FOTOSINTEZA

Svetloba kot energija: E = h. = h.c/(400-700 nm); E = energija; =frekvenca;

= val. dolina svetlobe; h = Plankovakonstanta (6,625 .10 34 J/s); c = hitrostsvetlobe

Enota : 1mol s -1 m -2 = 1 E s -1 m -2= 6,023 . 10 17 fotonov s -1 m -2=

6,023 .10 17 kvantov s -1 m -2

FOTOSINTEZA - ASIMILACIJA OGLJIKA (energetika celice

RASTLINE - AVTOTROFNI ORGANIZMI vije rastline -brstnice;

cianobakterije, fotosintetskoaktivnebakterije,

evkariontske alge, liaji

KEMOSINTEZA 1. Nitrifikacijske bakterije (Nitrosomonas) 2 NH3 + 3 02 = 2 HNO2 + 2 H2O + 158 kcal 2. Nitratne bakterije (Nitrobacter) 2 HNO2 + 02 = 2 HNO3 + 38 kcal (solitri; guano; ile) 3. veplove bakterije: 2H2S + O2 H20 + S2 S2 + 02 + H20 2 H2SO4 H2S + 2 02 H2SO4 + 115kcal

ZAETEK FOTOSINTEZE

4. Purpurne veplove bakterije CO2 + 2 H2S(donor e-, H+) (svetloba) CH20 +H2O +2S

Svetloba je vir energije veplovodik vir elektronov in protonov Sproa se elementarno veplo

Ostale oblike kemosinteze

5. elezove bakterije (Crenothrix, Leptothrix)

FeCO3 (Fe++) (Fe2(CO3)3 Fe(OH)3(Fe+++)

6. Metanove bakterije (Bacillus methanicus)

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

FOTOSINTEZA VIJIH RASTLIN, EV. ALG, CIANOBAKTERIJ

6CO2 + 6 H2O(donor H+, e-) + 675 kcal (klorofil, h() C6H12O6 + 6O2

n H2O + n CO2 (h.) (CH2O)n + nO2 ; endergon proces!

(Go = + n. 477KJ (+ n. 114 KCAL); n=6 1. 2H2O + 2A (h.) 2AH2 + O2 2. CO2 + 2AH2 CH2O +H2O + 2A 1+2( CO2 + 2 H2O (h.) CH2O + O2 +

H2O

BISTVO FOTOSINTEZE:

pretvorba svetlobne energije v kemijsko oksidacija vode (fotoliza); sproa se kisik redukcija ogljik.dioksida; nastanek org.

spojin (sladkorji, amino kisline, maobe) PQ (fotosintetski kolinik) = O2/CO2 = 1

(samo v idealnih razmerah!)

FAZE FOTOSINTEZE

I. SVETLOBNA FAZA: pretvorba svetlobne energije v kemino: ATP; fotoliza vode: NADPH2(2e-, 2H+); nastanek kisika: O2

- Poteka na tilakoidnih membranah kloroplasta- II. TEMOTNA FAZA: redukcija CO2: nastanek

sladkorjev, aminokislin, maob,..-poteka v stromi kloroplasta

Faze fotosinteze: svetlobne in temotne reakcije

I. SVETLOBNA FAZA FOTOSINTEZE

Pomen svetlobe za rastline: vir energije regulator rasti in razvoja (fitokromi,

kriptokromi) toplotni uinek svetloba kot stres (preve, premalo,..) Uinki so odvisni od spektralnega sestava,

jakosti sevanja in trajanja sevanja

a) Fotofizikalne reakcije: - absorbcija svetlobne energije:E= h.; fotoni;

kvanti; molekule klorofila; ant. kompleksi, reakcijski centri - prenos energije do reakcijskihcentrov; PSI (700nm), PSII (680nm)

- ekscitacija in deekscitacija molekul klorofila a; glavni in pomoni pigmenti;

- Emersonov efekt; PSI, PSII, "red drop"; pomen(; vzburjenje elektrona;

izbitje elektrona; fluorescenca; toplota; hiperenergetsko stanje kloroplasta

Pomen fotosinteznih barvil:

A) Glavna: Klorofil a (bakterioklorofil): absorbcija svetlobe in pretvorba energije fotonov v energijo elektronov

B) Pomona (antenski pigmenti): pomopri absorbciji svetlobe (spektralni sestav; okolje!): klorofil b (c, d, e), karotenoidi, fikobilini);zaita kloroplasta v stresnih razmerah: karotenoidi(karoteniksantofili; ksantofilski cikel)

Strukturne formule klorofila a, b in bakteriklorofila

Potek sinteze korofila iz glutaminske kisline; razlike med kritosemenkami in ostalimiRastlinami (potreba po svetlobi!)

FOTOSINTEZNI UINEK SVETLOBE

PhAR(phtosynthetic active radiation): 400 (380) 700 (710) nm

Uinek je odvisen od spektralne sestave (=energetske vsebnosti sevanja: E=h=hc/ (npr. 1 mol fotonov modre svetlobe -490 nm- ima energijo 240 kJ, 1 mol rdee svetlobe z val. dol 700 nm pa le 170kJ(1E)

Uinek svetlobe na pigmentih:

- absorbcija svetlobe in pretvorba pigmenta (kl a) iz osnovnega (Eg) v vzbujeno, ekscitirano stanje (Ee): Ee-Eg = hc/; osnovno (graund state) 1.vzbujeno (singlet)-2. vzbujeno (triplet)

nadaljna usoda: - sprememba v toploto - oddaja svetlobe dalj. val. dol. (fluorescenca) - prenos na drugo molekulo v bliini - oddaja elektrona blinjemu prejemniku fotokemija (

=t.fotokemino nastalih produktov/t. absorb. fotonov: quantum yield (fotokemini izkoristek; le reko 1)

Prikaz absobcijskega spektra posameznih pigmentov v odvisnosti od valovne doline svetlobe.

Pomen karotenoidov

Pomona absorbcija v modrem delu PhAR zaita kloroplasta pred fotokemijsko

oksidacijo fotoinhibicijo Pomen kemijske zgradbe karotenoidov Vloga ksantofilskega cikla odaptacija

kloroplasta na svetlobno okolje

Prikaz sinteze karotenoidov iz izoprena (fitoena) in pigmenti ksantofilskega cikla

B) Fotokemine reakcije Z-shema, Hill & Bendal 1960 - izbitje elektronov v reakcijskih centrih (PSI,

PSII); fotoliza vode (PSII) - vektorski transport elektronov iz vode ( pomo

PSI, PSII) preko prenaalcev na konneprenaalce (NADP+; O) in poraba v temotni fazi(CO2, NO3-, SO4 --,

....; Z - shema); - vektorski transport protonov H+ iz strome v

notranji lumen tilakoidnih membran; - fotofosforilizacija (tvorba ATP; ADP + Pi(ADP)

Funkcionalna organizacija tilakoid

Fotosintezna barvila (klorofili, karotenoidi) so vezana v reakcijske centre (PSI 700, PSII 680) in njim prikljuene etvene komplekse (LHC-I, LHC-II)

V reakcijskih centrih je samo kl a, v antenah poleg kl a e kl b, feofitin, karotenoidi in prijemniki elektronov

Vsi klorofili so vezani na beljakovine, veji del tilakoidnihbeljakovin so del LHC kompleksov

Za funkcioniranje je pomembna prostorska in topografska organizacija tilakoid (bliina pomeni prenos energije; odklaplanje in priklapljanje LHC na PS

Pri rdeih algah in cianobakterijah so fikobilini (fikoeritrinin fikocian) organizirani v vodotopne LHC imenovane fikobilisome)

Model fotosistema 1- PS-I kla700

Model PS II kla 680; poleg reakcijskega centra vebuje e sistem za fotolizo vode

Prostorska in topografska orientacija sestavin v reakcijskih centrih je pomembna za prenos energije primer PS I

Shema obeh reakcijskih centrov in pridruenih antenskih kompleksov

Razporeditev v tilakoidah:

Nekatere funkcionalne enote so omejene na stromatarne tilakoide (PSI, kompleks ATP-aze), druge na granularne, zleplejendele (PSII), tretje so enakomerno razporejene po obeh vrstah tilakoid(citohrom b6 f kompleks)

Zlepljanje in sproanje tilakoid omogoa prilagajanje na svetlobno okolje

Porazdelitev funkcionalnih enot glede na vrste tilakoid

PSI in PSII tvorita funkcionalno enoto

Samo fotosintetsko aktivne bakterije in cianobakterije imajo 1 PS

Evkariontske alge in vse vije rastline imajo PS I in PSII, ki delujeta v navezi

Dele/tevilo PSI/PSII je odvisno od jakosti sevanja

Tok elektronov iz vode na NADP+ pojasnjuje Hil-Bendallova Z-shema;Tok elektronov istoasno spremlja tok protonov v lumen tilakoid

Tvorba ATP- fotofosforilizacija Teorije nastanka ATP: kemijska hipoteza (Arnon et al. 1954, Slater 1954) kemoosmotska hipoteza (Mitchell 1966, Nobel 1978): Fotofosforilizacija poteka na intaktnih (topografsko celih) tilakoidah, ki so

relativno nepropustne za H+ in OH- ione. Vir e- in H+ je voda. Prenos e- iz vode (fotoliza vode!, PSII) na prejemnike

je vektorski - preko prenaalcev, vezanih za oba PS v tilakoidni membrani. Prenos e- je istoasno spremljan s prenosom H+ iz strome kloroplasta v

notranji lumen zlepljenih (naloenih) tilakoid. Nastanek koncentracijskegagradienta (H+!) in el. polja preko tilakoidne membrane.

Kombinacija konc. gradienta in el. polja tvorita visoko energetsko stanje s tenjo po izmetu protonov (H+) iz notranjega lumna tilakoid.

V tilakoidah obstaja vektorsko vezana ATP sintetaza (F1-Fo kompleks; integralni, transmembranski protein), ki na raun energije elektrokemijskegapotenciala in gradienta protonov sintetizira ATP iz ADP in Pi.

Kaj potrjuje hipotezo?

- poskusi na izoliranih in intaktnih tilakoid. membranah (meritve fluorescence, sproanje O2, meritve pH, toplote, koliine ATP, NADPH+H,...)

- analize tilakoidnih membran z el. mikroskopom in biokemine analizesestave

proteinov v tilaoidnih membranah.

Prikazana pot elektronov med PS II in PS I

Prikaz tvorbe ATP na stromatarnih tilakoidah

ATP-aza

Poenostavljen prikaz poteka ksantofilskega cikla na tilakoidnih membranah

Naini tvorbe ATP

V normalnih razmerah poteka neciklina fotofosforilizacija, pot elektrona iz vode na NADP+

Kadar se NADPH+H ne porablja (teave v Kalvinovem ciklu) stee na PS I ciklina fotofosforilizacija, tvori se samo ATP

Ob popolni redukciji PS I lahko sprejme elektron kisik Maehlerjeva reakcija-psevdociklina fosforilizacija

Povzetek - ciklina: PSI; pot e-: PSIPSI (kl a 700nm); - neciklina: PSII; pot e-: H2OPSIIPSI NADP+: fotoliza vode: 2H2O(Mn++) O2+ 4H+ +4e-; prenos e- na NADP+; PSII (Mn -protein!); Kok et al. 1970;

(H2O + NADP+ + h. 1/2O2 + NADPH+H+) - pseudociklina : PSII,PSI; pot e-: H2Oe- iz

H2OPSIIPSIOO2 (2H+ + O2+ 2e- H2O2 (katalaza) H2O + 1/2O2);

Edwards & Walker 1983; "Mehlerjeva"reakcija)

POVZETEK REAKCIJ IN PRODUKTI SVETLOBNE FAZE:

2H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3Pi (H2PO4) + 8-12 FOTONOV O2 + 2 NADPH + 2H+ + 3ATP + 3H2O;

1 molekula H2O 1/2O2 + NADPH +H+ + 1,5 ATP;

za redukcijo 1CO2 potrebujemo: 3 ATP + 2 NADPH +H+

zadoa e neciklina fosforilizacija, a v kloroplastu ne poteka le redukcija ogljika; stresne razmere!! (poraba ATP in NADPH za reparacijo, delo,..)

TEMOTNA FAZA FOTOSINTEZE = KALVINOV CIKEL= RPP CIKEL Povzetek reakcij: 6CO2+ 18 ATP + 12 NADPH + 12H+ C6H1206+ 18ADP + 18 Pi + 12NADP+

Proces ne poteka v temi Sodelujejo tevilni encimi-temperaturna

obutljivost Tvorijo se razlini c-skeleti, ki se usmerjajo

glede na potrebe rastline

Regulacija Kalvinovega cikla

Encimatska 13 encimov, 3 le v kloroplastu (RUBISCO, sedoheptoloze-1,7-bifosfataza, fosforibulokinaza)

Stanje reducentov in energije (ATP, NADPH)

Metabolitna (snovi, ki vzstopajo in izstopajo: CO2, O2, 1. akceptor(R-BP,C5), drugi sladkorji)

Okolje (svetloba, temperatura, voda)

Faze Kalvinovega cikla

Karboksilacija Redukcija Regeneracija substrata Avtokataliza

Pregled faz Kalvinovega cikla

Karboksilacija

Vezava CO2 na prvi akceptor, sladkor ribuloza bifosfat

Akceptor mopra biti aktiviran Problem je pomanjkanje CO2, e posebej

ob zaprtih reah; tedaj vezava kisika, RUBISCO postane RUBISO

Potek pri veini rastlin: CO2 (C1) RuBP (C5)(C6) 2PGK (C3)

Prva faza Kalvinovega cikla: karboksilacija pri C3 rastlinah

FOTORESPIRACIJA Ob zaprtih reah zmanka CO2 Na isti substrat se vee kisik ob katalizaciji

istega encima: O2 (C0) + RuBP (C5)(C5) 1PG (C3)+1PG (C2,

fosfoglikolat) Fosfoglikolat se presnavlja v peroksisomih, ob

sodelovanju klooroplastov in mitohondrijev fotorespiracija (pomen: stres, povezava metabolizma C in N)

Reitve: C4, CAM in C1 tipi fotosinteze

C4 FOTOSINTEZA

Preteno tropske trave (Poaceae, Amarantaceae, Aizoaceae, Chenopodiaceae)

Preteno zerlia, bogatih, dobro osvetljenih in na hranilih bogatih tal

Dva tipa karboksilacije v listu; dimorfizemkloroplastov in asimilacijskega parenhima

Prerez lista C4 rastline: dimorfizem asimilacijskega parenhima

Dve prostorsko loeni karboksilaciji pri C4 rastlinah

Dimorfizem kloroplastov pri C4 rastlinah: kloroplasti celicilnega ovoja nimajo PSII

Razlini tipi C4 fotosinteze

CAM tip fotosinteze: Crassualacean Acid Metabolism

Problem odprtosti re pri pomanjkanju vode; Crassulaceae, Euphorbiaceae, Aizoaceae,Bromeliaceae, Chenopodiaceae,..

Odprte ree ponoi (manje sevanje, manja transpiracija, vezava CO2 iz zraka)

Podnevi ree zaprte in izraba CO2 iz rezervoarja C4-kislin v vakuoli

Majhna produkcija a preivetje v zelo sunih obmojih (puave, polpuave, epifiti,..

Potek CAM tipa karboksilacije: asovni zamik dveh encimatskih vezav CO2.

C1 tip vezave

Vodne rastline- makrofiti Slaba topnost CO2, visoke temperature V membrani epiderma je bil odkrit nain

privzema CO2 po reakciji: CO2 (C1) + H2O (C0)H2CO3H+ +HCO3-

Rastlina sprejme bikarbonat; sploni nain pasiranja membran pri vseh rastlinah!!

REDUKCIJA

Pomeni redukcijo fosfoglicerata v triozo: fofoglicerin aldehid, dihidroksi aceton fosfat

Porabita se ATP in NADPH2 Reakcija pomeni energetski prag PGA + NADPH+H + + ATP + h.( (trioze

fosfat; C3 spojina

Regeneracija akceptorja- RuBP

6 C5 (ribuloza bifosfat) + 6 C1(CO2) 12 C36C5, 1C6!!

feedback regulacija; ker CO2 pogosto primankuje, je vedno dovolj RuBP, da Kalvinov cikel normalno tee

Dokazano z izotopi ogljika

Pregled trajanja posameznih faz Kalvinovega cikla

AVTOKATALIZA

- uklanjanje C3, C6 spojin iz strome; sinteza kroba (asimilacijski krob); eksport saharoze, trioz; povezava s sintezo drugih spojin (eritroza ribozaRNK; deoksiroboza(DNK; ); sek. metabolizem

Sintezni procesi v kloroplastu

Prikaz izmenjave ogljikovih spojin med plastidi in citoplazmo translokacija asimilatov

Pool 4 metabolitov v ravnoteju. Iz snovi A nastaja snov D. metabolini status celice Doloa ali nastane D ali pa se izvozi e vmesni produkt (B,C).

Sinteza asimilacijskega kroba v kloroplastu

Sinteza rezervnega kroba v levkoplastu

VPLIVI NA FOTOSINTEZO I. INTERNI: Stanje in vrsta rastline II. ZUNANJI: Okolje: 1. [CO2] Q= D. C.S/d; D= dif. koeficient (cm2s-1); (c= razlika v konc. CO2

med okoljem in celico; S = povprena debelina lista; d= dolina potiza CO2

H2O/CO2; prevodnost , upornost; rs, ra, ri 2. [O2] FOTORESPIRACIJA; DIHANJE 3. SVETLOBA; 4. TEMPERATURA 5.VODA; 6. MINERALNA PREHRANA 7. BIOTINI DEJAVNIKI OKOLJA: Herbivori; paraziti (glive, ivali,

prokarionti)

Interni dejavniki:RASTLINA

Vrsta, sorta Starost Fenofaza Organ (list, steblo, plod,..) Tkiva:klorenhimi (asimilacijski

parenhimi),ostala tkiva Cela rastlina Trenutne meritve; akumulirana vezava

Naini meritve fotosinteze

PQ = O2/CO2 = 1 (idealne razmere) Vodni ekosistemi: meritve sproanja O2 Kopenski ekosistemi: meritve vezave CO2 Meritve fluorescence (oddane svetlobe) Meritve pridelka (etveni indeks) Meritve biomase v asovnih presledkih

Pomen svetlobe pri meritvah fotosinteze:

Multipli vplivi svetlobe, odvisni od jakosti in spektralnega sestava

Tipala za meritve uinkov svetlobe (kvantna-fotosinteza, radiacijska-energija celotnega spektra, meritve osvetlitve)

Meritve fluorescence

Uinki sevanja na rastline: + veliki; x majhni; o nepomembni

Tipala za meritve razlinih uinkov svetlobe in primeri vrednosti sevanja

Znailnosti svetilk, ki se uporabljajo za osvetljevanje rastlin pri meritvahfotosinteze

Odboj, prepustnost in absorbcija svetlobe lista topola v odvisnosti od valovnih dolin

Usoda energije vzbujenega klorofila a: pretvorba v fotokemino delo (ATP; NADPH2Fluorescenca, pretvorba v toploto

Prikaz poteka fluorescence klorofila na PS II; meritev kapacitete kloroplasta

Meritve izmenjave CO2 IRGA metode (Infra Red Gas Analysis) Meritve fotosinteze v kopenskih ekosistemih Meritve neto fotosinteze: Pn=Pg-R (Pn=neto fotosinteze,

Pg=bruto fotosinteza,R= dihanje) Kardinalne toke neto fotosinteze: spodnja

kompenzacijska, saturacijska, zgornja kompenzacijska (minimum, optimum, pesimum)

Spreminjanje vplivnih dejavnikov in meritve fotosinteze; standarne razmere

Svetlobna, CO2 saturacijska krivulja,.. Odprti in zaprti IRGA sistemi; absolutni in diferencialni

nain meritev; meritve spremljajoih parametrov

Shema meritve neto fotosinteze s sistemom IRGA

Sistem za pripravo zraka

merilecKomorekivete

Svetlobne krivulje netofotosinteze rastlin razlinih funkcionalnih skupin,izmerjene pri optimalni temperaturi in ambientalnikoncentraciji CO2

Shematski prikaz dnevnega spreminjanja izmenjave CO2 v odvisnosti od jakosti Sevanja; C4 rastline imajo veliko veji izkoristek svetlobe kot C3 rastline; skiofitiuinkovito izkoriajo svetlobo ibkih jakosti

Prikaz odvisnosti dnevnega poteka fotosinteze od radiacije pri C3 (Fagus sylvatica)In C4 rastlini (Zea mays). Izkoristek sevanja je veji pri C4 rastlini.

Vpliv vodnega reima na potek fotosinteze

Izmenjava CO2 pri CAM rastlinah

Letna bilanca CO2 kalice cemprina na gozdni meji v Alpah

FOTOSINTEZAFOTOSINTEZA - ASIMILACIJA OGLJIKA (energetika celice KEMOSINTEZAZAETEK FOTOSINTEZEOstale oblike kemosintezeFOTOSINTEZA VIJIH RASTLIN, EV. ALG, CIANOBAKTERIJ BISTVO FOTOSINTEZE:FAZE FOTOSINTEZEI. SVETLOBNA FAZA FOTOSINTEZE a) Fotofizikalne reakcije:Pomen fotosinteznih barvil:FOTOSINTEZNI UINEK SVETLOBEUinek svetlobe na pigmentih:Pomen karotenoidovB) Fotokemine reakcijeFunkcionalna organizacija tilakoidRazporeditev v tilakoidah:PSI in PSII tvorita funkcionalno enotoTvorba ATP- fotofosforilizacijaKaj potrjuje hipotezo?Naini tvorbe ATPPovzetekPOVZETEK REAKCIJ IN PRODUKTI SVETLOBNE FAZE:TEMOTNA FAZA FOTOSINTEZE = KALVINOV CIKEL= RPP CIKELRegulacija Kalvinovega cikla Faze Kalvinovega ciklaKarboksilacijaFOTORESPIRACIJAC4 FOTOSINTEZACAM tip fotosinteze: Crassualacean Acid MetabolismC1 tip vezaveREDUKCIJARegeneracija akceptorja- RuBPAVTOKATALIZAVPLIVI NA FOTOSINTEZOInterni dejavniki:RASTLINANaini meritve fotosintezePomen svetlobe pri meritvah fotosinteze:Meritve izmenjave CO2