C3181
Biochemie I
12-Fotosyntéza
FRVŠ 1647/2012
2/1/2013
1
Petr Zbořil

Obsah
•Fotosyntéza, světelná fáze. Chlorofyly, struktura fotosyntetického centra. Komponenty přenosu
elektronů (cytochromy, chinony, plastocyanin, ferredoxin), FS-2, FS-1, mechanismus syntézy ATP.
Rovnice světelné fáze a její bilance.
•Temná fáze fotosyntézy (Calvinův cyklus), RUBISCO, mechanismus fixace CO2.
•Typy fotosyntézujících organizmů, další způsoby záchytu světla, chemotrofní asimilace C1.
•Ekologický a technologický význam fotosyntézy, perspektivy.
•
2/1/2013
Petr Zbořil
2

Obecně
•Sumárně 6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2
•Endergonický pochod – nelze provést jednoduše
oOpačný směr – jednoduchý – energie jako teplo
oVyužití energie uvolněné oxidací – složité pochody
•2 fáze fotosyntézy
oSvětelná – tvorba ATP a NADPH (redukční ekvivalenty) – vyžaduje světelnou (alternativně jinou)
energii
oTemná – fixace a redukce CO2 – využití ATP a NADPH – alternativní pochody
 2/1/2013
Petr Zbořil
3

Světelná fáze
•Světlá fáze
oTvorba NADPH a ATP
oFotosyntetický elektronový
otransport – acyklický a cyklický
oEndergonický směr přenosu
oelektronů
oDonorem je voda – vysoká
ohodnota E štěpicícho enzymu
oSvětelná energie přeměněna
ona změnu E0‘ chlorofylu o ca
o2x1 V
o
o
•
2/1/2013
Petr Zbořil
4

Světelná fáze
•Komponenty
•fotosyntetického
•elektronového transportu
•Komplexy fotosystémů I a II
-PSII a PSI s reakčními centry
-Primární e- donory P680 a P700
•(tvořeny Chl a), plastochinon
•Komplex cyt b6f – translokace H+
•Spojovací přenašeče PQ a PC
•Centra redukce NADP+
•Feredoxin
•NADP+ reduktasa (FMN)
•
o
•
2/1/2013
Petr Zbořil
5

Lokalizace systému přenašečů
•
•
2/1/2013
Footer Text
6

Lokalizace systému přenašečů
•
•
2/1/2013
Footer Text
7

Struktura fotosyntetického řetězce transportu elektronů
•
•
•
•
•
•
•
•
•Lokalizace přenašečů v membráně tylakoidu
oTransport elektronů z vody na NADP+
oTranslokace protonů
oSyntéza ATP
oSložení – komplexy PSII, cyt b6f, PSI, navazuje CFOCF1 ATP syntetasa
•
2/1/2013
Petr Zbořil
8

2/1/2013
Footer Text
9

Štěpení vody
•
•
•Není to fotolýza
oEnzym bez světla
•H2O = ½ O2 + 2H+ + 2e-
•E0‘ ca +1 V
•2e- do reakčního
•centra PSII – redukce P680
•
•Aktivní centrum
•enzymu
•
2/1/2013
Footer Text
10

Sběr světla
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•Absorpční spektra chlorofylů
oNepokrývají celou oblast
oJediná molekula – malá plocha
•
2/1/2013
Petr Zbořil
11

Sběr světla
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•Pigmenty absorbující světlo
oPokrývají další oblasti spektra
oVelké množství – efektivní záchyt
2/1/2013
Petr Zbořil
12

Sběr světla
•Anténní systém
•Organizované
•pigmenty
•Jednosměrný
•přenos energie
2/1/2013
Footer Text
13

Sběr světla
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•Anténní systém – pomocné pigmenty
oEfektivní záchyt světelné energie
oOdlišné u různých typů organizmů – bakterie, sinice
•
2/1/2013
Petr Zbořil
14

Využití světelné energie
•Kvantifikace
o1 foton – 1 e-
•Redukce NADP+
o2x2 fotony
•Syntéza ATP
o1 při necyklickém
otransportu e- při redukci
oDalší cyklickým
otransportem e-
oPotřeba více ATP než
oNADPH pro redukci CO2
•b
2/1/2013
Petr Zbořil
15

Redukce NADP+
•Finální krok
•Redukce PSI
•plastocyaninem
•Účast kofaktorů
oQ a FeS centra
•Feredoxin (Fe)
•NADP+ reduktasa
oKofaktor FMN
2/1/2013
Petr Zbořil
16

Plastocyanin
•
•
•Kuproprotein
•E0‘ = 370 mV, pro
•Cu(II)/Cu(I) = 158 mV
•modulace bílkovinou
•Funkcí podobný
•cyt c
•
•
•
2/1/2013
Footer Text
17

Tvorba ATP
•
•
•
•
•
•
•
•Mechanismus jako u oxidační fosforylace
2/1/2013
Petr Zbořil
18

2/1/2013
Footer Text
19

Struktura a funkce PS řetězce přenosu elektronů
•
•
2/1/2013
Footer Text
20
Cyklický
transport

Bilance přenosu e-
•2 H2O = O2 + 4 H+ (do lumen) + 4 e-
•2 H+ (ze stroma) + 4 e- + 2 NADP+ = 2 NADPH
•Potřeba 8 fotonů
oExperimentálně 8 – 10 na 1 uvolněnou O2
•8 H+ translokováno do lumen přes bf komplex
•Celkem 12 – tj. stačí na syntézu 4 ATP
•Protonmotivní síla téměř zcela záležitostí DpH
oDíky propustnosti membrány pro Mg2+ a Cl- je D Y blízká 0
•
2/1/2013
Footer Text
21

Umělý systém syntézy ATP
•
•
•
•
•
•
•
•
•Experimentální průkaz tvorby ATP na konto Δ H+
•První potvrzení chemiosmotické teorie – tylakoidy
2/1/2013
Footer Text
22

Sumární schema světelné fáze
2/1/2013
Footer Text
23

Temná fáze
•Fixace a asimilace CO2
oAkceptor Rul-l,5-bisP
oRUBISCO – ribulosabisfosfát karboxylasa oxygenasa
•Redukce – form. CO2 + 4[H] = HCOH + H2O
oVznik GAP
oVyžaduje NADPH a ATP
oObrat glykolytické reakce GAPDH
•Regenerace akceptoru CO2
oGAPDH – fruktosa-1,6-bisfosfát
oObrat pentosového cyklu
oTransaldolace a transketolace
o6 CO2   + 6 C5   =   6 C6
o5 C6  =  6 C5 – další spotřeba ATP
2/1/2013
Footer Text
24

Fixace CO2
•
•
•
•
•
•
•
•
•Ribulosabisfosfát karboxylasa oxygenasa
oAlternativně reaguje s O2 - vzniká P-glykolát – disipace energie
oNejvíce syntetizovaná bílkovina v biosféře
o
2/1/2013
Footer Text
25

Calvinův cyklus
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•Redukce 3PG a regenerace Rul-1,5-bis P
2/1/2013
Footer Text
26

Calvinův cyklus
2/1/2013
Footer Text
27
•
•
•
•
•
•
•
•Studován pomocí papírové chromatografie 14C-metabolitů (špenát, Chlorella)
•Melvin Calvin, James Bassham, Andrew Benson
•UCB, NC 1961
•

2/1/2013
Footer Text
28

C4 mechanismus
•
•Pomocný pochod
•záchytu CO2
oC4 rostliny v oblastech
os vysokým slunečním svitem
oEfektivnější záchyt CO2
oProbíhá v noci při
ouzavřených průduchách
o– omezení ztráty vody
oTvorba C4 metabolitů
o– malát, oxalacetát
2/1/2013
Footer Text
29

Fotorespirace
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•Nedostatek CO2
2/1/2013
Footer Text
30

•
2/1/2013
Footer Text
31