartomány…
A fotonok energiája (E )adott hullámhosszon: E = h ν = hc/λ λ ahol h a “Planck” féle állandó Minél hosszabb a hullámhossz annál kisebb az E.
1
A levél által elnyelt, átengedett és reflektált fény %-os arányai
A fényintenzitás mértékegységei A. és B. Ugyanaz az érték szenzortípustól függetlenül Eltérés: a D. domború szenzor az elızıvel (B) azonos értéket mér, a C. sík szenzor az A elızı érték / α.
PAR: Photosynthetically Active Radiation, 400-700 nm Kvantum alapon mérve: Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD
Szenzorok: sík és domború Eltérések a sugárzás beesési szögével
A növények fotoszintézisének alapfolyamatai
Fotoszintézis I.
A fotoszintézis folyamatának általános egyenlete : fény
Alapfogalmak A fotoszintézis mint redox folyamat A fotoszintetikus apparátus Pigmentek és pigment-protein komplexek A fény abszorpciója A gerjesztési energia sorsa A két fotokémiai rendszer Az elektrontranszport lánc felépítése
CO2 + H2O --------> (CH2O) + O2 Víz: elektron-donor (De: Fotoszintetizáló baktériumok: víz helyett, hidrogéngázt, tioszulfátot, kénhidrogént, szerves anyagokat - propionsavat, tejsavat stb.- használnak. NINCS oxigén termelıdés.) Széndioxid: elektron-akceptor. (De: A növényekben lehet pl. nitrát is. A nitrogénfixáló élılényekben : a molekuláris hidrogén.. Számos fotoszintetizáló szervezetben: hidrogénionok.)
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 Hill reakció: oxidálószer (elektron akceptor) alkalmazása CO2 helyett (izolált kloroplasztiszok) 4 Fe3+ + 2 H2O
4 Fe2+ + O2 + 4 H+
2
A fotoszintézis szakaszai 1) Fényszakasz: fotokémiai folyamatok 12H2O + 12NADP + 18ADP → 6O2 + 12NADPH + 18ATP
2) Sötétszakasz: CO2 fixációja 6CO2 + 12NADPH + 18ATP → C6H12O6 + 12NADP + 18ADP + 6H2O
Fényszakasz:fotokémiai folyamatok •A fényenergia elnyelése (fényabszorpció), •A fotokémiai reakcióban közvetlenül résztvevı pigmentekre történı energiaszállítás (energia transzfer) • Reakcióközpontok klorofill-a molekulája gerjesztett állapotban elektron ad le (elektron transzfer) _________ •A fényenergia kémiai energiává való átalakulása •Vízbontás (oxigén-termelés) •Redukáló ágens (NADPH) képzıdése •Fotofoszforiláció: ATP képzıdés.
Fényszakasz
Energy transfer - antennna Electron transfer – reaction centrum
Vízbontás és O2 képzıdés (PSII) NADPH és ATP képzıdés (PSI)
3
Sötétszakasz •Széndioxid fixációja és szénhidrát szintre történı redukciója •A fényszakaszban képzıdött ATP és NADPH +H+ felhasználása
1) A fotoszintetikus apparátus szerkezete
• Kloroplasztisz: tilakoid membránok gránum és sztróma kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek
• a proteinkomplexek szervezıdése a tilakoid membránban
A kloroplasztisz szerkezete • Kettıs borítómembrán határolja • Folyékony közege a sztróma –benne enzimek, keményítıszemcsék, DNS és riboszómák • Membránrendszere tilakoidokból áll– ezek helyenként gránumokba rendezıdik • A tilakoidok belsı üregei egy összefüggı, lumen nevezető hálózatot alkotnak
4
• A kloroplasztiszon belül jól láthatók a grána- és a sztrómatilakoidok, valamint a nagymérető keményítı szemcsék Külsı membrán (6 nm) Membránok közötti tér (10-20nm) Belsı membrán (6 nm) Sztróma (vizes folyadék) Tilakoid membrán Tilakoid lumen Granum
Keményítı Riboszóma (70S) Plasztisz DNS (kb. 30 kópia) Plasztoglobulus (zsírcseppek)
A tilakoidok felépítése
2) A fotoszintetikus pigmentek
A kloroplasztisz glikozil-gliceridjeinek szerkezete: A glicerin elsı és második –OH csoportjához észterkötéssel zsirsavak, a harmadik –OH-hoz glikozidos kötésben cukor(galaktóz)-származékok kapcsolódnak. Monogalaktozil-glicerid: MGDG Digalaktozil-diacil-glicerid: DGDG Kén-tartalmú glikolipid, szulfokinovozil-diacil-glicerid: SQDG
• • • •
bakterioklorofillok klorofill a, b karotinoidok fikobilinek cianobaktériumokban, vörös algákban
A galaktolipidek telítetlen zsírsavakat tartalmaz, az MGDG általában telítetlenebb, mint a DGD. A szulfolipid: 80 %-ban telített zsírsavak.
5
A klorofillok molekulaszerkezete
A klorofill konjugált kettıs kötéseket tartalmazó makrociklikus molekula (Móltömeg: 894). Négy pirrol győrőbıl álló un. "feji" rész (1.5 x 1.5 nm) és egy 2 nm hosszú fitol, terpén-alkohol lánc. A pirrol győrő külsı szélén elhelyezkedı kémiai csoportok és a H+ az elektronokat magányos pályára korlátozzák, amely növeli a vörös hullámhossz tartományon belül az abszorpciót. A molekula közepén egy nem-ionos magnézium atom, két kovalens és két koordinált kötéssel kötıdik és a győrőket koordinálja.
Fikobilinek: cianobaktériumokban, vörös algákban
A pirrol győrők nem záródnak porfirin győrővé
A karotinoidok járulékos pigmentek 40 C-atomos poliizoprének Alfa vagy béta-jonon győrőket tartalmaznak. Kísérı pigmentek Fényelnyelés Fényvédelem
6
Fotoszintetizáló pigmentek
Az antenna-pigmentek az elnyelt fényenergiát a reakciócentrum klorofill a felé továbbítják
Néhány pigment abszorpciós spektruma
A fotoszintézis akcióspektruma
Energiaátadás két pigment molekula között akkor történik, ha a donor molekula fluoreszcencia és akceptor abszorpciós spektruma részben fedi egymást
7
Foton abszorpció A klorofill molekula foton abszorpció során gerjesztett állapotba kerül, a molekula energia állapota magasabb, mint alapállapotban Chl + hν
Chl*
A fény abszorpciója és a gerjesztési energia sorsa Az egyes események fél-életideje
A kék fény a klorofillt magasabb energia állapotba gerjeszti, mint a vörös fény (hullámhossz és foton energia összefüggése !)
10-15 s
10-9 s
10-3 s
Klorofill molekula: alapállapot (S0), Egy π elektron kötı pályáról lazító pályára lép szinglet (S1 és S2) és triplet (T1) állapotok vörös fény elnyelése: S1 állapot kék fény elnyelése: S2 állapot
Magasabb energia állapotban (S2) a klorofill molekula labilis, nagyon gyorsan a környezetének energiát ad le hı formájában, és stabilabb gerjesztett állapotba (S1)kerül néhány nano-szekundumig (10–9 s).
8
A fény abszorpciója és a gerjesztési energia sorsa
A legalacsonyabb energia állapotban a gerjesztett klorofill molekula 4 lehetséges úton veszítheti el a gerjesztési energiát. 1/ Emitálhat egy fotont és alapállapotba kerül – fluoreszcencia 2/ Hı formájában 3/ Energia transzferben vehet részt, amikor is átadja energiáját egy másik molekulának 4/ A gerjesztési energia kémiai reakciót eredményez
• A klorofill fluoreszcenciája akkor is a vörös hullámhossz tartományba esik, ha kék fényt nyel el !
A fotokémiai reakció a leggyorsabb kémiai reakció, fontos a többi folyamattal való versengés miatt !
• Az oka: az S2-S1 átmenet mindig hı formájában disszipálódik.
Fényabszorpció Kvantumhatásfok és kvantum szükséglet Kvantumhatásfok (Φ): azon gerjesztett molekulák hányada, amelyek valamilyen módon elveszítik a gerjesztési energiájukat. Értéke 0-1. pl. fotokémiai reakciók száma/összes abszorbeált kvantumok száma (kb. 0.95)
Vörös és vörösön túli együtt nagyobb a fotoszintézis ráta, mint a külön-külön mért ráták összege Bizonyíték: két fotokémiai rendszer mőködik sorozatot alkotva, amelyek optimális hullámhossza csak kissé különbözik.
Kvantum szükséglet: valamely reakciótermék (pl. O2) létrejöttéhez szükséges kvantumok száma, azaz 1/Φ.
9
Erıs redukáló Gyenge redukáló
Gyenge oxidáló Erıs oxidáló
Két fotokémiai rendszer PSI és PSII: sorozatot alkot A PSII-ben az abszorbeált vörös fény egy erıs oxidálót hoz létre, ami képes a vizet oxidálni, ill. egy gyenge redukálót hoz létre A PSI-ben abszorbeált vörösön-túli fény egy erıs redukálót hoz létre, ami redukálja a NADP+-t, és egy gyenge oxidálót hoz létre
4 nagy fehérje komplex: PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex
PSII-ben 2 mol víz oxidációjakor: 4 elektron, 4 proton és 1 mól oxigén képzıdik
A pigment-protein komplexek rendezetten helyezkednek el a tilakoid membránban.
10
PSII, PSI és ATP szintetizáló enzim elhelyezkedése
A fotorendszerek felépítése
A két fotorendszer térben elkülönül
• Antenna-rendszer jelentısen eltér a fotoszintetizáló szervezetekben
PSII gránum tilakoidokhoz kapcsolódik
•A reakcióközpont felépítése egységes
PSI, ATP-szintetizáló kapcsoló faktor a sztróma tilakoidokhoz kapcsolódik Cit b6f egyenletes eloszlást mutat
Fénybegyőjtı antenna pigment rendszerek (LHC) Nagymértékő változékonyság Az LHC-ban a pigmentek sorrendje Mérete függ a környezethez való alkalmazkodástól Reakcióközpontokként: Néhány fotoszintetizáló baktérium: 20-30 bakterioklorofill molekula Növények: 200-300 klorofill molekula Egyes algákban, és baktériumokban: néhány ezer klorofill molekula
A pigmentek sorrendje az antennában: Az abszorpciós maximumok fokozatosan a nagyobb vörös hullámhosszak felé tolódnak el Vagyis a pigmentek gerjesztési állapot energiája valamivel alacsonyabb a reakció központ közelében, mint az antenna rendszer perifériális részén. Pl. klorofill-b-rıl (650 nm) a gerjesztési energia klororofill-a (670 nm) molekulára kerül, a két gerjesztési állapot energiakülönbsége hı formájában bocsátódik ki.
11
Az antenna komplex egy transzmembrán pigment protein. Három helikáris régiót tartalmaz, amelyek a membrán apoláros részén keresztülhatolnak. Kb. 15 klorofill a és b molekula és több karotinoid. A komplex a membránban trimer és a PSII reakcióközpont komplex perifériája körül helyezkedik el.
Klorofill-protein komplexek PSII • Core complex II (CC II): a PSII reakcióközpontját tartalmazza • LHC II: a PSII fénygyőjtı klorofill-protein komplexe PSI • Core complex I (CC I): a PSI reakcióközpontját tartalmazza (CPI v. P-700 klorofill komplex) • LHC I a PS I fénygyőjtı klorofill-protein komplex
CC II D1 és D2 heterodimér fehérje: (32 és 34 kD), amelyeken P680 klorofill-a, 4-5 klorofill-a, 1-2 ß-karotin és mindkettın 1-1 feofitin-a molekula CP43 és CP47 fehérjék: a PSII belsı antennájaként egyenként: 20-25 klorofill-a, 4-5 ß- karotin, és kevés lutein CP24, CP26 és CP29 fehérjék: A PSII antennájaként, de periférális elhelyezkedésben CP26 és CP29: kl a/b =3 CP24: Kl a/b=0,9-1,6 CP22 kla/b=6
Az oxidált állapotú P680 a „Z” primer donorjától vesz fel elektront. (20 ns). Az elektronátadás függ a mangántartalmú enzimkomplex (M) redoxállapotától: M ad elektront a Z felé és az oxidált állapotú M képes a vizet oxidálni: 2 H2O = 4 H+ + O2+ 4 e1 mol oxigén felszabadulásához 10 kvantum abszorbeálódik.
Szerep ??
12
D1 protein A membrán hidrofób részét ötször járja át. Aszimmetrikus elrendezıdés: az - NH2 lánc vég a sztróma felıl a -COOH lánc vég a lumen felıl.
LHCII A PSII legnagyobb mennyiségben elıforduló fénygyőjtı komplexe. Az össz-klorofill és a tilakoid-proteinek 50 %-át tartalmazza. Lhcb1, Lhcb2, Lhcb3 Mobilis LHC II: ledisszociál a PS II-rıl és megosztja az abszorbeált fényenergiát a PSII és PSI között. Kl a/b= 1.1 Fehérjemolekulánként 12 klorofill molekula Xantofillokmolekulák Az apoproteinek genetikai kódja sejtmagban, szintézis citoplazmában és onnan a kloroplasztiszba, hasonlóan az LHC I proteinekhez.
A PSI felépítése
FNR !!
PSI reakcióközpont • 2 nagy fehérje: PsaA és PsaB.
CC I 80 klorofill- a molekula 1-2 ß-karotin molekula 1 P700 klorofill-a Genetikai kód: kloroplasztisz LHC I Klorofill-a és klorofill-b: 3,5:1 (10-féle kl-a/b protein) Genetikai kód: sejtmagban
• Kis fehérjekomponensek PsaC-PsaN. • Az elektron a PC-rıl P700-ra, majd egy Ao klorofill molekulára, A1 fillokinonra jut. • Majd az FeSx, FeSA és FeSB központokra és végül a szolubilis Fe-S proteinre, a ferredoxinra kerül. A membránhoz kötött flavoprotein ferredoxin–NADP reduktáz (FNR) redukálja a NADP+ -t NADPH-vá. A redukált ferredoxinnak, több más funkciója is van a kloroplasztiszban: nitrát-redukció és a szén-dioxid fixáció enzimeinek regulációja
13
Elektron transzport
Plasztokinon
Két plasztokinon (QA és QB) kötıdik a reakcióközponthoz A feofitinrıl QA –ra, majd QB-re kerül az elektron.
PSII-ben 2 elektron transzfere: redukált QB keletkezik, ami a sztrómából két protont vesz fel és redukált plasztokinon keletkezik (QH2).
Az oxidált plasztokinon redukciója QA és QB kinonok: QA a feofitin molekulától kap egy
elektront – gyors (250-300 ps).
A QA és QB közötti elektron átadás lassúbb, az elsı elektron átadás 0,10,2 ms, a második 0,4-0,5 ms alatt. A QB felvesz két hidrogén iont és ledisszociál a PSII-rıl (D1 fehérje) a mobilis plasztokinon (PQ) pool-ba.
1 mol oxigén felszabadulásához 10 kvantum abszorbeálódik.
A feofitin pedig a gerjesztett állapotú reakció központ P680 klorofill a molekulától. Az oxidált P680 redukciója a vízbontásból származó elektronnal történik meg.
A plasztokinon redoxreakciói: Q= teljesen oxidált kinon, Q-=anion szemi-plasztokinon, QH2 redukált hidrokinon
A redukált plasztokinon ledisszociál a reakció központról és a membrán CH részébe lép be, ahol az elektronjait a cyt b6f-nek adja át. A fehérje-komplexekhez képest a hidrokinon egy kis apoláris molekula és könnyen mozog a membrán apoláris régiójában.
A citokróm b6 f complex több prosztetikus csoportot tartalmaz.
4 nagy fehérje komplex:
Két b-tipusú hem, egy c tipusú hem (régebben: citokróm f ). A c-tipusú citokrómban a hem a peptidhez kovalensen kötıdik, a btipusú citokrómban a kémiailag hasonló protohem nem kovalens kötéssel kötıdik. Ez a komplex tartalmazza a Rieske vas-kén proteint, amelyben 2 vas atomot két kén atom köt össze,
PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex
14
A citokróm b6 f complexen lejátszódó elektron és proton transzfer. Ez a komplex tartalmaz két b-tipusú hemet (Cyt b), egy c-tipusú citokrómot (Cyt c, régebben citokróm f-nek nevezték ), a Rieske féle Fe–S proteint (FeSR), és két kinon oxidációs-redukciós helyet.
Plastocianin: Kis moltömegő (10.5 kDa), Vízoldható, Réztartalmú fehérje, A citokróm b6 f komplex és a P700 közötti elektrontranszportot biztosítja.
A nem ciklikus vagy lineáris folyamatok: Egy plasztohidrokinon (QH2) molekula képzıdik a PSII mőködése során, amely a komplex lumen felıli oldalán oxidálódik, átadja két elektronját a FeSR-nek és a citokróm b-nek. Ugyanakkor 2 protont ad le a lumen felé. Az FeSR által felvett elektron a citokróm f (Cyt f )-re kerül és aztán a plasztocianinra (PC), ami redukálja a PSI P700 klorofill a molekuláját.
A PC a lumen oldalon található. Egy elektront továbbít a PSI reakció központ kl a molekulájához, az oxidált plasztocianin a citokróm b6/f komplextıl kap elektront és redukálódik.
A ciklikus folyamatok: A második QH2 oxidálódik: egy elektron az FeSR-rıl a PC-ra és végül a P700-ra kerül. A második elektron a két b-tipusú citokrómon keresztül jut és redukálja a szemikinont plastohidrokinonná, és ugyanakkor két protont vesz fel a sztrómából. A redukált citokróm b egy elektront egy Összesen négy proton transzportálódik a másik citokróm b-nek ad át, amely tilakoid membránon át miközben két elektron redukálja a kinont (Q) szemikinonná (Q-). a P700-ra szállítódik.
A cit b6/f komplex pedig egy redukált plasztokinon molekulától.
Ciklikus elektron transzport •A citokróm b6 f komplexek a sztróma-tilakoidokban találhatók, ahol a PSI is elıfordul. •Bizonyos körülmények között ciklikus elektron áramlás figyelhetı meg a PSI és citokróm b6 f komplex között és vissza a PS I-en keresztül. •Ez a ciklikus elektron áramlás a lumenbe irányuló protonpumpával kapcsolódik, ami ATP szintézisre fordítódik, de nem oxidálja a vizet és nem redukálja a NADP+-t. •A ciklikus elektron áramlás különösen fontos ATP forrás a C4-es növények nyalábhüvely klorenchimájában.
4 nagy fehérje komplex: PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex
15
ATP-szintetáz, vagy CFo-CF1
ATP szintézis Kemiozmotikus elmélet
CFo: hidrofób és a membránhoz kötött CF1: sztróma felıli oldalon
Fotofoszforiláció
CFo: csatornát képez a protonok számára
A kemiozmózis lényege, hogy a membrán két oldala között ionkoncentráció és elektromos potenciál különbség a sejt által felhasználható szabadenergiát jelent.
CF1: 5 különbözı polipeptid: α és β polipeptidbıl 3 kópia, amelyek alternáltan helyezkednek el. Ezen kívül: 3 további peptid (gamma, delta, epszilon) A katalitikus helyek a bétapolipeptiden. A CF1 az ATP szintetizáló rész CFo: 4 különbözı polipeptid. a, b b’ és c (12 db)
Az elektron transzport gátlása és a hebicidek hatása
Fény levelek
Árnyék levelek
Diklórfenil-dimetil-karbamid (DCMU) és metil-viologen (paraquat) herbicidek blokkolják az elektron transzportot. A DCMU a PSII kinon akceptorainál blokkolja az elektronáramlást és verseng a plastokinon kötıhelyeiért. A paraquat a PSI korai elektron akceptoraitól veszi el az elektront.
16
Fény és árnyék levelek Eltérı a N-tartalom eloszlása a kloroplasztisz komponense között
PSII
Az abszorbeált fényenergia (A) fotoszintetikus hasznosulása (P) és disszipációja (D) optimális és stressz feltételek között a
Optimális környezeti feltételek mellett 2
PFFD mmol m-2 s-1
A 1
Árnyék levelek
• Fényadaptáció
P
(anatómiai/fiziológiai)
D
• CO2 fixáció típusa (C3/C4) és
0
b
Stressz-tényezık felléptekor 2
Fény levelek
1
fényhasznosítási hatékonysága • Stressz tényezık
A
PFFD mmol m-2 s-1
Az A/P arányt befolyásoló tényezık:
(vízhiány, tápelemhiány, D
nehézfémek stb)
fluoreszcencia fotoszintézis
Eltérı a fotorendszerek antenna mérete
A növényzet fluoreszcenciája mőholdas felvételeken is detektálható
0
hajnalban
P délben
hıdisszipáció
este
A fényfelesleg és a fotoszintézis O2 termelés fény válaszgörbéje A szaggatott vonal az elméleti O2 fejlıdést mutatja, amikor nincs fotoszintézis gátlás. Árnyéknövények PFD 150 µmol m–2 s–1ig, ezt követıen telítıdés. Fény növényeknél magasabb fényintenzitásnál telítıdés. A fényintenzitás növekedésével növekszik az abszorbeált fényenergia feleslege.
Kaliforniai öböl, algavirágzás, 2002. október 6., számítógépes színek, a kék az alacsony, a vörös a nagy intenzitású fluoreszcencia
17
a) Fotoszintézis gyenge fényben Lineáris szakasz b) CO2 fixáció c) PSII reakció központok záródása d) Fényfelesleg
Fényvédelem
Hasznosulás Fotoszintetikus elektrontranszport
Fényabszorpció csökkentése
1
Hı disszipáció
Fotoprotektív folyamatok
Károsodás Reaktív oxigén formák eltávolítása
2
3
A PSII inaktiválódása/ turnovere 1
Fotooxidáció 2
Fényintenzitás
1) Fényabszorpció csökkentése - levélmozgások - anatómiai sajátosságok - kloroplasztiszok elmozdulása 2) Hı disszipáció - ∆pH
Fényfelesleg
- klorofill-proteinek protonálódása
Fénynövények
Fényintenzitás növekedés Fényfelesleg
Árnyéknövények
A fotoszintézis maximális kvantumhasznosítása reverzibilisen csökken
A fotoszintézis maximális kvantumhasznosítása irreverzibilisen csökken
- tilakoidok konformáció változása - LHCII aggregáció - karotinoidok, fıként különbözı de-epoxi-xantofillok felhalmozódása
Fényintenzitás növekedés
- PsbS fehérje jelenléte
Fényfelesleg
3) Reaktív oxigénformák eltávolítása Fénynövények stressz alatt
- Antioxidáns enzimek (SOD, PER) és metabolitok
Fényintenzitás növekedés Fényfelesleg
18
Az abszorbeált fényenergia sorsa a kloroplasztiszban fluoreszcencia
hıdisszipáció
fluoreszcencia fotoszintézis hıdisszipáció
fény
fotoszintézis
19
Xantofill ciklusok
Xantofill ciklus
Hıdisszipáció és zeaxantin
20
A gerjesztési energia sorsa a kloroplasztiszban
Karotinoidok és a szinglet oxigén
fluoreszcencia fotoszintézis hıdisszipáció
A) Optimális feltételek között az abszorbeált fényenergia az elektron transzport folyamatok mőködtetésére fordítódik; CO2 fixáció és egyéb redukciós folyamatok lezajlása az elektrontranszport rátával hasonló arányban B) Ha a NADPH felhasználás gátlódik, akkor photooxidációs stressz lép fel. A PSIInél a gerjesztési energia oxigénre kerül, singlet oxigén képzıdik. A PSI-nél az elektron transzport a molekuláris oxigén redukciójához vezet, szuperoxid gyök és hidrogén peroxid képzıdik (Mehler-peroxidáz reakció). A H2O2 detoxifikációja az aszkorbinsav-glutation ciklus során megy végbe.
A reaktív oxigén formák megszüntetése a növényi sejtben
The redox cycling of ascorbate in the chloroplast often referred to as the Halliwell-Asada pathway.
21
Antioxidáns rendszerek a kloroplasztiszban
CO2 asszimiláció
Az aszkorbinsav redox ciklusa a kloroplasztiszban: Halliwell-Asada ciklus
Eltérı útak: C3 C4 CAM utak
C3 fotoszintézis út
RUBISCO CALVIN-ciklus
22
Karboxiláció
Redukció
Regeneráció -röviden
23
A Calvin-ciklus mérlege Egy molekula CO2 beépítése 2 NADPH és 3 ATP molekula felhasználásával jár. A Calvin-ciklus sötétben is lejátszódhat, de a fény fontos szerepet játszik több enzimének a szabályozásában. A C3 ciklus fontos szabályozója a hımérséklet: befolyásolja a sztómák záródását, az enzimek aktivitását, a membránok permeabilitását és a CO2 diffúzióját és oldékonyságát.
A Calvin ciklus rövid-távú szabályozása A köztes termékek koncentrációjának az optimalizálása Az ellentétes irányban lejátszódó reakciók csökkentése Két általános mechanizmus változtathatja meg az enzimek kinetikus jellemzıit: 1. Kovalens kötések transzformációja: diszulfid hidak redukciója és amino-csoportok karbamilációja - kémiailag módosul az enzim 2. Nem kovalens kapcsolatok módosulása: metabolitok megkötése, a sejt miliı (pH) változása Ezen kívül: az enzimek kötıdése a tilakoid membránokhoz fokozza a a Calvin ciklus hatékonyságát; mert magasabb szintő szervezıdés, amely kedvez a szubsztrát védelemnek.
24
Fénytıl függı enzim aktiváció szabályozza a Calvin-ciklust Öt fény által szabályozott enzim: 1. Rubisco 2. NADP:glicerinaldehid-3-foszfát dehidrogenáz 3. Fructóz-1,6-bifoszfatáz 4. Szedoheptulóz-1,7-bisfoszfatáz 5. Ribulóz-5-foszfát kináz
1. NADP:glicerinaldehid-3-foszfát dehidrogenáz 2. Fructóz-1,6-bifoszfatáz 3. Szedoheptulóz-1,7-bisfoszfatáz 4. Ribulóz-5-foszfát kináz Jellemzıjük: a 4 enzim egy vagy több –S—S– hidat tartalmaz A fény a ferredoxin–thioredoxin rendszeren keresztül szabályozza a 4 enzimet. Sötétben –S—S- hidak, fényen redukált állapotba kerülnek –SH HS-. A redox állapot változása aktiválja az enzimet.
A keményítı és a szacharóz szintézise kloroplasztisz Keményítı szintézis
Az enzim aktív központjában a CO2 a lizin NH2 csoportjával reagál. Az új karbamát származék (anion hely) gyorsan megköti a magnézium iont Aktivált komplex alakul ki. Két proton szabadul fel a komplex kialakulás közben. Az aktivációt növeli sztrómában fény hatására lejátszódó a pH és a magnézium koncentráció változás.
Citoszol Szacharóz szintézis
A rubisco aktiv központja megköt egy CO2 molekulát és reagál a ribulóz1, 5 biszfoszfáttal.
25
A fruktóz 2,6 bifoszfát szabályozó szerepe
A fruktóz 2,6 bifoszfát szabályozó szerepe
A fruktóz 2,6 bifoszfát Kulcs fontosságú szabályozó molekula Fényen stimulálja a szacharóz szintézist és sötétben gátolja. Citoszólban található nagyon alacsony koncentrációban.
Ha nı a koncentrációja csökken a szacharóz-szintézis, mert gátolja a fruktóz-1,6-bifoszfatáz enzimet (foszforiláció) és aktiválja a kináz enzimet (defoszforiláció).
Mi szabályozza a fruktóz-2,6-bifoszfát molekula koncentrációját ? A fruktóz-2,6-foszfát molekula fruktóz-6foszfátból szintetizálódik a speciális fruktóz-6foszfát 2-kináz enzim által katalizált folyamatban fruktóz-6-foszfátból. A fruktóz-2,6-foszfát molekula lebomlását a fruktóz-2,6-bifoszfatáz enzim katalizálja A kináz és a foszfatáz enzimek aktivitását az ortofoszfát és a trióz-foszfát szabályozza.
A fény hatása A fény az aktiváló és gátló molekulák koncentrációját a fotoszintézis folyamatain keresztül szabályozza, és ily módon szabályozza a fruktóz.2,6bifoszfát koncentrációját a citoszólban. A glikolitkus foszfofrukto-kináz enzim szintén részt vesz a fruktóz-6-foszfát – fruktóz-1,6,-bifoszfát átakulásában.
Az ortofoszfát stimulálja a fruktóz-6-foszfát 2kináz enzimet és gátolja a fruktóz-2,6-bifoszfatáz enzimet. A triózfoszfát gátolja 2-kináz enzimet. Az alacsony citoszól triózA magas trióz-foszfát/ortofoszfát foszfát/ortofoszfát arány: arány: stimulálja a trióz-foszfát – fruktóz-2,6ellentétes hatású. bifoszfát átalakulást, ami gátolja a citoszolban a a fruktóz-1,6-bifoszfát hidrolizisét és csökkenti a szacharóz szintézist.
26
Fotorespiráció C2 oxidatív fotoszintézis ciklus
C2 oxidatív fotoszintézis ciklus
Rubisco oxigenase !!!
Egy C2 ciklusban a szén 2 mól glikolsavban (C2) kerül ki a kloroplasztiszból és 1 mól glicerinsav (C3) formájában kerül vissza. Az oxidatív C2 ciklusban a ribulóz-1,5, bifoszfát oxigenáziója során a C 75 %-a visszakerül a kloroplasztiszba és a Calvin ciklusban felhasználódik. Nincs N-veszteség ! Nincs NADH veszteség!
27
