Fotosyntéza - Univerzita Karlova · epoxidáza VDE na antheraxantin a pak na zeaxantin. Při...

Fotosyntéza

Rozčlenění pochodů v chloroplastu na membránové a enzymové:

Fotosyntézu lze schematicky vyjádřit: hv CO2 + 2 H2O (CH2O)+ O2 + H2O

Kde všude jsou fotosyntetické organismy:

Yoon et al. (2006)

(Archibald 2009)

oxygenní fotosyntéza

Sinice

Primární plastidy

Chlorophyceae, Chlamydomonas 2 obalné membrány

Charophyta Chara 2 obalné membrány, grana

Porphyridium

Glaucocystis

Primární plastidy

Cryptomonas

Sekundární plastidy – „červené“

Stramenopiles – Ochromonas; Hacrobia 2+2 obalné membrány

Euglena

Sekundární plastidy – „ zelené“

Chlorarachniophyta

Chlorarachnion 2+2(1) obalné membrány

Terciární endosymbióza

• Pohlcení organismu s červeným sekundárním plastidem

• obrněnky

Kleptoplastidy

Elyssia viridis – molusca, chloroplasty z Codium

Perispira ovum – nálevník, kleptoplastidy z euglen? Amphidinium latum– obrněnka, kleptoplastidy ze skrytěnek

Placida dendritica - molusca, plastidy z Codium, Bryopsis

Membrána tylakoidu - 4 supramolekulární komplexy:

Primární pochody

en

.wik

ipe

dia

.org

Zjednodušený model světlosběrného systému a RC

Oba fotosystémy obsahují fotochemické reakční centrum a světlosběrný systém

Světlosběrné antény: fykobiliproteiny nebo LHC

Fykobilisomy

•nachází na cytoplasmatickém povrchu thylakoidů sinic, ruduch a glaukofyt, skrytěnky fykobilisomy nemají •skládají se z kotoučovitých útvarů uvnitř s otvorem; trimery (ab)3 nebo hexamery (ab)6 •jejich velikost a složení se může měnit v závislosti na růstových podmínkách •připojují se k fotosystému II

fykobilisomy sinic ruduch

cyanobacterial ancestor

ztráta BPS

ztráta ch b

LHC s a a b

LHC s a

Primární endosymbióza

Sec. endosymbióza

LHC s a a c

Evoluce světlosběrných antén:

Fotosyntéza necyklický transport elektronů NADPH a ATP

účast PSI a PSII

cyklický transport elektronů pouze ATP

účast pouze PSI

feofytin

plastochinon

plastocianin

Fotofosforylace

Absorbcí kvant záření a přenosem elektronů se v lumenu thylakoidů zvýší koncentrace protonů – využívány pro tvorbu ATP systémem ATP-syntázy

CFo - transportuje H+ přes membránu, tvoří kanál pro prostup protonů thylakoidní membránou, je silně hydrofobní

CF1 - zabezpečuje vlastní syntézu ATP z ADP a anorganického fosfátu. CF1 je označován jako spřahovací (coupling) chloroplastový faktor – spřahuje syntézu ATP s tokem elektronů.

Pigmenty

Elektromagnetické záření ze Slunce

PAR: 400-700 nm

htt

p://b

uta

ne

.ch

em

.uiu

c.e

du

Průnik záření do vody

ww

w.s

cu

ba

bo

ard

.co

m

Fotosyntetické pigmenty

• chlorofyly

• fykobiliny

•karotenoidy

Úloha fotosyntetických pigmentů:

• vlastní fotochemická přeměna energie v reakčních centrech (ch a)

• zachycení fotonů a přenos excitace do reakčního centra (barviva zabudovaná v bílkovinných

molekulách světlosběrných antén - ch a a b i chlorofyly c, d, fykobiliny a xanthofyly)

• ochrana fotosyntetického aparátu před nežádoucí nebo nadměrnou excitací

ww

w2

.estr

ella

mo

un

tain

.ed

u

Chlorofyly

Porfyriny - tetrapyroly s uzavřeným kruhem, vzájemně spojené metinovými můstky

fytolový řetězec – ukotvuje v membráně

iws.c

olli

n.e

du

Vznik molekuly porfobilinogenu kondenzací 2 molekul kyseliny - aminolevulové

d-aminolevulová kys.

porfobilinogen (PBG)

uroporfyrinogen

protoporfyrinogen

protoporfyrin

methyl magnesium protoporfyrin

methyl magnesium

feoporfyrin

prochlorofylid a

chlorofylid a

chlorofyl a esterifikace C 17 fytolem

oxidace

chelatace Mg2+

4x

5. izocyklický kruh

redukce

redukce

pla

ntp

hys.in

fo

Chlorofyl c

Chlorofyl d

Acaryochloris marina

Cyanophyta: chlorofyl a, (b, d) Glaucophyta: chlorofyl a Rhodophyta: chlorofyl a Chlorophyta a Charophyta: chlorofyl a, b Chrysophyceae: chlorofyl a, c2, (c3) Synurophyceae: chlorofyl a, c1 Tribophyceae: chlorofyl a, c1, c2 Eustigmatophyceae: chlorofyl a Bacillariophyceae: chlorofyl a, c1, c2, c3 Fucophyceae: chlorofyl a, c1, c2, c3 Dinophyta: chlorofyl a, c2 Haptophyta: chlorofyl a, c1, c2 Cryptophyta: chlorofyl a, c2 Euglenophyta: chlorofyl a, b

Chlorofyl v buňkách sinic a chloroplastech řas

pla

ntp

hys.in

fo

Excitace chlorofylu:

Fykobiliny, fykobiliproteiny

•tetrapyroly s otevřeným kruhem

•akcesorické pigmenty u sinic, ruduch, skrytěnek a Glaucophyt

•lineární substituované tetrapyrolové řetězce, vznikají oxidačním otevřením porfyrinového kruhu

•kovalentně navázány na bílkovinu fykobiliproteiny

fykourobilin (PUB)

fykoerythrobilin

(PEB)

fykocyanobilin (PCB)

fykoviolobilin

(PXB)

Fykobiliproteiny - liší se polohou absorbčních vrcholů a tudíž barvou

•allofykocyanin (APC) - modrá s odstínem do zelena; 650-680 nm, nese jeden fykobilin na každé a a b podjednotce •fykocyanin (PC) - fialová až tmavě modrá; 620-635 nm • fykoerythrocyanin (PEC) – fialová; 575 nm •fykoerythrin (PE) – červená; 545-565 nm

skládání fykobilisomů z podjednotek

heterodimer

Fykobilisomy

Fykobilisomy na tylakoidech v chloroplastu ruduchy Porphyridium cruentum; ultratenký řez buňkou a fykobilisomy zachycené metodou freeze-fracturing.

Fykobiliproteiny skrytěněk

• Fykobiliproteiny skrytěnek se nacházejí v lumenu thylakoidů.

• Jejich součástí jsou fykobiliny: fykoerythrobilin (PEB); fykocyanobilin (PCB); dihydrobiliverdin (DBV), bilin 584; bilin 618 a bilin 684.

• Základní stavební jednotkou fykobiliproteinů skrytěnek jsou tetraméry aa’b2, které jsou velmi stabilní. Každá a a a’ podjednotka nese 1 fykobilin a každá b podjednotka nese 3 fykobiliny

Karotenoidy • isoprenoidy, základní skelet obsahuje 40 uhlíků

•světlosběrná barviva v anténách

•Maximum absorpce 400-500 nm

•ochrana fotosyntetického aparátu před fotoinhibicí

•Primární X sekundární

polyisopreny kyslíkové = xantofyly

polyisopreny uhlovodíkové = karoteny

fucoxanthin

beta karoten

redukce

dekarboxylace fosforylace

10

15

20

Biosyntéza karotenoidů

Karotenoidy

syntéza karotenu reakce se účastní tři enzymy: •fytoen syntáza katalyzuje vznik fytoenu z GGPP •dehydrogenáza katalyzuje čtyři následné dehydrogenace (zelená šipka) •cycláza modifikuje konce molekuly

Některé xantofyly produkované de novo pouze řasami

Rozdělení karotenoidů u sinic a řas Cyanophyta: b-karoten, echinenon, zeaxanthin, myxoxanthofyl, b-cryptoxanthin Glaucophyta: b-karoten, zeaxanthin, b-cryptoxanthin Rhodophyta: a, b-karoten, zeaxanthin, (lutein, b-cryptoxanthin) Chrysophyceae: b-karoten, neoxanthin, zeaxanthin, (diadinoxanthin, diatoxanthin) Tribophyceae: b-karoten, diadinoxanthin, diatoxanthin, vaucheriaxanthin, heteroxanthin Eustigmatophyceae: b-karoten, vaucheriaxanthin, violaxanthin Bacillariophyceae: b-karoten, fukoxanthin, diadinoxanthin, diatoxanthin, zeaxanthin Fucophyceae: b-karoten, fukoxanthin, violaxanthin, (diadinoxanthin, diatoxanthin) Haptophyta: b-karoten, fukoxanthin, diadinoxanthin, diatoxanthin Cryptophyta: a-karoten, alloxanthin, monadoxanthin, crocoxanthin Dinophyta: b-karoten, diadinoxanthin, dinoxanthin, peridinin Euglenophyta: b-karoten, neoxanthin, (diadinoxanthin, diatoxanthin) Chlorophyta a Charophyta: antheraxanthin, a, b-karoten, lutein, syphonoxanthin, syphonein, neoxanthin, violaxanthin, zeaxanthin

Nadměrné ozáření

• Fotoinhibice – zvýšená ozářenost podporuje vznik kyslíkových radikálů (ROS), což poškozuje hlavně PS II – protein D1

Při nadměrném ozáření je violaxantin deepoxidován - enzym violaxantin de-epoxidáza (VDE) na antheraxantin a pak na zeaxantin. Při nízkém ozáření je zeaxantin přeměněn zpět na violaxantin enzymem zeaxantin epoxidázou (ZE)

Xanthofylový cyklus ochrana proti nadměrné ozářenosti

Nadměrné ozáření vyšší absorbce hv a přenos e- snížení pH v lumenu thylakoidu aktivace VDE (pH optimum 5,2)

VDE - při neutrálním pH (ve tmě) je mobilní v lumenu thylakoidu, při nízkých hodnotách pH se připojuje k membráně thylakoidu, kde získává přístup ke svému substrátu violaxantinu - mění konformaci xantofylů tak, že tyto zvyšují přeměnu (disipaci) přebytku světelné energie na teplo (kinetickou energii pohybu molekul).

Ochrana proti nadměrnému ozáření Chlorophyta

Streptophyta vyšší rostliny

xantofylový cyklus

Heterokontophyta Haptophyta

Euglenophyta Dinophyta

diadinoxantin

diatoxantin

Cyanophyta Cryptophyta Rhodophyta Glaucophyta

fykobiliproteiny

(chromatická adaptace)

diadinoxantin diatoxantin

Sekundární procesy fotosyntézy

glyceraldehyd-3-fosfát

izomeráza

dihydroxyacetonfosfát

fruktóza-1,6-bisfosfát

Pi

fruktóza-6-fosfát

glukóza-6-fosfát

Pi

glukóza

RuBisCO • Nejhojnější protein na Zemi

• 4 velké a 4 malé podjednotky

• Oxygenázová aktivita

– fotorespirace

• pyrenoid

Chlamydomonas

chloroplast peroxisom mitochondrie

CO2

NH3

RuP2 + CO2 + H2O 2 x 3-phospho glycerate

RuP2 + O2 3-phospho glycerate + phosphoglycolate

defosforylace

glycine

Relativní faktor selektivity RuBisCO ......Srel

popisuje schopnost RuBisCO rozlišovat mezi O2 a CO2

nižší Srel pro danou koncentraci O2 a CO2, vyšší oxygenázová aktivita – produk. více fosfoglykolátu

Proč buňky fotorespirují? 1. Pouze relikt - dříve nebylo v atmosféře tolik kyslíku 2. ochrana proti nadměrnému ozáření při nízké

koncentraci CO2 - využití přebytečné energie získané absorpcí světla, brání chronické fotoinhibici

Dostupnost CO2

• Problém vodního prostředí a fotorespirace

• Adaptace: aktivní zvyšování intracelulární koncentrace anorganického uhlíku v okolí RuBisCO– carbon concentrating mechanism (CCM)

• CCM je u všech sinic a mnoha řas – různé mechanismy, ale cíl stejný: zvýšit koncentraci CO2 v okolí RuBisCO

Sinice

Všechny sinice mají CCMs

CO2 přes PM difůzí, bikarbonát – aktivní pumpa

Karboxyzomy obsahují karbonickou anhydrázu (CA)

Prochlorococcus – Na+, bikarbonát symport

Sinicový CO2 koncentrační mechanismus: 1) Akumulace HCO3

- v cytosolu 2) Jeho transport do karboxyzómu 3) Konverze na CO2

Karboxysomy (u sinic a Glaucophyt) útvary uzavřené jednovrstevnou proteinovou membránou, obsahují enzym RubisCO a karboanhydrázu. Bílkovinný obal karboxyzomu zvyšuje karboxylázovou aktivitu Rubisco. Hypotéza: enzym obalený v karboxyzomu je nucen do konformace,

která upřednostňuje vazbu CO2 před O2.

Aktivní transport HCO3- u sinic

Energized entry of CO2 or HCO3- Plasmalemma or plastid envelope or both

rubisco in stroma/pyrenoid many algae

Energized flux of H+ to cell wall, conversion of bicarb. to CO2

plasmalemma, CO2 flux to rubisco in stroma

characean green algae

C4 metabolism Udotea, Thalassiosira weissflogii

Eukaryontní řasy Pyrenoid - obdoba karboxyzomu – ne všechny řasy s CCMs ho mají!

CCMs na PM, vnitřní plastidové membráně nebo obou

Energized flux of H+ to thylakoid lumen, conversion of bicarbonate to CO2

thylakoids, CO2 flux to rubisco in pyrenoid

freshwater green microalga Chlamydomonas

CCMs nemají

• Chrysophyceae, Synurophyceae

• někt. lichenizované kokální (Coccomyxa)

• sladkovodní ruduchy v rychle tekoucích vodách

• hlubokomořské ruduchy

• některé pikoplanktonní

Chlororespirace

spotřeba O2 na thylakoidních membránách ve tmě

oxidace

e- redukce

H+ a e- do

poolu PQ

H+ tvorba gradientu

fce: nejasná, několik hypotéz získání ATP za tmy, udržení ATP synthasy v aktivním stavu, fotoprotekce -sink pro fotosynteticky vzniklé redukční ekvivalenty (NADPH)

sinice, řasy, cévnaté rostliny – modelové organismy

Specifičnost fotosyntézy u některých sinic

Adaptace sinic na zvyšující se koncentraci sulfidů v prostředí (horké prameny, microbial mats)

•nízká koncentrace např. Synechoccocus lividus, S. elegans, tolerantní druhy s oxygenní fotosyntézou (rezistentní PSII)

•nad 200 M např. Oscillatoria amphigranulata, Microcoleus chthonoplastes, efektivní přepínání mezi anoxygenní a oxygenní fotosyntézou - adaptace na prostředí, kde kolísá obsah H2S a O2

•nad 1mM - Oscillatoria limnetica, Aphanothece halophylica, anoxygenní fotosyntéza, PSII kompletně zablokován (reverzibilně)

2H2S + CO2 [CH2O] + 2S + H2O

Oscillatoria limnetica

Nutné světlo!!