Světelné reakce fotosyntézy - fixace energie záření
Sluneční záření
• Ultrafialové (UV, < 400 nm) • Fotosynteticky aktivní radiace PAR, 400 až 700 nm (380-750nm) • Infračervené (>750 nm)
Sluneční záření
http://www.giss.nasa.gov
Energetika Země
Spektrum a intenzita záření ze slunce
Wienův zákon posuvu: b: Wienova konst. 2,89 . T: teplota v kelvinech
10-3
m.K
Λmax = b / T
Vlnová délka maxima vyzařování je nepřímo úměrná teplotě tělesa.
Stefanův-Boltzmannův zákon:
J = σ . T4
σ: Stefan-Boltzmannova konst. 5,670 . 10-8 W m -2 K-4 T: teplota v kelvinech
Intenzita vyzařování abs. černého tělesa roste se čtvrtou mocninou jeho teploty.
Energie světelného záření E = h . c / λ - energie 1 fotonu h: Planckova konstanta (6,626 . 10-34 J s) c: rychlost světla ve vakuu (299800 km s-1) λ: vlnová délka
EA420 = 292 kJ mol-1 EA680 = 176 kJ mol-1 EA = E . N - energie 1 kvanta fotonů N: Avogadrovo číslo (6,022 . 1023 mol-1)
Systémy konvertující světelnou energii Retinalové
– bacteriorhodopsin, rhodopsin – H+ transport konformační změnou Reakční centrum – transport e- z donoru na akceptor – další transport spřažen s H+ transportem
H+
e -*
n
H+
n
H+
e -* e--*
e-
e -*
H+
Absorpční spektra fotosyntetických barviv = účinnost pohlcování fotonů dané vlnové délky - absorbce výrazně závisí na prostředí - protein-pigmentové komplexy! Energie fotonů se liší EA420 = 292 kJ mol-1 EA680 = 176 kJ mol-1 Energie 1 fotonu
E=h.c/λ λ = vlnová délka h: Planckova konstanta (6,6 . 10-34 J s) c: rychlost světla ve vakuu (3 . 108 m s-1)
Fotosyntetická barviva - základní pigment – (b)chlorofyl a - doplňkové pigmenty – chlorofyl b, karotenoidy Chlorofyly – a+b (a+c,a+d – jen sinice)
Karotenoidy
Fykobiliny
Regulace a ochrana!!! schopnost přeměny absorbovaného záření na teplo
= disipace (řízeno proteiny)
Fotosyntetická barviva - v tylakoidní membráně vázaná v proteinech! - bílkovinné prostředí významně ovlivňuje vlastnosti (absorpci fotonu, přenos energie)
absorpční spektrum a uspořádání pigmentů v podjednotce LHCII (light harvesting complex)
Osudy energie fotonu po absorpci molekulou pigmentu - přenos energie (FRET) na sousední pigment - vyzáření energie ve formě fluorescence (3 – 5 %) - uvolnění části či celé energie ve formě tepla (15 – 20 %) - reakce s kyslíkem (vznik reaktivních forem kyslíku - ROS) - uvolnění elektronu (uvolnění náboje)!
„primární donor“ chl a v reakčním centru = začátek FOTOCHEMIE (transformace E)
červená fluorescence chloroplastů v mezofylových buňkách po ozáření UV zářením
Fluorescence chlorofylu: - elektron v pigmentu delší dobu v excitovaném stavu - vyšší výtěžek fluorescence = nižší účinnost fotochemie (měření parametrů fotosyntézy) viz dále
Zhášení fluorescence chlorofylu: fotochemické nefotochemické
– je-li odběr ATP a NADPH – přeměna na teplo – zahřívání
Přechod excitovaného chlorofylu do tripletového stavu = obrácení spinu (spotřeba energie) a nemožnost se rychle vrátit do základního stavu (nutné opačné spiny elektronů) - fosforescence nebo přenos energie na kyslík! Stav: S=0
Stavy: S=1
↓↑ - ↑↓
↓↓ ↓↑ + ↑↓ ↑↑
HOMO = highest occupied molecular orbital LUMO = lowest unoccupied molecular orbital SOMO = singly occupied molecular orbital
Přenos excitační energie na kyslík (z excitovaného tripletového chlorofylu) přechod 3O2 do singletového stavu 1O2 = 3Chl
Fd, Fx, P(U)Q-
ROS
Ochrana proti ROS AA – ascorbate MDHA – monodehydroascorbate GSH – glutathion (Glu, Cys, Gly)
Rostlinné SOD: Mn-SOD – mitochondrie, peroxisomy Fe-SOD – chloroplasty, peroxisomy CuZn-SOD - cytosol, chloroplasty, peroxisomy, apoplast
Superoxide dismutase (SOD) Ascorbate peroxidase (APX) Monodehydroascorbate reductase (MDHAR) Dehydroascorbate reductase (DHAR) Glutathione reductase (GR) Glutathione peroxidase (GPX) Glutathione S-transferase (GST) Catalase (CAT)
Fotochemie = přeměna energie fotonu na energii chemickou (ATP – H+grad, NADPH) optimální podmínky: 80 % absorbované světelné energie do fotochemie (= absorpce → FRET → RC: separace elektronu)
Fotosystém II
Cytochrom. komplex
Fotosystém I
ATP syntáza
Přeměny energie na fotosystémech stabilizace separovaného náboje – pokles energie, fyzické oddálení
Necyklický přenos elektronů – z vody na NADP+ • ke štěpení vody je potřeba silné oxidační činidlo = P680+ • k redukci NADP+ silné redukční činidlo (P700*- red. feredoxin)
Redoxní potenciál - určuje změnu volné energie (G) v jednoduchých redoxních reakcích
∆G’ 0 = - z.F. ∆E’ 0
Absorpce fotonů v anténních komplexech – přenosy (sdílení) energie mezi molekulami pigmentů prostřednictvím FRET (Förster resonance energy transfer) -mnoho molekul pigmentů (chlorofylu a,b a jiných) absorbuje fotony, ale k separaci (uvolnění) elektronu dochází jen u jediné molekuly chl a (páru chl a u PSI)
v reakčních centrech!!! Chlorofyly reakčních center = chlorofyly a značeny P (=pigment) a max. vlnovou délkou fotonu využitelnou k jejich přímé excitaci a separaci náboje (e-)
Reakční centra: RC PS II: P680 RC PS I: P700 Purpurové baktérie: P870 (bakteriochlorofyl a)
Evoluce reakčních center - fotosystémů jeden původ (?!) dimer proteinů v jádru 5 TM (+6 TM anténa) – difůze chinonů PSII: D1 + D2 + vnitřní antény (CP43,CP47) PSI: A+B
první stabilní akceptor: – chinon – FeS (Fd)
PSII / Q-typ
donor e-
purpurové
cytochrom (org. látky, sulfidy)
anoxygenní vláknité
auracyanin (org. látky, sulfidy)
sinice (eukaryota)
MnCa klastr (voda)
PSI / FeS-typ zelené sirné
cytochrom (sulfidy, síra, vodík)
heliobaktérie
cytochrom (org. látky)
sinice (eukaryota)
plastocyanin, cytochrom (PSII, PSI)
PSII / Q-typ
redukce CO2
purpurové
Calvinův cyklus
anoxygenní vláknité
karboxylace Ac-KoA
sinice (eukaryota)
Calvinův cyklus
PSI / FeS-typ zelené sirné
reverzní (redukční) Crebsův cyklus
heliobaktérie
NE
sinice (eukaryota)
Calvinův cyklus
Fotosyntéza u anoxygenních baktérií často nejsou autotrofní (donor e-!) uspořádání nemusí být původní!
chinon PSII-typ
FeS PSI-typ
Rhodopsinová konverze
Oxygenní fotosyntéza Vznik - fúze (horizontální přenos)? - selektivní ztráta u anox. baktérií? - duplikace, diverzifikace (využívání za různých podm.)
Anténní komplexy
core antény chlorozóm
(sta tisíc bchl)
LHI (i místo core ant.), LHII (heterodimery s bchl a karotenoidy)
Anténní komplexy CP43 - like fykobilizómy (pro PSII i PSI!) LHC (i některé ruduchy) pravděpodobný vznik z HliD (ochrana proteinů s chlorofyly - syntéza, opravy, …)
Anténní komplexy u PSII typu nesmí bránit difůzi chinonu
purpurové
sinice
vláknité anoxygenní
rostliny
Klíčové kroky v evoluci zachycování světla u rostlin
LHCII
grana
Chloroplast - obaly, stroma, tylakoidy (grana), plastoglobuly
Kompartmentace komplexů Grana - možnost efektivního sběru bez omezení PQ (přilehlé membrány – zřejmě přenos E i mezi) - možnost stínění - možnost přerozdělování (PSI – PSII) - efektivní zvětšení plochy membrán PSI vč. LHCI PSI (vč. LHCI) + LHC II ATP syntáza B6f komplex PSII s LHCII
LHCI monomery (Lhca1-4) - 14 chl a nebo chl b, 2-3 karotenoidy
LHCII monomery (Lhcb1-6) - 8 chl a + 6 chl b (!) + (3)-4 karotenoidy) - schopnost disipace Chl *(!) – konformační změna (pH), fosforylace, modifikace xantofylů
- chlorofyl a xanthofyly vázány různě, dvojí funkce: absorpce, disipace
LHC – light harvesting complexy LHCI – Lhca1- 4
možnost vazby LHCII ?
2 dimery na PSI (dalších 2: Lhca5-6?) LHC1 680 (dimer Lhca2 a 3) LHC1 730 (dimer Lhca1 a 4) fotony do cca 750 nm použitelné pro P700! (využití kinetické energie molekul?)
CP26 CP29
LHCII-trimery (4-8 / PSII): libovolné kombinace Lhcb1,2 a 3 S – silně vázané, M – středně, L – slabě monomery Lhcb4-6 (CP29, CP26, CP24)
CP24
Změny v LHCI a II při přechodu na vyšší ozářenost může se připojit LHCII
konformační změny (pH), modifikace xantofylů, fosforylace antén, Chlamydomonas
Necyklický přenos elektronů mobilní a vázané přenašeče elektronů
Fotosystém II
Cytochrom. komplex
Fotosystém I
ATP syntáza
Přenašeče ev tylakoidní membráně Jednoduché oxidoredukční děje zprostředkované přenosem e- na kationty kovů (metaloproteiny) FeIII+ / FeII+
hemy - cytochromy, Fe-S – Rieskeho protein, ferredoxin, …
CuII+ / CuI+
např. plastocyanin
MnIII+ / MnII+ OEC Přenosy elektronů mezi molekulami pigmentů: Chl a (Mg), ale i Phe, …
Přenašeče e(a H+)
chinon
v tylakoidní a (mitochondiální) membráně plastochinon
semichinon
(ubichinon, koenzym Q10)
hydrochinon = chinol
- volné nebo vázané formy chinonů
Necyklický přenos elektronů voda => feredoxin (redukce NADPH) a ATP
PSII – jen jednou podjednotkou (D1) PSI – zřejmě oběma podjednotkami (A i B) PQ/PQH2 – pomalá oxidace (7-40 na PSII) plastocyanin – pomalá difúze (daleko (!) a úzkým luminem) 4-5 na PSI
Struktura fotosystému II (PSII, Psb) dimer D1 a D2 CP43 a CP47 cyt b559 PsbO, PsbP, PsbQ mnoho kofaktorů
Kofaktory fotosystému II Karotenoidy - zhášení 1O2 - úloha v cyklu přes cyt b559
a - P680
HCO3- účast na protonaci PQ- H0: alt. donor e- asi pomáhá při fotoaktivaci alt. vazba dalšího PQH2 (Qc)
Fotosystém II – od oxidace vody po redukovaný PQH2
4x uvolnění e- z chlorofylu
(MSP)
postupné doplňování z Mn klastru (přes TyrZ) oxidace vody - doplnění e-
Komplex štěpící vodu ve fotosystému II (OEC=WOC) Funkce OEC: doplnění elektronů chybějících v klastru Mn4OxCa (Cl) - rozštěpění vody a uvolnění O2 a H+ (Kokův cyklus) - odvádění O2 a H+ (!) PsbO (P, Q) (Glu a Asp)
– spřažení jednoelektronové excitace/separace náboje na chlorofylu a čtyř-elektronové oxidace vody
Komplex štěpící vodu ve fotosystému II (OEC=WOC) základem je klastr Mn4OxCa (+Cl-), který poskytuje elektrony do oxidovaného reakčního centra PSII
(stabilizace PsbO) - O-můstky - vzdálenosti Mn 3 krátké, 1 dlouhá - 4 molekuly vody (+ další H-můstky)
Tvorba O-O vazby - H+ gradient, - dynamika/flexibilita prot. ligandů
Umena et al. 2011
Kokův cyklus - postupná oxidace Mn4OxCa clastru – spřažení jednoelektronové excitace/separace náboje na chlorofylu a čtyřelektronové oxidace vody
2
dominuje u chloroplastů ve tmě
Pro uvolnění molekuly kyslíku jsou potřeba právě 4 fotony (na fotosystému II) – uvolňování H+: 1-0-2-1
- oxidace MnIII na MnIV (v S1 a S2 – Mn3 a Mn2, Mn1 je oxidovaný i v S0)
- změny vzdáleností Mn - změny koordinace E, D (např. CP43-E354) - S3 rovnováha mezi 3 stavy
Fotosystém II – výstupem je redukovaný PQH2
PQH2 pool sdílený více PSII 7-40PQ/PSII
Plastochinon – první mobilní přenašeč elektronů Pool plastochinonu v membráně výrazně stechiometricky převyšuje množství membránových komplexů (limitujícím krokem je oxidace PQH2 na Cyt b6f komplexu)
Nevyvážený výkon PSI a PSII působí změny v redoxním stavu PQ poolu - signalizace
Cytochrom b6f komplex H+ pumpa mezi fotosystémy
Cytochrom b6f komplex a chinonový cyklus Co se dvěma elektrony, když je potřeba jen jeden? - zabránění vzniku PQ- navíc je v nich více využitelné energie
Q-cyklus zvyšuje množství protonů transportovaných ze stromatu do lumen tylakoidu při přenosu jednoho páru elektronů Qp a Qn vazebné místo pro PQ – tvorba pH gradientu (4H+ na PQH2), jednoelektronová redukce plastocyaninu – donoru e- pro PSI
Q-cyklus probíhá na dimeru b6f komplexu ne takto, ale dvakrát „křížem“ (Rieske-cyt f, Qn-Qp)
Struktura dimeru Cytochromového b6f komplexu
Cytochrom b6, cytochrom f, další podjednotky Rieske ISP – mobilní raménko mezi monomery (na cyt f) – 1,6 nm, 57° Chinon exchange cavity (PQH2 z Qn do Qp) - sdílená mezi monomery
Chinon exchange cavity
Kofaktory Cytochromového b6f komplexu
2 b-hemy (bp a bn) Qp: PQH2 – oxidace 1. 2Fe-2S (H+, e-), 2. bp 2 c-hemy (cn a f) - nejpomalejší krok fotos. přenosu e- (pH!) 2Fe-2S Qn: bn a cn – současná redukce PQ Chlorofyl a – signalizace? poblíž zřejmě vazba FNR (cyklický ET) (ferredoxin-NADP-oxidoreduktázy) b-karoten, zhášení 3Chl
Fotosytém I (PS I, Psa) Redukce ferredoxinu – silného redukčního činidla – redukce NADP+, (FRN), thioredoxinu, nitritů, sulfitů, …
- dimer podjednotek A/B - přímo chl na 6 N-term (?fúzí D a CP-homol. PSII)
- podjednotka C (Fe-S) (+ D a E – ferredoxin) - podjednotky N a F (plastocyanin)
Struktura a kofaktory Fotosytému I
pár chlorofylů a/a’ (z PC přes 2 Trp A/B) chlorofyl a = A0 phyllochinon = A1 3 x 4Fe-4S = Fx (A/B), FA, FB (C)
Syntéza ATP ATP syntáza (CFo, CF1)
fosforylace ADP na základě elektrochemického gradientu protonů (existují i Na+) ATP syntázy
Fo: ab2c10-15 F1: α3β3γδε cnγε - rotor
ab2α3β3δ - stator
opačná aktivita inhibována (v noci): - γC199-γC205 ox/red thoredoxinem (inserce v sekvenci γ amk 190-240) - vazba ADP + Mg2+ - až odpoutání ε
Mitchell - chemiosmotická teorie syntézy ATP - syntéza ATP v suspensi tylakoidů vyvolaná rozdílem pH
Syntéza ATP ATP synthase (CFo, CF1)
3-4 H+ ≈ 1 ATP
3 ATP/ počet podjednotek c (= otočka o 360°)
Počet podjednotek c se liší u různých ATP syntáz – obvykle 9-15, plastidy u špenátu - 14.
Přenosy elektronů 1. Necyklický (tvorba NADPH + ATP)
Mehlerova reakce: O2+2e+2H+ → H2O2 → H2O
2. Cyklický (tvorba ATP) - ferredoxin:PQ oxidoreductase (FQR)
- NADPH+:PQ oxidoreductase (NDH) - ferredoxin:NADP oxidoreductase (FRN) přímo na b6f!
Cyklický přenos elektronů
3. Pseudocyklický (Mehlerova reakce) - oba fotosystémy, ale bez tvorby NADPH+ - voda - voda PSII - spotřeba O2 - přenos e na vodu přes O2(cestou inaktivace ROS)
?
Přenosy elektronů a jejich osud ve stromatu
Chlororespirace syntéza ATP oxidací NADPH a NADH přes PQ, spotřeba O2 – v noci: obnovování poolu oxid. NADP+ (NDH – přenos H+? – syntéza ATP) PTOX – plastid terminal oxidase: PQH2 – O2) přes den: obnovování poolu oxidovaného PQ bránící fotopoškození
Účinnost využití slunečního záření ve fotosyntéze (%) Zeměkoule, celý rok……………………….0,1 Porost, celý rok……………………………..1 až 2 Porost během vegetace…………………..2 až 5 List v optimálních podmínkách………… 5 až 8 Teoretické maximum z absorb. FAR...cca 20 až 35 Limitace
- omezená využitelnost záření ve fotosyntéze - ztráty při přeměnách energií - udržování struktur a aparátu (opravy, resyntézy) - transport a distribuce asimilátů - omezená dostupnost CO2, vody, živin, …
Bilance využití záření listem
albedo (% odrazu), propustnost teplo zjevné, latentní (transpirace) udržování struktur, přeměny metabolitů, transport, … čistá produkce biomasy
