Fotosyntéza Ondřej Prášil prasil@alga.cz 384-340430 4 Čtyři fáze procesu přeměny energie ve fotosyntéze 1. absorbce světla a přenos energie v anténních systémech 2. primární rozdělení nábojů a přenos elektronů v reakčních centrech 3. stabilizace energie v sekundárních procesech 4. syntéza a export stabilních produktů Vektoriální přenos elektronů a protonů 2H2O + 2NADP+ +2H+ ->O2 + 2NADPH + 4H+ 2NADPH + 12H+ Přeměna energie Světelné reakce v thylakoidech Temnotní reakce ve stromatu ATP NADPH·H+ hv, O2, elektrony, H+ CO2 -> org. C Noctor and Foyer 2000 Multiple pathways for spending the photosynthetic currency ATP / NADPH+ ~ 1.5 ATP / NADPH+ variable 60% ATP 95% NADPH Přeměny energie: Energie fotonů Excitační energie chlorofylu a Energie elektronů na různých redoxních potenciálech: membránové elektronové řetězce Energie koncentrací iontů na membráně Energie anhydridové chemické vazby ATP ETM (membrány přeměny energie) E  µH +  GATP h M T 1. Generátory chemického potenciálu  µH+ 2. Generátory oxidačně redoxního potenciálu E h  E h  E   µH +   GATP Vztah mezi různými formami volné energie Peter Mitchell - Nobelova cena 1978 John Walker – Nobelova cena 1997 Paul Boyer – Nobelova cena 1997 • Rozdíl koncentrace iontů na membráně • Protonmotorická síla (H = pH + ) Principal of the ATP generation on the membrane Chemiosmotic hypothesis ∆μH+ = F ∆Ψ - 2.3 RT ∆pH ∆Ψ electrochem. potential ∆pH proton potential F Faraday constant R gas constant T temperature (in K) Tvorba ATP v chloroplastech i v nepřítomnosti světla ∆p = ∆Ψ – 59 ∆pH pH > 3 ∆p = ∆Ψ – 59 ∆pH  180 mV Difference due to thylakoid membrane permeability to Cl- and Mg2+ ∆p ~ 0.22V ∆G ~ -4.8 kcal/mol CF0-CF1 ATPáza (reverzibilní protonová)  µH +   GATP 10-13 c podjednotek CFo spojeny s  podjednotkou CF1 = rotor zbytek = stator brzda = disulfidické můstky F1 subunits ,  and  together with F0 subunits a and b comprise the stator while remaining ,  of F1 and c ring of F0 form the rotor during rotational synthesis of ATP. One ATP is formed during single rotation of the rotor that is related to the transfer of 3 H+. Videorecord of the F1cF0 rotation during the ATP synthesis . „binding change mechanism“ (P.Boyer) 3 ATP 14 H+ Obsah přednášky • C3 dráha: fixace a redukce CO2 • Fotorespirace a C2 dráha • mechanismy koncentrace CO2 • C4 metabolismus • CAM metabolismus Melvin Calvin Nobel 1961 Andrew Benson Calvinův, Calvin-Bensonův, Redukční pentosový cyklus, C3 cesta značení 14CO2 2D papírová chromatografie autoradiografie akumulace substrátu při limitaci CO2 10 s 60 s ribulosa-1,5-bisfosfát (RuBP) fosfoglycerát PGA RuBP + CO2  2 x 3PGA Rubisco = karboxydismutáza RuBP karboxyláza/oxygenáza Karboxylace není reduktivní Calvinův cyklus: celkem 12 reakcí autokatalytický Calvinův cyklus: celkem 12 reakcí autokatalytický Karboxylace: • -G karboxylace • velká afinita CO2 k Rubiscu 3 CO2 + 3 H2O + 6 NADPH + 9 ATP -> G3P + 6 NADP+ +3 H+ + 9 ADP + 8 Pi Rubisco velký enzym pomalý (3 CO2 za sec) Nejpočetnější… nespecifický (O2) Aktivní část: L2 Rubisco – karboxylace RuBP Karboxylační fáze Redukční fáze Regenerační fáze 3 RuBP (15C) + 3 CO2 (3C) -> 6 G3P (18C) -> 3 RuBP (15C) + GAP (3C) 3 CO2 + 3RuBP+ 3 H2O + 6 NADPH + 9 ATP -> 6G3P + 6 NADP+ + 3 H+ + 9 ADP + 8 Pi Regenerace součástí Calvinova cyklu Ve tmě je nízká koncentrace meziproduktů C cyklu Na světle se musí nejprve regenerovat meziprodukty – indukční perioda Energetická bilance Calvinova cyklu Množství energie na syntézu hexósy ≥ energie oxidace (spálení) 1 molu hexosy = 2804 kJ 6CO2 + 12 NADPH + 18 ATP -> C6H12O6 Spotřebuje se 3126 kJ na oxidaci 12 molů NADPH (12 x 217) a na hydrolýzu 18 molů ATP (18 x 29 kJ) Termodynamická účinnost je tedy 90% (2804/3126) Většina (83%) energie jde na redukční proces 1 CO2 ~ min. 8 fotonů Celková termodynamická účinnost: 6 x 8fotonů x 175 kJ(energie 680nm) = 8400 kJ Celkem maximální účinnost 33% (2804/8400) Velká část energie se ztratí při tvorbě NADPH a ATP Reálná účinnost přeměny světelné energie je 0.1 – 0.4%, optimálně 2% Regulace Calvinova cyklu • regulace – na úrovni syntézy proteinů (signály jádro – chloroplast). Anterográdní regulace (J → Ch). Pomalé (hod)… • posttranslační modifikace – rychlé změny aktivity během minut – změny v kovalentních vazbách (disulfidické vazby, karbamace) – nekovalentní modifikace (vazba metabolitů, změny v pH) Regulace Regulace světlem Moduluje aktivitu enzymů v závislosti na přenosu elektronů Aktivace cyklu fixace uhlíku Fotochemické změny Aktivace 4 enzymů CC systémem ferredoxin – thioredoxin (inhibice katabolických procesů) Aktivace cyklu fixace uhlíku - Rubisco Karbamylace Lys201 probíhá lépe za zvýšení Mg2+ a pH Rubisco aktiváza odstraní pevně navázané cukry Obsah přednášky • C3 dráha: fixace a redukce CO2 • Fotorespirace a C2 dráha • mechanismy koncentrace CO2 • C4 metabolismus • CAM metabolismus Fotorespirace – oxygenázová aktivita rubisca inhibuje rubiscoRUBISCO vzniklo v době, kdy nebyl O2 v atmosféře Rateofphotosynthesis Fotorespirace snižuje fixaci uhlíku při vyšších koncentracích kyslíku faktor specificity ~ 30-80 CO2 8 M O2 260 M ~ 2.5 Co určuje poměr fotosyntézy a fotorespirace? Kinetické vlastnosti Rubisca Vliv teploty na oxygenázovou aktivitu rozpustnost O2 a CO2 kinetiku a aktivitu Rubisca C2 oxidativní fotosyntetický cyklus snižuje ztráty fixovaného C způsobené fotorespirací – oxygenázovou aktivitou Rubisca kooperace 3 organel: chloroplast peroxisom mitochondrie ~50% energie spotřebované na karboxylaci 2 Pglycolate -> 1 Pglycerate 4C -> 3C (25% C loss) C2 oxidativní fotosyntetický cyklus Elektronově mikroskopický snímek rostlinné buňky kooperace 3 organel: chloroplast (C) peroxisom (P) mitochondrie (M) Obsah přednášky • C3 dráha: fixace a redukce CO2 • Fotorespirace a C2 dráha • mechanismy koncentrace CO2 • C4 metabolismus • CAM metabolismus CCM – mechanismus koncentrace uhlíku v řasách Reverzibilní hydratace CO2 H2O + CO2  H2CO3 pomalá bez katalýzy CA = karbonátdehydratáza Až 600000 s-1 jeden z nejrychlejších enzymů CCM spotřebovává ATP Pumpy CO2 v cytoplasmatické membráně vodní rostliny, řasy ,sinice Strukury, ve kterých dochází k fixaci uhlíku Sinice: karboxysomy Řasy: pyrenoid Obsah přednášky • C3 dráha: fixace a redukce CO2 • Fotorespirace a C2 dráha • mechanismy koncentrace CO2 • C4 metabolismus • CAM metabolismus Věnčitá anatomie C4 rostlin – velké buňky pochev cévních svazků max. 2-3 vrstvy mesofylních buňek C3 rostliny Jak se mohou adaptovat cévnaté rostliny? C4 jednoděložná C3 jednoděložná C4 dvouděložná C4 cyklus mesofilní buňky buňky pochev cévních svazků eliminace oxygenázové aktivity koncentrace CO2 ~ 15x z 5 na 70 M CO2 Malate Malate CO2 Sucrose Starch Calvin Cycle RuBP PGA C4 Cycle Pyruvate PEP Figure 7-24 3 varianty C4 metabolismu liší se podle C4 kyseliny, která přenáší C do věnčitých buněk a podle dekarboxylaní reakce NADP- malát NAD malát PEP karboxykináza C4 cykly mají větší spotřebu energie než C3 Díky substrátové specificitě PEPC pro HCO3 - nedochází ke kompetici s O2 (oxygenaci) za vyšších teplot Obsah přednášky • C3 dráha: fixace a redukce CO2 • Fotorespirace a C2 dráha • mechanismy koncentrace CO2 • C4 metabolismus • CAM metabolismus • Syntéza cukrů a škrobu CAM = crassulacean acid metabolism metabolismus kyselin u tučnolistých aridní rostliny „rostliny CAM“ charakteristické jsou silné kutikuly, velké vakuoly, malá stomata CAM rostliny: 50 -100 g H2O na 1 g fixovaného CO2 C4 rostliny 250 – 300 g H20 C3 rostliny 400 - 500 g H20 tma světlo CAM metabolismus Konec