BIOCHÉMIA II KATEDRA CHÉMIE, FAKULTA PRÍRODNÝCH VIED, UNIVERZITA MATEJA BELA BANSKÁ BYSTRICA

FOTOSYNTÉZA

TÉMA 09 DOC. RNDR. MAREK SKORŠEPA, PHD.

2

o primárny zdroj energie pre všetky organizmy (okrem chemolitotrofných baktérií)

o väčšina energie fotosyntézy sa využije na syntézu organických látok z atmosferického CO2

o 2 otázky:

1. Ako je solárna E zachytená a transformovaná na metabolicky využiteľnú formu?• svetelná fáza fotosyntézy

2. Ako je táto energia použitá na syntézu organických látok z CO2?• tmavá fáza fotosyntézy

svetlo2 2 6 12 6 26CO 6H O C H O 6 O

INTRO

3

E = 1,5 × 1022 kJ - energia prichádzajúca denne zo Slnka na Zem

1%fotosyntéza

99%• ⅔ - absorbované litosférou a

hydrosférou (zohrievanie Zeme)• ⅓ - odraz vo forme svetla späť

1011 ton - ročná fixácia CO2 fotosyntézou

z toho ⅓ je fixovaná v oceánoch (fotosyntetizujúce morské mikroorganizmy)

ČÍSLA SÚVISIACE S FOTOSYNTÉZOU

o fotosyntéza prebieha na membránach• prokaryoty – v granulách viazaných na

plazmatickú membránu• eukaryoty – v chloroplastoch

Bunka vyššej rastliny s chloroplastami na okrajoch bunky

Elektrónová mikroskopická fotografia chloroplastu

Spirogyra (sladkovodná zelená riasa) – špirálovité chloroplasty

KDE PREBIEHA?

5

o dvojitá membránao stroma – vnútorná hmota chloroplastuo tylakoidy – diskovité útvary oddelené od stromy biomembránou (tylakoidová membrána)o granum – lamelárny útvar („sústava tylakoidov“)o vnútro tylakoidu - lumen

ŠTRUKTÚRA CHLOROPLASTU

6

1. svetelná fáza• zachytenie svetelného kvanta (fotónu)• konverzia energie fotónu na chemickú energiu (transdukcia E)• využitie tejto E na syntézu NADPH a ATP – nevyhnutné pre tmavú fázu• produkcia O2 (sekundárny produkt) – nevyhnutný pre aeróbne organizmy

2. tmavá fáza (Calvinov cyklus)• fixácia CO2 – syntéza organických látok (glukózy) - má charakter redukcie

• nevyhnutné NADPH („redukčná sila“) a ATP („fosforylačná sila“) pochádzajú zo svetelnej fázy

2 FÁZY FOTOSYNTÉZY

7

PREPOJENIE 2 FÁZ FOTOSYNTÉZY

8

1. SVETELNÁ FÁZA FOTOSYNTÉZY

1.1 Zachytenie svetelného kvanta + Elektrónový transport1.2 Fotofosforylácia

9

o zachytenie svetelnej energie (energie fotónu)o premena zachytenej svetelnej E na chemickú E (oxidácia/redukcia)

o Význam:• syntéza NADPH („redukčná sila“) a ATP („fosforylačná sila“),

ktoré sú potrebné v tmavej fáze

o zahŕňa 2 úzko späté procesy:1. zachytenie svetelného kvanta + elektrónový transport2. fotofosforylácia

o oba procesy svetlenej fázy prebiehajú na tylakoidálnej membráne

SVETELNÁ FÁZA - INTRO

10

1.1ZACHYTENIE SVETELNÉHO KVANTA

+ ELEKTRÓNOVÝ TRANSPORT

11

o fotón je zachytený fotosyntetickými pigmentami:

• chlorofyly

• pomocné fotosyntetické pigmenty (najmä karotenoidy)

ZACHYTENIE SVETELNEJ ENERGIE

12

o absorbujú v modrej (400 – 500 nm)a červenej (600 – 700 nm) oblasti

o nie sú v bunke voľné, tvoria komplexy so špecifickými bielkovinami

CHLOROFYLY

13

o absorbujú v iných oblastiach spektra ako chlorofyly (majú absorpčné maximá v iných

oblastiach spektra), čím zvyšujú účinnosť fotosyntézy (zachytená E je prenesená na chlorofyl)

o najmä karotenoidy (vyššie rastliny), fykokyanobilín (modrý pigment cyanobaktérii)

o karotenoidy majú 2 funkcie:1. pomocné fotosyntetické pigmenty2. odstraňovanie radikálových foriem kyslíka

vznikajúcich v priebehu fotosyntézy (majú deštrukčný účinok na chlorofyl)

POMOCNÉ FOTOSYNTETICKÉ PIGMENTY

14

Energia svetelného kvanta absorbovaného fotosyntetickým pigmentom môže byť spracovaná niekoľkými spôsobmi:

1. uvoľnenie vo forme tepla

2. uvoľnenie vo forme svetla(fluorescencia)

3. rezonančný energetický transférexcitačná energia je prenesená na susednú molekulu a spôsobí jej excitáciu (pôvodná molekula sa vráti do základného stavu)

4. transdukcia (svetelnej) energieexcitácia molekuly pigmentu spôsobí dramatickú zmenu štand. redox-potenciálu – pigment sa stane „ochotnejším“ donorom e–

1. 2.

3.

4.

(silnejším redukovadlom);dôjde tak k tranformácii (transdukcii) svetelnej E (fotónov) na chemickú E („redukčnú silu“, potenciál na prenos e– v chem. reakciách)

ČO SA DEJE PO ABSORBCII

SVETELNÉHO KVANTA?

15

o chlorofylové komplexy sú usporiadané do fotosyntetických jednotieko chlorofylové komplexy vo fotosyntetickej jednotke nie sú rovnocenné:

fotosyntetická jednotka

1. anténové (svetlozberné) komplexy (LHC – light-harvesting complexes)

• niekoľko stoviek komplexov chlorofylu• sústreďujú väčšinu molekúl chlorofylu• funkcia: zachytenie fotónu a postupné

odovzdanie jeho energie reakčnému centru

• okrem chlorofylov obsahujú aj pomocné fotosynt. pigmenty (karot.)

2. reakčné centrum

• obsahuje 2 špeciálne molekulyChl a (P700, resp. P680)

• je súčasťou príslušného fotosystému(PSI alebo PSII)

• spojené s prenosom e– reťazcom oxidoredukčnýchsystémov (analógia s dýchacím reťazcom)

• funkcia: spracovanie energie fotónu (transdukcia na chemickú energiu)

anténové komplexy

reakčné centrum

FOTOSYNTETICKÁ JEDNOTKA

o reakčné centrá sú súčasťou tzv. fotosystémov (úzke prepojenie s LHC)

o fotosyntetizujúce prokaryoty(baktérie) majú len 1 fotosystém (nerozkladá H2O, neprodukuje O2)

o fotosyntetizujúce eukaryoty(vyššie rastliny, cyanobaktérie a zelené riasy) (oxygénne fototrofy – rozkladajú H2O, produkujú O2)

majú 2 fotosystémy:

1. fotosystém I (PSI)2. fotosystém II (PSII)

FOTOSYSTÉMY

1. FOTOSYSTÉM I (PSI)• v reakčnom centre má pigment (Chl a) P700 (λmax = 700 nm)• red. forma (exc. stav) = silné redukčné činidlo• ox. forma (zákl. stav) = slabé oxidačné činidlo

• red. forma PSI redukuje NADP+ na NADPH

2. FOTOSYSTÉM II (PSII)• v reakčnom centre má pigment (Chl a) P680 (λmax = 680 nm)• red. forma (exc. stav) = slabé redukčné činidlo• ox. forma (zákl. stav) = silné oxidačné činidlo, silnejšie ako O2

• ox. forma PSII oxiduje H2O na O2 (podstata fotosynt. produkcie O2)

PSI A PSII

18

o séria oxidačnoredukčných reakcií postupného prenosu e– z H2O až NADP+

o Výsledok elektrónového transportu:

• redukcia ox. formy koenzýmu NADP+ na red. formu NADPH

• oxidácia H2O na O2

• prenos H+ z chloroplastovej stromy do lumenu tylakoidov (protónová pumpa) – vytvorenie protónového gradientu na oboch stranách tylakoidovej membrány

ZÁKLADNÉ ČRTY EL. TRANSPORTU PRI FOTOSYNTÉZE

19

o flavoproteín feredoxín-NADP+-reduktáza – obsahuje prostetickú sk. FADjedno- alebo dvojelektrónový transport

o plastochinón [PQ]jedno- alebo dvojelektrónový transport

o cytochrómy cyt b6 a cyt f – obsahujú hémovú prostetickú skupinujednoelektrónový transport (Fe2+, Fe3+)

o Fe-S proteíny (napr. feredoxín [Fd] a Fe-S súčasti cytochróm. komplexu b6f)jednoelektrónový transport (Fe2+, Fe3+)

o proteín obsahujúci Cu (kuproproteín) plastocyanín [PC]jednoelektrónový transport (Cu+, Cu2+)

o Mn komplex (proteín obsahujúci Mn2+) - súčasť PSII (oxiduje H2O na O2)

KOMPONENTY ELEKTRÓNOVÉHO TRANSPORTU

20

znázornenie toku elektrónov z H2O na NADP+

Z-SCHÉMA FOTOSYNTÉZY (TRANSPORTU ELEKTRÓNOV)

21

1. PSI zachytí kvantum (a e– z plastocyanínu [PC]) - ox. forma (zákl. stav) P700 sa zmení na red. formu P700* (exc. stav)2. P700* redukuje feredoxín [Fd] (e– sa prenesie z P700* na feredoxín, P700* sa tým oxiduje na P700 [Chl∙+])3. feredoxín redukuje prostredníctvom enzýmu feredoxín-NADP+-reduktázy NADP+ na NADPH;

na vytvorenie jednej molekuly NADPH je potrebný prenos 2 e– (tzn. excitácia 2 molekúl P700)4. deficit e– na P700 [Chl∙+] sa kompenzuje elektrónom z red. formy (exc. stav) P680* (nie priamo, pozri body 5 – 8)

5. PSII zachytí kvantum (a e– z H2O) - ox. forma (zákl. stav) P680 sa zmení na red. formu P680* (exc. stav)6. P680* redukuje plastochinón [PQ] na plastochinol (e– sa prenesie z P680* najprv na feofytín [Pheo] a následne

na PQ, P680* sa tým oxiduje na P680 [Chl∙+])7. plastochinol prenáša e– na cytochrómový komplex b6f (zároveň prenos 4 H+ do tylakoidového lumenu)8. z cyt komplexu b6f je e– transportovaný prostredníctvom plastocyanínu [PC] na P700 [Chl∙+] (pozri bod 4)

9. deficit e– na P680 [Chl∙+] sa kompenzuje elektrónom z H2O (H2O sa oxiduje na O2);na vytvorenie jednej molekuly O2 je potrebné zoxidovať 2 molekuly H2O, tzn. jedná sa o transport 4 e–, teda vznik 2 molekúl NADPH

T RA

NSP

OR

Te

–

23

Štruktúra cyanobakteriálneho cytochrómového komplexu b6f červené = hémové sk. cyt b6N, b6P a fmodré = Fe-S klastre

(pdb id = 1BF5)

CYTOCHRÓMOVÝ KOMPLEX b6f

25

Štruktúra rastlinného PSI-LHC1 superkomplexuz tylakoidovej membrány (stromová strana)zelené = chlorofyly, červené = karotenoidy

ŠTR

UK

TÚR

AP

SI-L

HC

1

SUP

ERKO

MP

LEX

U

26

1.2FOTOFOSFORYLÁCIA

27

o elektrónový transport medzi PSI a PSII „pumpuje“ H+ zo stromy do lumenutylakoidov

o H+ gradient sa využije na chemiosmotickú syntézu ATP(spriahnutie el. transportu a fotofosforylácie)

VZŤAH MEDZI PSI, PSII A SYNTÉZOU ATP

28

o syntéza ATP z ADP a Pi poháňaná svetelnou energiou

o syntéza ATP prebieha na CF1CF0-ATP syntázemechanizmus je analogický ako u mitochodriálnej F1F0-ATP Syntázy

o na syntézu 1 molekuly ATP je potrebný prenos 4,5 H+

z lumenu naspäť do stromy

o 2 mechanizmy vedúce k fotofosforylácii:o necyklický tok elektrónov (starší termín: necyklická fotofosforylácia)

o cyklický tok elektrónov (starší termín: cyklická fotofosforylácia)

o oba vytvárajú H+ gradient na tylakoidovej membráne – vedú k syntéze ATP

FOTOFOSFORYLÁCIA

29

o produkuje NADPH, ATP a O2 (oxiduje H2O)o zahŕňa oba fotosystémy (PSI aj PSII)o celkový zisk: NADPH : ATP = 2 : 2,6

nestačí pokryť dopyt ATP v Calvinovom cykle (tmavej fáze) NADPH : ATP = 2 : 3

o prenos 6 H+ do lumenu na 2 e–

NECYKLICKÝ TOK ELEKTRÓNOVnecyklická fotofosforylácia

30

o produkuje len ATPo neprenáša e– na NADP+,

teda neprodukuje NADPHo týka sa len fotosystému I (PSI)o keďže nezahŕňa PSII, neprodukuje O2

o význam: dopĺňa ATP pre tmavú fázu

1. PSI zachytí kvantum (a e– z plastocyanínu [PC]) - ox. forma (zákl. stav) P700 sa zmení sa na red. formu P700* (exc. stav)

2. P700* redukuje feredoxín [Fd] (e– sa prenesie z P700* na feredoxín, P700* sa tým oxiduje na P700 [Chl∙+])

3. feredoxín neredukuje NADP+ na NADPH; NADPH nevzniká

4. e– z red. formy feredoxínu sa prenáša postupne cez PQ, cytochrómový komplex b6f a PC naspäť na ox. formu P700 [Chl∙+] a kompenzuje tak jeho elektrónový deficit

o prenos 4 H+ do lumenu na 2 e–

CYKLICKÝ TOK ELEKTRÓNOVcyklická fotofosforylácia

31

CYKLICKÝ A NECYKLICKÝ TOK e– NA Z-SCHÉME

32

Dýchací reťazec

o prebieha na vnútornej mitochondriálnej membráne

o prenos H+ z matrix do medzimem-bránového priestoru (von)

o transport 2 e– vedie k prenosu:• 10 H+ (z NADH)• 6 H+ (z FADH2)

o 3 druhy gradientu:1. gradient H+

2. gradient pH3. nábojový gradient

o syntéza ATP na F1F0-ATP-Syntáze:3 – 4 H+ na 1 ATP

Fotosyntéza

o prebieha na tylakoidovej membráne

o prenos H+ zo strómy do tylakoidu(dovnútra)

o transport 2 e– vedie k prenosu:• 6 H+ (necyklický tok e–)• 4 H+ (cyklický tok e–)

o 2 druhy gradientu:1. gradient H+

2. gradient pH3. nábojový gradient sa nevytvára (tylakoid. membr.

je priepustná pre Mg2+ a Cl–)

o syntéza ATP na CF1CF0-ATP-Syntáze: 4,5 H+ na 1 ATP

ROZDIELY V EL. TRANSPORTE PREBIEHAJÚCOM

V DÝCHACOM REŤAZCI A VO FOTOSYNTÉZE

33

2. TMAVÁ FÁZA FOTOSYNTÉZY

(CALVINOV CYKLUS)

34

o Calvinov cyklus(Melvin Calvin – objav na zelenej riase Chlorella 1945, Nobelova cena 1961,spolupracovníci: Andrew Benson, James Bassham)

o ďalšie názvy:• Calvin–Bensonov cyklus , Benson-Calvinov cyklus,

Calvin–Benson–Basshamov cyklus (CBB)

o Význam:• syntéza sacharidov (hlavne Glc) z CO2

za pomoci NADPH a ATP (zo svetelnej fázy)

o celková schéma tmavej fázy fotosyntézy:

o priamo nevyžaduje svetelnú energiu, teoreticky môže prebiehať aj v tme (za dostatočného množstva NADPH a ATP)

o prebieha v strome chloroplastov

enzýmy2 6 12 6 i6 CO 12 NADPH 18 ATP C H O 12NADP 18 ADP 18 P

TMAVÁ FÁZA - INTRO

35

1. fixácia CO2: 1. reakcia• fixácia vzdušného CO2 jeho primárnym akceptorom (ribulózou-1,5-bisfosfát)• vznik 2 molekúl 3-fosfoglycerátu

2. redukcia 3-fosfoglycerátu (3-PG) za vzniku hexózy (Glc): 2. – 8. reakcia• redukcia 3-PG za účasti NADPH a ATP na glyceraldehyd-3-fosfát (G-3-P)• z G-3-P sa následne syntetizujú sacharidy (Glc) spätnými reakciami glykolýzy

3. regenerácia ribulózy 1-5-bisfosfát (akceptora CO2): 9. – 15. reakcia• súbor reakcií pentózového cyklu zabezpečujúcich tvorbu ribulózy-5-fosfátu• z ribulózy-5-fosfát sa za účasti ATP tvorí ribulóza-1,5-bisfosfát• uzavretie cyklu

3 FÁZY CALVINOVHO CYKLU

36

CELKOVÁ SCHÉMA CALVINOVHO CYKLU

37

o fixácia vzdušného CO2 jeho primárnym akceptoromo primárnym akceptorom CO2 je ribulóza-1,5-bisfofát (RuBP)o CO2 na viaže na medziprodukt 2,3-enediolo vznikajú 2 molekuly 3-fosfoglycerátu (3-PG)

(hydrolýza väzby C2–C3 posledného medziproduktu)

o enzým: ribulózabisfosfát karboxyláza / oxygenáza (RUBISCO)(vyžaduje Mg2+)

① FIXÁCIA CO2

38

svetlozelené a tmavozelené = veľké podjednotkyoranžové a červené = Fe-S klastre malých podjednotiekžltá = naviazaná ribulóza-1,5-bisfosfát (RuBP)

(pdb id = 1RXO)

o najrozšírenejší proteín v prírodeo tvorí asi 15% všetkých proteínov

v chloroplasteo veľký proteín (u vyšších rastlín 550 kD)o u vyšších rastlín má štruktúru α8β8:

8 veľkých podjednotiek• syntetizované z chloroplastovej DNA• katalytická jednotka enzýmu• viaže CO2 aj RuBP• vyžaduje Mg2+ pre enzymatickú akivitu

8 malých podjednotiek• syntetizované z jadrovej DNA• modulujú katalytickú efektívnosť enzýmu

RUBISCO

o ak je k dispozícii svetlo na syntézu ATP a NADPH prebieha aj Calvinov cykluso v tme (nemôže prebiehať syntéza ATP a NADPH) neprebieha ani Calvinov cyklus

o svetlo (nepriamo) aktivuje enzýmy Calvinovho cyklu tromi spôsobmi:1. svetelná fáza zvyšuje pH („odčerpáva“ H+) v strome až na pH = 8

niektoré enzýmy Calvinovho cyklu majú pH optimum 8:fruktóza-1,6-bisfosfatáza, ribulóza-5-fosfát kináza, glyceraldehydfosfát dehydrogenáza

2. redukovaná forma feredoxínu (Fd) prostredníctvom feredoxín-tioredoxín-reduktázy redukuje (–S–S–) skupiny niektorých enzýmov na (–SH HS–) skupiny, čím ich zmení z inaktívnej na aktívnu formu:fruktóza-1,6-bisfosfatáza, NADP+-malát dehydrogenáza, ribulóza-5-fosfát kináza

3. H+ gradient (jeho „kvazi“ nábojová zložka) spôsobuje transport Mg2+ do stromyniektoré enzýmy Calvinovho cyklu vyžadujú pre svoju aktivitu Mg2+:RUBISCO, fruktóza-1,6-bisfosfatáza

39

CALVINOV C. JE NEPRIAMO AKTIVOVANÝ SVETLOM

40

o metabolizmus je priamo (autotrofy) alebo nepriamo (heterotrofy) napojený na fotosyntézu, teda na energiu Slnka

PREPOJENIE METABOLICKÝCH DRÁH

DOC. RNDR. MAREK SKORŠEPA, PHD.

MAREK.SKORSEPA@UMB.SK

KATEDRA CHÉMIE

FAKULTA PRÍRODNÝCH VIED

UNIVERZITA MATEJA BELA V BANSKEJ BYSTRICI