FOTOSYNTÉZA
Obsah • Chloroplasty • Světlo absorbující pigmenty • Světelná reakce
• Calvinův - Bensonův cyklus (RUBISCO) • Fotorespirace • Rostliny C4 a CAM
Zdroj energie
Zdroj uhlíku
Zdroj vodíku
Organizmy
světlo
CO2
H2O
rostliny, sinice
fotoautotrofní
světlo
CO2
H2S, H2
fotoautotrofní organizmy, sirné bakterie
chemoautotrofní
oxidace anorg. látek
CO2
H2O
chemoautotrofní organizmy
světlo
org. látky
org. látky
fotoheterotrofní bakterie
oxidace org. látky org. látek
org. látky
chemoheterotrofní bakterie, houby, živočichové, člověk
Typ výživy a metabolismus
autotrofní
fotoheterotrofní heterotrofní chemoheterotrofní
• Fotosyntéza
Fotosyntéza
fixuje 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·]
• Současně získané elektrony se využívají k redukci CO2: 4 [ H·] + CO2 (CH2O) + H2O
• Dva
stupně fostosyntézy se tradičně uvádí jako světelná fáze a temnostní 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.
Fáze fotochemická
Fáze chemická
(světelná)
(temnostní)
Chloroplast thylakoidní membrány
2H2O
O2
ATP NADPH
Chloroplast stroma (enzymy)
CO2
CH2O
FOTOSYNTÉZA BIOLOGICKÝ OXIDAČNĚ REDUKČNÍ PROCES světelná energii se mění fotosyntézou na energii chemickou světlo
CO2 + 2H2A (CH2O) + 2A + H2O Oxygenní fotosyntéza světlo
CO2 + 2H2O (CH2O) + O2 + H2O Neoxygenní fotosyntéza světlo
CO2 + 2H2S (CH2O) + 2S + H2O př. sirné bakterie (produkce S)
Fotosyntetizující cyanobakterie Anabaena
• Fotosyntetizující cyanobakterie Anabaena (zvětšení 450 x). • Předkové, kteří se evolučně přetvořili na současné chloroplasty.
Chloroplast Vnější membrána Lamela Vnitřní membrána Mezimembránový prostor Grana Stroma
*
Prostor thylakoidu
Chloroplast
list pšenice
Chloroplast
Chloroplast Tylakoidy Tylakoidní membrána uzavírá další prostor, lumen tylakoidu. V tylakoidní membráně jsou umístěny proteinové superkomplexy, zajišťující fotosyntézu. Rozlišujeme: grana (přitištěné diskovité tylakoidy), grana (j.č. granum) vznikají opakovaným přikládáním jazykovitých útvarů tylakoidů, připomínajících vak. tylakoidy stromatu (stromatální tylakoidy, nepřitištěné tylakoidy), propojují grana.
Porovnání chloroplast - mitochondrie
Fotosyntetické pigmenty Chlorofyl - hlavní fotoreceptor
• 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)
• vysoce konjugované sloučeniny silně absorbující viditelné světlo
• malé rozdíly v chemické struktuře silně ovlivňují jejich spektra
Fotosyntetické pigmenty – struktura chlorofylu Chlorofyl hlavní fotoreceptor Porfyriny (tetrapyroly)
Atom Mg Redukovaný kruh IV
Cyklopentanový kruh
Fytol (esterifikace zbytku kys. propionové tetraisoprenoidním alkoholem) lipofilní charakter
Formylová skupina
Fotosyntetické pigmenty – struktura chlorofylu CH2 R1
H3C
R2 3
I
N
N +
IV
H3C
CH
Mg
R3
II 4
+
H3C
N
N
N
III
CH3
CH
CH2
CH
O
C
R4
O
CH2
O
CH2
CH2
CH3
COO
CH2
C O
CH3
CH3
C
CH3
O
Bakteriochlorofyl a Bakteriochlorofyl b a
H
a a
CH3
COO
-
R4 CH3
CH2
CH3
CH2
CH3
CH
-
(Fe-protoporfyrin IX)
P P=
C
N
CH2
R3
CH2
2+
CH3
O
O
Chlorofyl b
CH2
V C
CH3
Fe
+
H3C
Chlorofyl
Chlorofyl a
N +
N
CH2 O
R2
CH
2+
CH2
R1
CH3
a
H2C
P P nebo G
a
CH3
značí, že mezi C3 a C4 se nevyskytuje dvojná vazba.
P
Fytylový postranní řetězec G=
H2C
Geranylový postranní řetězec
Absorpční spektrum chlorofylu a
Absorpční spektra různých fotosyntetických pigmentů Sluneční spektrum
Chlorofyl b Chlorofyl a
Absorbance
Karotenoidy Fykoerythrin
Fykocyanin
400
500 Vlnová délka (nm)
600
700
Biosyntéza karotenoidů a xantofylu
Světlosběrné Úvodkomplexy Světlosběrné komplexy obsahují
• fotosyntetická reakční centra – místa, kde se odehrává primární reakce světelné fáze fotosyntézy
• anténní komplex obsahující další chlorofyly a přídavné pigmenty jako jsou karotenoidy, např. b-karoten.
H3C
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
CH3
b-Karoten
CH3
H3C
CH3
Fotosyntetický anténní komplex Foton
Foton
Foton
Foton
Zachycené fotony náhodně migrují anténním komplexem až vstoupí do reakčního centra (tmavě zelené).
Fotosyntetické pigmenty • Fotosystém II (PS 680), transmembránový komplex 20 podjednotek, přenos elektronů z vody na plastochinon (plastochinol). Absorbuje světlo vlnových délek kratších než 680 nm.
• Cytochrom bf (obdoba komplexu III mitochondrií!!!). Cytochrom bf generuje protonový gradient přes thylakoidní membránu, což vede ke tvorbě ATP.
• Fotosystém
I (PS 700) je transmembránový multipodjednotkový komplex 10 podjednotek, absorbuje světlo kratší vlnové délky než 700 nm. Vytváří NADPH.
• Fotosystémy I a II, obsahující mimo jiné chlorofyly, jsou lokalizovány v thylakoidní membráně chloroplastů.
Světelné reakce Elektrony excitovaná molekula může uvolnit excitační energii několika způsoby: a) Vnitřní konverze – na kinetickou energii, pohyb molekul, teplo. U molekul chlorofylu k těmto stavům nedochází. b) Fluorescence, je emitován foton o vyšší vlnové délce (nižší energie). U rostlin jen asi 3 až 6 % absorbované světelné energie. c) Excitační transfer, excitovaná molekula přenáší excitační energii na sousední molekuly chlorofylu s nižší excitační energií než anténní chlorofyly. d) Fotooxidace, světlem excitovaná donorová molekula je oxidována přenosem elektronu na akceptorovou molekulu. Takovým donorem je excitovaný chlorofyl. Fotooxidovaný chlorofyl, kationtový radikál, se vrací do původního stavu oxidací jiné molekuly.
SUPRAMOLEKULÁRNÍ KOMPLEXY v membráně thylakoidů 1. Fotosystém II (PSII) katalyzuje rozklad vody, uvolnění molekulárního kyslíku spojen s komplexem cytochromů b6/f 2. Cytochrom b6/f přenos elektronů s PSII na PSI 3. Fotosystém I (PSI)
přenos elektronů přes feredoxin redukce NADP+ 4. ATP-synthasa využívá protonový gradient k syntéze ATP na vnějším (stromatálním) povrchu thylakoidní membrány
SUPRAMOLEKULÁRNÍ KOMPLEXY v membráně thylakoidů
SLOŽENÍ FOTOSYSTÉMU II 6. Plastochinon QB
5. Plastochinon QA 4. Feofytin (Pheo) (Chl a, Mg2+ nahrazen dvěma H+) 3. Pigment reakčního centra P680 2. Z přenašeč tyrozin 161 na D1 D přenašeč tyrozin na D2 1. Manganový klastr
SLOŽENÍ FOTOSYSTÉMU II 4 H+vně + 2 H2O + 2 QB + 4 hn O2 + 4 H+uvnitř + 2 QBH2 oxidace 2 H2O - odejmutí 4 e- - zapotřebí 4 excitačních cyklů -vznik O2 D2
D1
Stroma
Dutina thylakoidu Specifický pár chlorofylů
Manganové centrum
Fotolýza vody – tvorba kyslíku • Součástí PS II (P680, fotosystém II) je centrum uvolňující kyslík (oxygen evolving center - OEC).
• komplex bílkoviny a 4 iontů manganu • váže 2 molekuly vody, postupně odnímá
elektrony a protony
a v posledním kroku uvolní kyslík
• OEC prochází 5 oxidačními stavy (S0 - S4 stav) • dochází k rozkladu molekul vody na kyslík, čtyři protony a čtyři elektrony. 2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e-
• Elektrony uvolněné z vody vstupují do PSII, kde jsou světelnými kvanty uvedeny excitací do vyšších energetických hladin označený P680* a posléze putují řetězcem přes QH2.
STRUKTURA MANGANOVÉHO KLASTRU
Vazba přes aminokyselinové zbytky na protein D1 PSII
PŘENOS ELEKTRONŮ VE FOTOSYSTÉMU II excitace P680 (D1)
feofytin (D1)
1 e-
monomer chlorofylu (D1) plastochinon Qa (D2)
plastochinon QB (D1)
2 e- + 2 H+
4 H+vně + 2 H2O + 2 QB +4 hn O2 + 4 H+uvnitř + 2 QBH2
Plastochinon (Q) – plastochinol (QH2) (n = 6-10) O H3C
H
H3C
CH2
CH3
O
CH
C
CH2
H n
CH2
H n
Plastochinon 2[H ]
OH H3C
H
H3C
CH2
CH3
OH
CH
Plastochinol
C
CYTOCHROM b6/f • komplex bílkovin prostupujících přes membránu (podobný komplexu III v mitochondriálním respiračním řetězci)
• plastochinol-plastokyaninoxidoreduktasa • přenos elektronů a protonů z vnější strany thylakoidní membrány na vnitřní Složení 1. cytochrom f
2. cytochrom b6 (dva hemy) 3. bílkovina s Fe (2Fe-2S)
CYTOCHROM b6/f
His
Cytochrom f patří k c-typu cytochromů
Q cyklus • dvě vazebná místa pro plastochinon (Qn a Qp) • na 2 elektrony uvolněné rozkladem vody může vznikat 4 H+ v lumenu
PQH2 + 2PCox + 2H+stroma → PQ + 2PCred + 4H+lumen
Plastocyanin (PC) • Bílkovina (10,5 kDa) pohybující se po povrchu membrány v dutině thylakoidu. • Obsahuje měď. • Cu+ (čtyřstěn) ↔ Cu2+ (plošná koordinační struktura).
• Přenos elektronů mezi komplexem cytochromů b6/f a PSI.
SLOŽENÍ FOTOSYSTÉMU I 6. FB (ferredoxin 4Fe-4S) 5. FA (ferredoxin 4Fe-4S) 4. FX (ferredoxin 4Fe-4S) 3. A1 (fylochinon-vitamín K1) 2. A0 (molekula chl a) 1. Pigment reakčního centra P700 (dimer chl a)
PŘENOS ELEKTRONŮ PO FOTOSYSTÉMU I Necyklická cesta Feredoxin Fdx (2Fe-2S) rozpustná bílkovina (11 kDa) na stromátálním povrchu thylakoidů Redukce NADP+ za katalysy enzymem ferredoxin-NADP+ reduktasou (37 kDa), obsahuje FAD Produkce NADPH
4 e2NADP+ + 2H2O 2NADPH + O2 + 2H+
Tok elektronů fotosystémem I na ferredoxin Ferredoxin
4Fe-4S
Chinon (A1)
Pozitivní náboj P700 se doplňuje elektrony z plastocyaninu
Chlorofyl (A0) P700
Plastocyanin
Ferredoxin-NADP reduktasa • Fotosystém I využívá světelnou energii k tvorbě redukovaného ferredoxinu – silného redukčního činidla (obsahuje 2Fe-2S). • Elektrony jsou přenášeny na ferredoxinNADP+ reduktasu.
Struktura ferredoxin-NADP+reduktasy Flavin
Vazebné místo NADP+ Ferredoxin
Ferredoxin NADP+reduktasa - mechanismus +
H + Fd
FAD
+
red
H + Fd Fd
red
ox
Semichinonová forma
NADPH + H
ox
FADH
FADH
+
Fd
+
NADP
2
PŘENOS ELEKTRONŮ PO FOTOSYSTÉMU I Cyklická cesta
Nezávisí na PSII Z PSI do plastochinonového poolu a na cytochrom b6 Využívá elektrony fotosystému PSI Využití Q cyklu Zvyšuje produkci ATP v poměru ke vznikajícímu NADPH Přenos elektronů z PSI na plastochinon fotosystému PSII za katalysy enzymem ferredoxin-plastochinonoxidoreduktasou
Cyklická fotofosforylace • Cyklická fotofosforylace je alternativní drahou fotosyntézy. • Elektrony redukovaného ferredoxinu mohou být převedeny
na
cytochrom bf komplex namísto na NADP+.
• Elektrony prochází zpět bf komplexem, redukují plastocyanin, který je posléze reoxidován P700+. Cyklus se uzavírá.
• Výsledkem
je pumpování protonů komplexem bf. Vzniklý protonový gradient pohání syntézu ATP.
• Tvoří se jen ATP a ne NADPH! Proces je aktivní za situace, kdy je nadbytek NADPH, prakticky nedostatek NADP+.
• Cyklická
fotofosforylace je ve smyslu zisku ATP produktivnější než necyklická. Dva absorbované fotony poskytují 1 molekulu ATP, kdežto při necyklické je třeba na 3 ATP 8 fotonů.
• Na
procesu se nepodílí fotosystém II, netvoří se kyslík fotolýzou vody.
Fotosyntetické komplexy
Z schéma: model necyklického přenosu elektronů
Dráha elektronů z vody na NADP+ při fotosyntéze
Z schéma přenosu elektronů PSI P700*
-1.4
A
0
A
1
F
-1.2
F
-1.0 -0.8
P680*
-0.6
h +
A
Q
B
°´(V) 0
h
+0.2
8 H (stroma)
+0.8 +1.0 +1.2
cyt b
6
QPOOL
Q +
8 H (thylakoid)
+0.4
eO2 + 4 H+ (thylakoid)
PC 6
S
0
S
[4Fe-4S] cyt f
Cytochrom b f
Manganový 2 H2O komplex
Z
4
P680
B
2 NADP+ + 2 H+
e-
Cyklická cesta
-0.4
Q
Necyklická cesta
Fd
Chl a Pheo a
-0.2
A
F
PSII
+0.6
X
P700
FNR (stroma) 2 NADPH
Lokalizace supramolekulárních komplexů v membráně thylakoidů
Lokalizace supramolekulárních komplexů v membráně thylakoidů
Membrána - thylakoidy: stěsnaná (vrstvená) - PSII
nestěsnaná (omývaná stromatem) - PSI (využívá záření o nízké energii), ATP synthasa
Cyt b6f komplex – ve všech regionech membrány
Protonový gradient fotosystému II Stroma
+
4 H
(vysoké pH)
2 Q2 2 H2O
2 QH2 +
O2 + 4 H
Lumen thylakoidu
(nízké pH)
Protonový gradient cytochrom bf V každém Q cyklu jsou přes cytochrom bf transportovány 4 protony. 1. část: QH2 + 2 Pc(Cu2+) = Q + 2 Pc (Cu+) + 2 H+ (v thylakoidu) 2. část: Cyt.bf (redukuje) + Q (z poolu) = QH2 (protony ze stromatu) Po reoxidaci QH2 se protony uvolní do thylakoidu.
Srovnání fotosyntézy a oxidativní fosforylace
Energetický výtěžek světelné (primární) fáze fotosyntézy • Absorpce
4 fotonů PSII generuje 1 molekulu O2 a uvolní se 4 protony do dutiny thylakoidu.
• Dvě
molekuly plastochinolu jsou oxidovány komplexem bf za uvolnění 8 protonů do dutiny thylakoidu (lumen).
• Elektrony ze 4 molekul redukovaného plastocyaninu jsou za účasti dalších 4 absorbovaných fotonů předány na ferredoxin.
• Čtyři
molekuly redukovaného ferredoxinu generují 2 molekuly NADPH.
Energetický výtěžek světelné (primární) fáze fotosyntézy • Celková reakce tvorby NADPH: 2 H2O + 12 NADP+ + 10 H+stroma = O2 + 12 NADPH + 12 H+lumen
• Dvanáct protonů v lumen vstupuje do cATPsynthasy (chloroplastová). Tvoří se celkem 3 molekuly ATP.
• Celková reakce fotofosforylace: 2 H2O + 12 NADP+ + 10 H+stroma = O2 + 12 NADPH + 12 H+lumen 3 ADP3- + 3 Pi2- + 3 H+ + 12 H+lumen = 3 ATP4- + 3 H2O + 12 H+stroma 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi + H+ = O2 + 2 NADPH + 3 ATP + H2O
Temnostní (sekundární) 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 14CO . Analýzou buněk řas po 5 s po expozici značeným 14CO zjistili, 2 2 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 bisfosfátkarboxylasa (RUBISCO).
reakci
je
ribulosa-1,5-
Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy, Calvin – Bensonův cyklus Soubor reakcí fixujících CO2 • 1950 Melvin Calvin, Andew Benson, James A.Bassham (14CO2buněčná suspenze zelených řas Chlorella) • 1961 Nobelova cena
3 fáze • karboxylace • redukce • regenerace Fixace Spotřeba
1 CO2 2 NADPH 3 ATP
Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy, Calvin – Bensonův cyklus • Calvin-Bensonův cyklus probíhá ve stromatu chloroplastů a lze ho rozdělit na dvě části: Produkční • Dochází ke karboxylaci a redukci • Tři molekuly ribulosa-1,5-bisfosfát reagují se třemi molekulami CO2 za tvorby šesti molekul glyceraldehyd-3-fosfátu (GAP) za spotřeby 9 molekul ATP a 6 molekul NADPH. • Cyklický charakter procesu činí dráhu ekvivalentní tvorbě jedné molekuly GAP ze tří molekul CO2. GAP se může využít k biosyntéze. Regenerační • ve které uhlíkové atomy zbylých pěti GAP jsou přeměněny v procesu podobném pentosafosfátové dráze na tři ribulosa-5fosfáty, které proces zahajovaly.
Calvin – Bensonův cyklus
REAKCE V CALVINOVĚ CYKLU
Reakci katalyzuje: 13 enzymů ve stromatu 10 z nich v regenerační fázi z toho 3 jedinečné enzymy
Jedinečné enzymy 1. RUBISCO 2. Sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa – defosforylace difosfosacharidu 3. Fosforibulokinasa – fosforylace ribulosa-fosfátu na ribulosabisfosfát
Enzymy učastnící se dalších metabolických drah (př. glykolýzy, oxidační pentosafosfátová dráha) 1. Aldolasa 2. Transketolasa 3. Glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenasa
RUBISCO = ribulosa-1,5-bisfosfatkarboxylasa L8S8 (550 kDa) 8 velkých podjednotek (L) • 56 kDa • kodovány chloroplastovým genomem 8 malých podjednotek (S) • 14 kDa • kodovány jaderným genomem • později transportovány do chloroplastů • Každá velká jednotka má katalytické centrum • Funkce malé jednotky není přesně známa (stabilizace komplexu)
Ribulosabisfosfátkarboxylasa (RuBP karboxylasa RuBP karboxylasa
• je nejdůležitější enzym na Zemi. • vyznačuje se nízkou aktivitou (kcat = 3 s-1) • jeho obsah v zeleném listu přesahuje 50 % všech proteinů. Je tedy i nejrozšířenějším proteinem biosféry.
•u
vyšších rostlin a většiny fotosyntetických mikroorganismů je složena 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 e-aminoskupinou Lys 201.
• Reakci ATP.
in vivo katalyzuje RuBP karboxylasaaktivasa za spotřeby
Aktivace Rubisco
• Aktivace Rubisco vazbou CO2 a Mg2+ •
Vzrůst pH a Mg2+ ve stromatu v průběhu světelné fáze ze 7 na 8
1-3 mM za tmy,
3-6 mM za světla
Dvojí aktivita Rubisco • karboxylasová • oxygenasová
Rubisco je přítomen ve všech rostlinách
1. FÁZE - KARBOXYLACE
2. FÁZE - REDUKČNÍ
4%
96%
3. FÁZE - REGENERAČNÍ
Aldolasa Fruktosa-1,6bisfosfatasa Transketolasa
Aldolasa Sedoheptulosa1,7-bisfosfatasa Transketolasa
Izomerace – aldosa / ketosa ribosa / ribulosa
Epimerace – změna konfigurace na chirálním uhlíku xylulosa / ribulosa
OXIDAČNÍ PENTOSAFOSFÁTOVÝ CYKLUS Hlavní produkty: • ribulosa-5-fosfát
• NADPH
Transketolasa Transaldolasa Transketolasa
Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy – produkční fáze Fosforylace tří ribulosa-5-fosfátů, vstup tří CO2-karboxylace (RUBISCO), tvorba šesti 3-fosfoglycerátů a šesti 1,3 -bisfosfoglycerátů 2-
CH2 OPO3 2-
ATP
CH2 OPO3
ADP
H
Fosforibulosakinasa
H
C
O
C
OH
C
CO2
Ribulosabisfosfát karboxylasa RUBISCO
OH 2-
CH2 OH
CH2 OH
C
O
C
O
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P)
-
O H
C
+ C C
OH O O OH
3-Fosfoglycerát (3-PG)
2-
CH2 OPO3
Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P)
ATP
ADP O
-
2CH2 OPO3
Ribulosa-1,5-bisfosfát (Ru-1,5-BP)
2-
C
O
CH2 OPO3
CH2 OPO3
H
Fosfoglycerátkinasa
H
2-
C C
OPO3 OH
2-
CH2 OPO3
1,3-Bisfosfoglycerát (1,3-BPG)
Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy –redukční a regenerační fáze 2-
O
Redukce šesti 1,3-bisfosfoglycerátů na glyceraldehyd-3-fosfát a start regenerace
C
H
NADPH
NADP+ + H+
OPO3
C
C HO H
OH 2-
CH2 OPO3
C
Glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenasa
1,3-Bisfosfoglycerát (1,3-BPG)
OH 2-
CH2 OPO3
Glyceraldehyd-3-fosfát (GAP)
Triosafosfátisomerasa 2-
CH2 OPO3
PRODUKTY
C
C HO
O
CH2OH
Dihydroxyacetonfosfát (DHAP) Aldolasa
H
C
OH
H
C
OH 2-
CH2 OPO3
Erythrosa-4-fosfát (E-4-P) 2-
CH2 OPO3
Aldolasa
C
O
HO
C
H
CH2 OPO3
H
C
OH
C
O
H
C
OH
HO
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
2CH2 OPO3
Fruktosa-1,6-bisfosfát (F-1,6-BP)
2-
2-
CH2 OPO3
Sedoheptulosa-1,7-bisfosfát (S-1,7-BP)
Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy – regenerační fáze 2-
CH2 OPO3 C
O
HO
C
H
CH2 OPO3
H
C
OH
C
O
H
C
OH
HO
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
2-
2CH2 OPO3
C HO HO
C
Fruktosa-1,6-bisfosfát (F-1,6-BP)
CH2 OH H
C
O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
2-
CH2 OPO3
Ribosa-5-fosfát (R-5-P)
Fruktosabisfosfatasa
CH2 OH 2-
Sedoheptulosa-1,7-bisfosfát (S-1,7-BP) Sedoheptulosabisfosfatasa
C
O
HO
C
H
H
C
OH
CH2 OH
H
C
OH
C
O
HO
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2 OPO3
Xylulosa-5-fosfát (Xu-5-P)
2-
CH2 OPO3
Pi
2CH2 OPO3
Fruktosa-6-fosfát (F-6-P) Transketolasa
Pi
2-
CH2 OPO3
Sedoheptulosa-7-fosfát (S-7-P) Transketolasa
Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy – regenerační fáze C HO
CH2 OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
C
O
HO
C
H
H
C
OH
2CH2 OPO3
Ribosa-5-fosfát (R-5-P) Ribosafosfátisomerasa
2-
CH2 OPO3
Xylulosa-5-fosfát (Xu-5-P)
Fosfopentosaepimerasa
CH2 OH HO
C
H
H
C
H
C
CH2 OH HO
C
H
OH
H
C
OH
OH
H
C
OH
2-
2-
CH2 OPO3
Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P)
CH2 OPO3
Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P)
2-
ATP
CH2 OPO3
ADP
Fosforibulokinasa
C
O
H
C
OH
H
C
OH 2-
CH2 OPO3
Ribulosa-1,5-bisfosfát (Ru-1,5-BP)
Biosyntéza sacharidů • Celková
stechiometrie (GAP = glyceraldehyd-3-fosfát)
Calvin-Bensonova
cyklu
3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH GAP + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+
• Vytvořený
GAP může být využit k řadě biosyntéz, buď vně nebo uvnitř chloroplastu. Může být převeden na fruktosa-6-fosfát dalším postupem cyklu a poté na glukosa-1-fosfát (fosfoglukosaisomerasa a fosfoglukosamutasa).
• glukosa-1-fosfát je prekurzor všech dalších sacharidů rostlin.
Biosyntéza sacharidů • Hlavní
složka škrobu, a-amylosa, je syntetizována ve stromatu chloroplastu jako dočasná skladovatelná forma glukosy.
• a-Amylosa
je také syntetizována jako dlouhodobá skladovatelná forma v jiných částech rostlin jako jsou listy, semena a kořeny.
• Celulosa tvořena dlouhými řetězci b(14)-vázanými glukosovými jednotkami je hlavním polysacharidem rostlin. Je syntetizována z UDP-glukos v rostlinné plasmové membráně a vylučována do extracelulárního prostoru.
Aktivace glukosy škrob
sacharosa
Syntéza škrobu O -
O
O
P
O
P
-
HO HO
O
-
O HOH2C
O
b
O
a
P
• Škrob je méně větvený než glykogen.
ADENOSIN
-
ATP
O
O
• Celkově je reakce poháněna hydrolýzou PPi.
O OH
O
Glukosa-1-fosfát
-
P
O -
O
PPi
ADP-glukosafosforylasa HOH2C HO HO
Anorganická fosfatasa
• Škrob je syntetizován a skladován v chloroplastech.
2 Pi
O O OH
O
P
• Aktivní glukosa = ADP-glukosa.
O O
-
P
ADENOSIN -
O
O
HOH2C
ADP-Glukosa HOH2C HO HO
Synthasa škrobu O
OH
O
a-Amylosa (n jednotek)
ADP
HO HO
+
O
OH
HOH2C O HO
O
OH
a-Amylosa (n + 1 jednotek)
O
Sacharosa Sacharosa • nejdůležitější produkt fotosyntézy • hlavní transportní sacharid pro nefotosyntetizující buňky • je syntetizována v cytosolu a proto musí být její dvě komponenty (G3P a DHA) transportovány z chloroplastu systémem antiporter s fosfátem. • Dvě triosy se kombinují za tvorby fruktosa-6-fosfátu, která se následně převede na glukosa-1-fosfát.
• Glukosa-1-fosfát je aktivován UTP (uridintrifosfát) na UDP-glukosu. • Sacharosa-6-fosfát se tvoří za katalýzy enzymem sacharosafosfátsynthasa. • Odštěpení fosfátu se uskutečňuje sacharosafosfátfosfatasou.
Sacharosa UDP-Glukosa + Fruktosa-6-fosfát
UDP
Sacharosafosfátsynthasa
Sacharosa-6-fosfát H2O Sacharosafosfátfosfatasa Pi Sacharosa
REGULAČNÍ MECHANISMY
pH stroma Mg2+ ionty thioredoxin fosforylace
REGULAČNÍ MECHANISMY Lokalizace Enzymy oxidačního a redukčního pentosafosfátového cyklu jsou ve stromatu chloroplastů Metabolická regulace na úrovni: Ribulosabisfosfátkarboxylasa G (kJ.mol-1) = - 41, 0 Fruktosabisfosfatasa G (kJ.mol-1) = - 27, 2 Sedoheptulosabisfosfatasa G (kJ.mol-1) = - 29, 7
• Kontrolní body každé metabolické dráhy jsou na enzymových stupních vzdálených od rovnováhy (velká negativní hodnota G). • Enzymy katalyzující reakce s velkou změnou volné energie: Katalytická účinnost těchto enzymů je silně ovlivňována osvětlením!!
Standardní a fyziologické změny volné energie reakcí Calvin-Bensonova cyklu Stupeň Enzym 1. Fosforibulokinasa 2. Ribulosabisfosfátkarboxylasa 3. + 4. Fosfoglycerátkinasa + glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa 5. Triosafosfátisomerasa 6. Aldolasa 7. Fruktosabisfosfatasa 8. Transketolasa 9. Aldolasa 10. Sedoheptulosabisfosfatasa 11. Transketolasa 12. Fosfopentosaepimerasa 13. Ribosafosfátisomerasa
Go´ (kJ.mol-1) G (kJ.mol-1) - 21, 8 - 15, 8 - 35, 1 - 41,0 + 18, 0 - 7, 5 - 21, 8 - 14,2 + 6, 3 - 23, 4 - 14,2 + 0, 4 + 0, 8 + 2, 1
- 6, 7 - 0, 8 - 1, 7 - 27,2 - 3, 8 - 0, 8 - 29,7 - 5, 9 - 0, 4 - 0, 4
REGULAČNÍ MECHANISMY
RUBISCO - regulace Aktivita RUBISCA je ovlivňována několika na světle závislými faktory: 1. pH • Po osvětlení se zvyšuje pH ve stromatu z hodnoty ≈ 7, 0 na hodnotu ≈ 8, 0. • Protony jsou pumpovány ze stromatu do dutin thylakoidů. • RUBISCO má ostré pH optimum 8, 0!! 2. [Mg2+] • Vstup protonů do thylakoidů je kompenzován transportem Mg2+ do stromatu.
RUBISCO - regulace Aktivita RUBISCA je ovlivňována několika na světle závislými faktory: 3. NADPH • Alosterická aktivace (vzniká v PSI po ozáření).
4. 2-karboxyarabinitol-1-fosfátem • Analog přechodového stavu (katalytického mechanismu RUBISCA) • Inhibice RUBISCA • Syntetizován jen za tmy • Odstraněn Rubiscoaktivasou nebo na světle závislou degradací.
2-
CH2 OPO3 HO
H
C
COO
C
O
C
OH
-
CH2 OH
2-Karboxyarabinitol-1-fosfát (CA-1-P)
FRUKTOSABISFOSFATASA (FBP), SEDOHEPTULOSABISFOSFATASA (SBP) - regulace 1. Aktivace zvýšeným pH 2. Koncentrací Mg2+ 3. NADPH 4. Aktivace redukcí disulfidové skupiny thioredoxinem
•
enzymy Calvinova cyklu lze aktivovat disulfidovými činidly např. 1,4dithiotreitolem
•
Regulační propojení s glykolysou thioredoxin inaktivuje fosfofruktokinasu nejdůležitější enzym glykolysy.
THIOREDOXIN – REGULAČNÍ MECHANISMUS Ferredoxin-thioredoxin • Reduktasa • Protein typu 4Fe4S Thioredoxin • Malý protein 100 AK (12-kD oxidoreduktasa) • Antioxidant • Cys-Gly-Pro-Cys sekvence • Je přítomen téměř ve všech organismech – pro život savců je esenciální • Deaktivuje fosfofruktokinasu – klíčový enzym glykolýzy. Světlo stimuluje Calvin-Bensonův cyklus a deaktivuje glykolýzu, kdežto tma má opačný efekt.
Enzymy v chloroplastech regulované přes thioredoxin Enzym
Metabolická dráha
Rubisco
Calvinův cyklus
Fruktosa-1,6-bisfosfatasa
Calvinův cyklus, glukoneogenese
Fosforibulokinasa
Calvinův cyklus
Sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa
Calvinův cyklus
NAD+-glyceraldehyd-3fosfátdehydrogenasa
Calvinův cyklus
Rubiskoaktivasa
Calvinův cyklus (aktivace Rubisca)
Ribulosa 5`-fosfatkinasa
Calvinův cyklus
Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa
Calvinův cyklus, glukoneogenese, glykolýza
Glukosa-6-fosfátdehydrogenasa
Pentosafosfátová dráha
NADP+-malátdehydrogenasa
C4 rostliny
Fenylalaninamoniaklyasa
Syntéza ligninu
ATPsyntasa
Světelná fáze fotosyntézy
REGULACE OXIDAČNÍHO A REDUKČNÍHO PENTOSAFOSFÁTOVÉHO CYKLU TR –– thioredoxin thioredoxin DpH alkalizace pH –– +alkalizace
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 RUBISCa. • 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!!
Fotorespirace
Fotorespirace Peroxisom = glyoxysom
Fotorespirace • Kapacita oxidace glycinu je vysoká u zelených rostlin. • Glycin dekarboxylasový komplex v mitochondriích zaujímá 30-50% celkového obsahu proteinů (u nezelených rostlin minimální obsah). • Fotorespirace omezuje rychlost růstu rostlin! • Oxygenasová aktivita Rubisco roste s teplotou rychleji než karboxylová. • Horký slunný den: fotosyntéza sníží hladinu CO2 a zvýší O2 v okolí chloroplastu rychlost fotorespirace se přiblíží rychlosti fotosyntézy
Rostliny C4 • 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 oblasti.
• List má charakteristickou anatomii – pod vrstvou buněk tzv. mesofylu jsou pochvy cévních svazků.
• V mesofylových buňkách není ribulosabisfosfátkarboxylasa!! Mezofylní buňky Mezofylové buňky
v
Buňky pochev cévních svazků
Chloroplasty v buňkách pochev obsahují minimálně PSII (nejsou stěsnaná grana)
C3 a C4 ROSTLINY – fixace CO2 C3 rostliny: fixace CO2 v prvním kroku enzymem Rubisco ve stromatu chloroplastů ve formě 3-fosfoglycerátu (C3 sloučeniny) C4 rostliny: fixace CO2 v prvním kroku ve formě oxalacetátu (C4 sloučeniny) fosfoenolpyruvátkarboxylasou (PEPc) v cytoplazmě buněk mezofylu, transport do buněk pochev cévních svazků (dekarboxylace a sekundární fixace Rubisco)
Mezofylové buňky
Mezofylové buňky
Rostliny C4 •V
mesofylu reaguje vstupující CO2 ve formě HCO3s fosfoenolpyruvátem 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 Calvinova cyklu. • Pyruvát je transportován zpět do mesofylu, kde je fosforylován za katalýzy pyruvát-fosfátdikinasy za tvorby fosfoenolpyruvátu.
• Při aktivaci přechází ATP na AMP + PPi. PPi je posléze hydrolyzován všudepřítomnou pyrofosfatasou na 2 x Pi.
Rostliny C4 -vazba CO2 na fosfoenolpyruvát (PEP) za vzniku oxalacetátu
PEPkarboxylasa (PEPC)
• Substrátem PEPC je HCO3• Nefixuje O2 ani CO2
Vzrůst difuzního gradientu CO2 (stroma chloroplastů)
Rostliny C4 Mezofylová buňka
Rostliny C4 Mezofylové buňky
Rychlá fixace CO2 při nízkých koncentracích v mezofylu Zvýšení koncentrace CO2 v pochvách a potlačení fotorespirace Transport přes plasmodesmata
Mezofylová buňka
Mezofylová buňka
U C4 rostlin absence fotorespirace Vysoká koncentrace CO2 v buňkách pochev cévních svazků
Energetická náročnost u C4 rostlin Je vyšší u C4 rostlin než u C3 rostlin: • C4 rostliny spotřeba 5 ATP na CO2 • C3 rostliny spotřeba 3 ATP na CO2 • tvorba PEP (spotřeba ATP) • dekarboxylace v buňkách pochev (možná spotřeba ATP) fosfoenolpyruvátkarboxykinasa Pyruvát + Pi + ATP → PEP + AMP + PPi AMP + ATP → ADP PPi → 2Pi
CAM rostliny • 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 CO2 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!!!
CAM rostliny Fixace CO2 u rostlin tučnolistých „crassulacean acid metabolism“ C3 rostliny jediná karboxylace
C4 rostliny dvojí karboxylace dvě místa karboxylace CAM rostliny dvojí karboxylace časový posun
CAM rostliny noc
CAM rostliny den
