FotosyntézaFotosyntéza Fotosyntéza • Využití světla k syntéze organických látek z anorganických (redukce) • Je to oxidačně‐redukční proces, kdy CO2 slouží jako akceptor elektronů a látka H2A jako donor  elektronůelektronů CO2 + 2H2A                 (CH2O) + 2A + H2Ohυ • Jedná se o endergonický děj, kdy na 1 mol glukosy připadá ∆G = 2840 kJ • Celá řada prokaryontích organismů provádí anoxygenní elektroforézu, kdy jako donor Celá řada prokaryontích organismů provádí anoxygenní elektroforé u, kdy jako donor elektronů je např. sirovodík. • Fotosyntéza probíhá ve specializovaných plastidech – chloroplastech • Chloroplasty rostlin zřejmě vzniky endo‐symbiotickou asociací proto‐eukaryontní buňky a  fotosyntetické bakterie (cyanobacteria) Fotosyntéza Struktura chloroplastu Fotosyntéza Proces fotosyntézy má dvě fázeProces fotosyntézy má dvě fáze • Tzv. světelná fáze, při které se generuje O2, ATP a NADPH • Tzv. Calvinův cyklus, při kterém se spotřebovává ATP a NADPH při redukci CO2 a cukry • Obě dvě fáze se uskutečňují v odlišných částech chloroplastů: světelná fáze na thylakoidní membráněsvětelná fáze na thylakoidní membráně Calvinův cyklus ve stromatu • I při Calvinově cyklu je nutná přítomnost světla pro regulaci Fotosyntéza Absorpce světlaAbsorpce  světla • světlo má vlastnosti jak světla, tak vlnění • 1 foton má energii = hc/λ• 1 foton má energii = hc/λ 1 mol fotonů o vl. Délce 490 nm = 240 kJ 1 mol fotonů o vl. Délce 700 nm = 170 kJ • světlo je absorbováno pigmenty kdy absorpce světla vede k excitaci pigmentu• světlo je absorbováno pigmenty, kdy absorpce světla vede k excitaci pigmentu Fluorescence = 10‐9 s Fotochemie = 10‐12 s Fotosyntéza Absorpce světlaAbsorpce  světla • Téměř všechny fotosyntetické organismy obsahují pigmenty chlorofyly • Anaerobní fotosyntetické bakterie syntetizují bakteriochlorofyl• Anaerobní fotosyntetické bakterie syntetizují bakteriochlorofyl Chlorofyl a Chlorofyl b Bakteriochlorofyl b Fotosyntéza Absorpce světlaAbsorpce  světla • další pigmenty účastnící se absorpce světla jsou karotenoidy Violaxantin • karotenoidy absorbují světlo mezi 400 a 500 nm a jejich hlavní funkcí je ochrana  fotosyntetického centra před fotooxidačním poškozením ‐ fotoinhibicí, především  singletovým kyslíkem • Červené řasy a cyanobakterie obsahují fykobiliny organizované do komplexní struktury  fykobilisomů Fotosyntéza Absorpce světlaAbsorpce  světla Chlorofyly Ostatní pigmenty Fotosyntéza Fotochemická reakční centra • všechny organismy produkující kyslík obsahují dva různé komplexy fotochemických center,  Fotosystém I (PSI) a Fotosystém II (PSII) • fotosyntetická centra se liší složením molekul přenášejících elektrony: Přenašeč PSI PSII Reakční centrum s chlorofyly P700 P680 A0 Chlorofyl a Feofytin a  A1 Fylochinon Plastochinon (QA) A2 Fe‐S centrum Plastochinon (QB)2 (QB) Chl AOA1A2 Chl*AOA1A2                 Chl+AO ‐A1A2               Chl+AOA1 ‐A2               Chl+AOA1A2 ‐hυ • každý fotosystém mimo reakčního centra obsahuje tzv. antény zodpovědné za “sběr“ světlaý y j y p • anténa většinou obsahuje kolem 250 molekul chlorofylu a,b, kdy hlavní funkcí je sběr a přenos  energie do centra Fotosyntéza Struktura fotochemických centerý PSII centrum PSI centrum QA,QB  ‐ Plastochinon Fx, FA, FB – Fe‐S klastr Fotosyntéza Sběr světla • hlavním proteinem vázající pigment v membráně chloroplastů je light‐harvesting complex II  (LHC‐II) • LHC‐II komplex tvoří přibližně 50% proteinů thylakoidní membrány, váže 12 molekul chlorofylu  a,b a 2 molekuly karotenoidů Struktura LHCII centra Komplex Poměr Chl a/b LHC komplexy asociované s PSI LHCIa 2‐3.1 Struktura LHCII centra LHCIb 2.2‐4.4 LHC komplexy asociované s PSI LHCIIa 4.0 LHCIIb 1 35LHCIIb 1.35 LHCIIc 2.9 LHCIId 1.51 Monomer TrimerMonomer Trimer Fotosyntéza Lokalizace komplexů na thylakoidní membráně • PSI systém se nalézá především na neposkládané  membráně vystavené do stromymembráně vystavené do stromy • PSII systém se nalézá především na poskládané  nebo‐li granální části membrány PSI PSII Složka Grana Stroma PSII 85 15 PSI 10 90 Cytochrom b6f komplex 50 50 LHCII 90 10 ATP syntasa 0 100 lPlastocyanin 40 60 Fotosyntéza Regulace distribuce energie mezi PSI a PSII • regulace se účastní redox‐aktivovaná kinasa fosforylující LHCII komplex • kinasa fosforyluje LHCII pouze pokud je vysoký obsah redukovaného plastochinonuy j p p j y ý p • po fosforylaci migruje LHCII z granální části membrány do stromální Fotosyntéza Ne‐cyklický transport elektronů produkující O NADPH a ATPNe‐cyklický transport elektronů produkující O2, NADPH a ATP • model přenosu elektronů mezi jednotlivými komplexy při ne‐cyklickém transportu udává  tzv. Z‐schéma • oxidace vody a exergonický proces přenosu elektronů vedou k vytvoření protonového  gradientů, který je využit pro tvorbu ATP Slabé reduktans Silné reduktans Sil é id Slabé oxidans Silné oxidans Fotosyntéza Z ‐ schéma • PSII systém přenáší elektrony z vody na plastochinon, kdy při redukci plastochinonu dochází k  přenosu protonů ze stromy do lumenu v tzv. Q cyklu. Fotosyntéza Q cyklusQ y 1 Elektron je uvolněn z P680 a přenesen na Q za1. Elektron je uvolněn z P680 a přenesen na QA za tvorby QA ‐ 2. Následně je elektron přenesen na QB, kdy vzniká semichinon QB ‐ a QA ‐ se vrací na QA 3. Poté je uvolněn z P680 druhý elektron a přenesen na QA za tvorby QA ‐ 4. Druhý elektron je přenesen na semichinon QB ‐ za tvorby plně redukovaného chinonu QB 2‐za tvorby plně redukovaného chinonu QB 5. Nakonec chinon QB 2‐ váže dva protony ze stromální strany membrány za tvorby plastochinolu QBH2 PQH2 + 2PCox + 2H+ stroma PQ + 2PC a 4H+PQ + 2PCred a 4H+ lumen Fotosyntéza Fotosystém 1 (PS1) • Přenos elektronů mezi fotosystémem I a II zprostředkovává plastocyanin obsahující měď • PSI komplex obsahuje asi 15 proteinových podjednotek účastnících se vazby a přenosu• PSI komplex obsahuje asi 15 proteinových podjednotek účastnících se vazby a přenosu  elektronu a vazby feredoxinu • Elektrony z PSI jsou přenášeny na ferredoxin (2Fe‐2S) lokalizovaný ve Stromatu • Redukce NADP+ probíhá přes ferredoxin‐NADP+ reduktasu (FNR) obsahující FAD Fotosyntéza Oxidace vody na kyslík 2H2O               O2 + 4H+ + 4e‐ • Reakční centrum PSII se po absorpci světla stává silným oxidans (+820mV) schopným• Reakční centrum PSII se po absorpci světla stává silným oxidans (+820mV) schopným  provést 4 elektronovou oxidaci vody na kyslík. • při jedno‐elektronovém transportu by vznikaly velmi reaktivní formy kyslíku, systém musí  akumulovat elektronyakumulovat elektrony • Mechanismus produkce O2 byl sledován během série krátkých záblesků Fotosyntéza Oxidace vody na kyslík • Výsledkem pokusů bylo navržení tzv. S‐modelu Fotosyntéza Oxidace vody na kyslík • Komplex oxidující vodu na kyslík (S‐klastr) obsahuje mangan (studie na řasách rostoucích při  nedostatku manganu) • Později byli identifikovány ještě dva další kofaktory, atom chlóru a vápníku • Spojku mezi S‐klastrem a centrem P680 zprostředkovává přenašeč nazvaný “Z“ (zbytek Tyr). Fotosyntéza Inhibitory fotosyntézy Diuron (DCMU) Dibromothymochinon (DBMIB) Paraquat Fotosyntéza Cyklický transport elektronůy ý p • Cyklického transportu elektronů se účastní pouze fotosystém PSI a produktem je pouze ATP J ž d á k f k f d i Fd l hi id d k• Je vyžadován kofaktor – feredoxin a enzym Fdx‐plastochinon oxidoreduktasa • Role tohoto systému in vivo je nejasná, byl prokázán in vitro pomocí inhibitorů Fotosyntéza Syntéza ATP v chloroplastech • Syntéza ATP závisející na světle je nazývána fotofosforylací a je velmi podobná oxidační fosforylaci  v mitochondriích • Syntéza ATP je energeticky spřažena s transportem protonů • Na každé 2 protony přenesené z vody na NADP+ připadá 1 molekula ATP (necyklická  f t f f l )fotofosforylace) • Syntéza ATP je vysvětlena chemi‐osmotickým modelem (Mitchell, 1960s) využívající iontový  gradient  ne semi‐permeabilní membráně. • U chloroplastu se akumulují protony v luménu, kdy výsledný gradient vytváří proton‐motivní sílu  (pmf) • chemiosmotický model predikuje přesnou stechiometrii H+ / ATP, kdy je pravděpodobně 4H+/ATP pmf = ∆pH + ∆ψ / 96,5 Kj.V‐1mol‐1 Fotosyntéza ATP syntáza • skládá se ze dvou částí, CF0 a CF1 • skládá se z devíti různých podjednotek • α a β podjednotky váží ADP a Pi • δ podjednotka spojuje CF0 a CF1 část • γ podjednotka kontroluje tok protonů a je  regulována ferredoxin/thioredoxin mechanismem • ATP syntáza může mít rovněž ATPasovou aktivitu Fotosyntéza ATP syntáza • ATP je syntetizováno podle vazebně‐výměnného mechanismu • Energie protonového gradientu je využita k uvolnění ATP z komplexug p g j y p • CF1 podjednotka má tři vazné místa pro nukleotidy: L – volné T – vázající  nukleotidj O – otevřené • Při přechodu protonů z Lumenu do Stromy dochází k pohybu γ podjednotky, což způsobuje   konformační změny ve vazných místech. Fotosyntéza Asimilace uhlíku  • většina rostlin tvoří jako první stabilní látku 3‐fosfoglycerát (C3 rostliny) • C3 dráha fixace CO2 u rostlin byla poprvé popsána Melvinem Calvinem • CO2 reaguje prvně s cukrem ribulosa 1,5‐bisfosfát v reakci katalyzované enzymem RUBISCO • RUBISCO je nejhojnějším enzymem v biosféře Fotosyntéza RUBISCO (ribulosa 1,5‐bisfosfát karboxylasa) • skládá se z osmi velkých podjednotek L (56kDa) a osmi malých podjednotek S (14kDa) • katalytická doména je tvořena L podjednotkami, nekteré bakterie mají pouze L podjednotky • L podjednotky jsou kódovány v chloroplastech, S podjednotky v jádře RUBISCO ůž k t l t j k k b l i t k i• RUBISCO může katalyzovat jak karboxylaci tak oxygenaci Fotosyntéza Calvinův cyklus • skládá se ze třinácti kroků rozdělených  do tří fází:  karboxylacekarboxylace redukce regenerace • na každý cyklus potřebujeme 3 ATP a 2  NADPH • účinnost Calvinova cyklu za  fyziologických podmínek je kolem 80% Fotosyntéza Calvinův cyklus Fotosyntéza Regulace Calvinova cyklug y • celá řada enzyml v Calvinově cyklu katalyzuje jak syntézu, tak degradaci sacharidů • pro zachování vysoké účinnosti je nutná velmi přesná regulace • změny v pH stromatu a koncentrace hořčíku regulují enzymy: RUBISCO, fosforibulokinasa, bisfosfatasa • aktivace RUBISCO zahrnuje tvorbu karbamátového komplexu • dalším regulačním systémem je redoxní regulační systém, který závisí na světle: RUBISCO aktiváza, NADP+ GAPD, … Fotosyntéza C4 fixační dráha4 • u některých rostlin byl jako první detekována 4 uhlíková látka místo 3  uhlíkové • listy těchto rostlin vykazují neobvyklou anatomii, dvě různé skupiny buněk  obsahující chloroplasty: mesofylové buňky buňky pochvy cévního svazku • při vyšší teplotě dochází k upřednostnění oxygenasové aktivity • možnost uzavření průduchů ve dne omezuje ztrátu vody • tento způsob fixace je energeticky náročnější, na 1 CO2 připadá 5 ATP a 2  NADPH Fotosyntéza C4 fixační dráha • fixační dráha C4 rostlin začíná v mesofylu přeměnou PEP na oxalacetát, násoedný metabolismus se liší: 4 Malát ‐ kukuřice Fotosyntéza Apartát ‐ prosop p Apartát ‐ prosop p Fotosyntéza C4 fixační dráha ‐ regulace4 g • regulace PEP světlem • CAM rostliny (kaktusy)