Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy
Měření množství dopadající energie světla Ozářenost: W.m-2 (osvětlenost: ln .m-2 = lux)
Fotonová (kvantová) ozářenost:
(= J.s-1.m-2)
? mol.s-1.m-2
Vzájemné převody závisí na vlnových délkách fotonů (tedy přesné jsou jen pro monochromatické světlo)!
EA420 = 292 kJ mol-1 EA680 = 176 kJ mol-1
Závislost rychlosti čisté fotosyntézy (PN) na ozářenosti (PAR) - s rostoucí ozářeností klesá účinnost využití záření -2
ε - kvantový výtěžek ε =mol CO2/mol kvant (kvantum = foton)
0 ,0 6
PN
20
0 ,0 5
15
0 ,0 4
10
0 ,0 3
ε
5 0
0 ,0 2 0 ,0 1
-5
-1
25
mol CO2 mol quanta) ε (mol
0 ,0 7
-1
PN ((µmol CO2 m s )
30
0 ,0 0 0
200
400
600
800
P A R (µ m o l m
1000 -2
1200
1400
1600
-1
s )
ε- max. teoretická hodnota = 0,125 mol CO2 / mol kvant (min. kvantový požadavek Q (ε = 1/Q) je: Q = 8 mol kvant / mol CO2)
2 H2O → 4 e- → 4 fotony v PSII → 4 fotony PSI → 2 NADPH Na redukci každé ze dvou fosfoglycerových kys. vzniklých po navázání CO2 na ribulóza-1,5- bisfosfát je potřeba 1 NADPH (které se oxiduje)
Využití energie záření - účinnost využití difúzního záření je vyšší
Osudy energie fotonu po absorpci molekulou pigmentu - přenos energie (FRET) na sousední pigment
- fotochemie (uvolnění elektronu v RC) - vyzáření energie ve formě fluorescence (3 – 5 % x 30 % roztok) - uvolnění části či celé energie ve formě tepla (15 – 20 %) - reakce s kyslíkem (vznik reaktivních forem kyslíku - ROS)
Zhášení fluorescence - fotochemické až 80 % absorbované světelné energie použito pro fotochemii (využití energie na syntézu ATP a redukci NADP+)
- nefotochemické cca 15 % vyzářeno v podobě tepla – zahřívání listu Využívá se k měření účinnosti fotosyntézy (vyšší výtěžek fluorescence = nižší účinnost fotochemie)
Fluorescence chlorofylu:
680 nm LHCII 685 nm CP43 695 nm CP47 720 nm PSI core 740 nm LHCI
Fluorescence chlorofylu (bez dalších pulzů = Kautského křivka) Fotochemické zhášení qP = (Fm’ – Fs)/(Fm’ – F0’ ) kolik E jde k PSI Fotochemie (rychle) Fixace CO2 (pomaleji)
Nefotochemické zhášení qN = (Fm – Fm’)/(Fm – F0’ )
F0 – všechny PSII mohou přijímat energii (= min. fluorescence) Fm –žádný PSII nemůže přijmout energii (saturační pulz) (QA red. = max. fluorescence) Fv = Fm – F0 … variabilní fluorescence Fv / Fm … účinnost využití excitační energie otevřenými PSII (max. účinnost) (poměrně konstantní = 0,83 ∼ kvantovému požadavku 9-10 fotonů na O2 ) Fs – „steady state“ fluorescence při daném osvětlení
Nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu = fotoprotekce
qE – okamžitá aktivace disipace (pH!): PsbS, LHCII, Zx qE – pomalejší ochrana (pH): xantofylový cyklus qI – fotoinhibice (poškození! - disipace poškozenými PSII) qT – state transition (fosforylace LHCII) – méně významné při ochraně u vyšších rostlin (řasy!)
Fotoinhibice soubor procesů projevujících se snížením rychlosti fotosyntézy při zvyšující se ozářenosti
Fotopoškození (snížení počtu fčních fotosystémů) - fotosyntetických struktur (proteinů) - UV světlo, oxidativní poškození (ROS, P680+, …)
ROS: 1O 2
- nastává i za nízké ozářenosti, ale rychlá oprava – nenastává fotoinhibice
Fotoprotekce (snížení E přenesené do RC … k fixaci CO ) 2
- předcházení fotopoškození (rychle vratné změny)
Fotopoškození – mechanismy a cíle PSII 1) blok transportu elektronů 2) poškození D1 (D2, proteiny cyt b559)
Vysoká ozářenost: akceptorová strana PSII – málo PQ – 3P680* – 1O2 donorová strana 1 - OEC poškození (UV), odpoutání vnějších proteinů 2 – P680+ - oxidativní poškození okolí Nízká ozářenost: QB- - rekombinace náboje zpět na P680 – 3P680* – 1O2
Fotopoškození – mechanismy a cíle PSI - jen při nízké teplotě (zřejmě inhibicí aktivity SOD Cu/Zn) - kumulativní poškození celého PSI 1. O2- poškození FeS klastrů (FA, FB) – blok transportu ePomalá oprava – mnoho dní po přenesení do tepla
Oprava PSII – výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) Odbourání 1. fosforylace proteinů PSII (STN8, příp. STN7) 2. odpoutání LHCII, monomerizace 3. transport do strom. membrán, odpoutání OEC proteinů 4. defosforylace PBCP (TLP40) 5. degradace D1 (FtsH, degH)
Vložení nového 1. kotranslačně (interakce s D2 a cyt b559) 2. odštěpení C-konce v luminu 3. interakce s anténami CP43, CP47 4. připojení dalších podjednotek (OEC) 5. monomer do gran, dimerizace, LHCII
Fotoinhibice je způsobena příliš silnou ozářeností Původní představa: - D1 je poškozován přebytkem záření zachyceného fotosyntetickými pigmenty ALE (při bloku repair – chloramfenicol, lincomycin)
- rychlost poškození je zcela úměrná ozářenosti! (tedy nastává i při nízké ozářenosti!)
- účinné vlnové délky se liší od absorpce Chl a karotenoidů
- nemění se inhibicí DCMU (blok QA → QB) ani glykol (glycer)aldehydem (blok fosforibulokinase), ani ROS!
Revize: ozářenost vede k fotopoškození D1, příliš silná ozářenost vede k inhibici reparace D1 Primární poškození – ne absorpce, ne ROS Cíl - Mn klastr - přímá absorpce záření (UV, žluté) - uvolnění Mn – neredukuje se primární donor (alt. donor ascorbate) - P680+ poškození D1
Výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) - silně inhibována ROS (~ ozářenosti!) - inhibice translace D1 (EF-G)
Fotoinhibice (fotopoškození) – důsledek nerovnováhy mezi poškozením a opravnými pochody
Fotoprotekce - ochrana před nadbytečným tokem energie
Strukturní úroveň listu - paraheliotropismus (x dia-) - tenčí listy, ochranné pigmenty (x UV, VIS) (fenolické l., antokyany, flavonoidy)
úroveň buňky: dlouhodobé: méně chloroplastů, krátkodobé: pohyb chloroplastů
- PHOT1, 2, CHUP1, aktin, …
- méně poškození, méně ROS (repair)
pevné nastavení – není tropismus!
Fotoprotekce ROS:
- tvorba na PSII i PSI - inhibice chloroplastové translace
Zhášení:
Fotoprotekce Změny na úrovni chloroplastu dlouhodobější: méně LHCII a LHCI ku PSII a PSI (rel. rychlá degradace Lhcb 1,2,3 a 6) méně PSI a PSII ku Rubisco
krátkodobé - zvýšení disipace: Protonace PsbS, odpoutání + změna konformace LHCII Xantofylový cyklus (+ klastrování LHCII) State transition (LHCII k PSI) fosforylace LHCII (STN7 kinase – Lhcb 1,2,4) – cyklický transport PSI
qt - state transition: Regulace rozdělování energie mezi PS I a PS II - migrace komplexů LHCII - fosforylace (STN7 – PQH2) → ven z gran = k PSI - zpět k PSII (pomalu, samovolně) - defosforylace (PPH1) - význam především při nižší a proměnlivé ozářenosti
převládá NCET
PTOX
převládá CET - příliš redukovaný pool PQH2 může být oxidován PTOX (plastid terminal oxidase) PTOX - přenos e na kyslík (ztráta energie), mírně se tvoří H+ gradient
Galka et al. Plant Cell 2012
qE a qZ – mechanismy NPQ
Q1 – rychlé změny (pH), potřeba PsbS, konformace Lhcb! Q2 – pomalejší, závislé na zeaxantinu Regulace prostřednictvím pH v lumen tylakoidu (qT)
Xanthofyly anteraxanthin a zeaxanthin - zvýšená disipace světelné energie (teplo): chlexcit + karotenoid =>
karotenoidexcit + chl
karotenoid + teplo (kinetická E)
- přenos energie není doprovázen přenosem elektronu na chl a! - zvýšená schopnost odvádění nadbytečné energie z chlorofylu - méně energie do fotochemie
Xantofylový „cyklus“ - modifikace karotenoidů - deepoxidace při poklesu pH - VDE x ZEP Diurnální změny - violaxanthin a zeaxanthin - anteraxanthin – stabilnější hladina
-prostřednictvím violaxanthin deepoxidase (VDE) - disipace až 80 % exc. singletových chlorofylů - u zastíněných zůstává deepoxid. stav déle - u jehličnanů v zimě permanentně deepoxidováno
Místo disipace - LHCII
Xantofylový „cyklus“ Tylakoidní membrány bohaté na lipid monogalactosyldiacylglycerol (MGDG)
Funkce karotenoidů
Lutein: (i) strukturní stabilizace, (ii) light harvesting (iii) zhášení 3Chl Zx (Ax): (i) zhášení 1Chl⁎ v LHCII (ii) antioxidant – nevázaná forma v membránách tylakoidů
Nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu = fotoprotekce
qE – okamžitá aktivace disipace (pH!): PsbS, LHCII, Zx qE – pomalejší ochrana (pH): xantofylový cyklus qI – fotoinhibice (poškození! - disipace poškozenými PSII) qT – state transition (fosforylace LHCII) – méně významné při ochraně u vyšších rostlin (řasy!)
Asimilace záření listem
Anatomické adaptace: Epidermis – (koncentrování světla) Palisádový – prostup světla Houbový – odrazy na površích (rozptyl)
Variabilita asimilačních orgánů Vybrané fyziologické charakteristiky listů: (2548 druhů na 175 lokalitách planety) 1. Specifická hmotnost 14 až 1500 g (DM) m-2 2. Kapacita fotosyntézy (PN) 5 až 660 nmol (CO2) g-1 s-1 3. Obsah N v sušině listů 0,2 až 6,4 % 4. Doba života: 0,9 až 288 měsíců Velikost listové čepele - různé strategie investic do vytváření listů v závislosti na vnějších podmínkách Wright et al. 2004, Nature
-
Fotosyntetická produktivita ekosystémů na Zemi
Celosvětová produkce: 105 Pg (C) rok-1 tedy 200 g (C) rok-1 m-2 (P – peta – 1015)
1 g C > 3,7 g CO2 a 2,5 g DM (dry matter) 1 g CO2 > 0,27 g C a 0,675 g DM 1 g DM > 1,47 g CO2 a 0,378 g C
