FOTOSINTEZA

• Svetloba kot energija: E = h. = h.c/

(400-700 nm); E = energija; =frekvenca;

• = val. dolţina svetlobe; h = Plankova

konstanta (6,625 .10 34 J/s); c = hitrost

svetlobe

• 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 - FOTOAVTOTROFNI

ORGANIZMI višje rastline -brstnice;

• cianobakterije, fotosintetskoaktivne

bakterije,

• evkariontske alge,

• lišaji

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; Čile)

• 3. Ţveplove bakterije:

• 2H2S + O2 H20 + S2

• S2 + 02 + H20 2 H2SO4

• H2S + 2 02 H2SO4 + 115kcal

ZAČETEK FOTOSINTEZE

• 4. Purpurne ţveplove bakterije

• CO2 + 2 H2S(donor e-, H+) (svetloba)

CH20 +H2O +2S

• Svetloba je vir energije

• Ţveplovodik vir elektronov in protonov

• Sprošča se elementarno ţveplo

Ostale oblike kemosinteze

• 5. Ţelezove bakterije (Crenothrix,

Leptothrix)

• FeCO3 (Fe++) (Fe2(CO3)3 Fe(OH)3

(Fe+++)

• 6. Metanove bakterije (Bacillus

methanicus)

• CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

FOTOSINTEZA VIŠJIH 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); sprošča se kisik

• redukcija ogljik.dioksida; nastanek org.

spojin (sladkorji, amino kisline, maščobe)

• PQ (fotosintetski količnik) = O2/CO2 = 1

(samo v idealnih razmerah!)

FAZE FOTOSINTEZE

I. SVETLOBNA FAZA: pretvorba svetlobne

energije v kemično: ATP; fotoliza vode: NADPH2

(2e-, 2H+); nastanek kisika: O2

- Poteka na tilakoidnih membranah kloroplasta

- II. TEMOTNA FAZA: redukcija CO2: nastanek

sladkorjev, aminokislin, maščob,..

-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 učinek

• svetloba kot stres (preveč, premalo,..)

• Učinki so odvisni od spektralnega sestava,

jakosti sevanja in trajanja sevanja

Prikaz fotosinteznega učinka svetlobe glede na spektrani sestav

a) Fotofizikalne reakcije:

• - absorbcija svetlobne energije:E¸= h.; fotoni; kvanti; molekule klorofila; ant. kompleksi, reakcijski centri - prenos energije do reakcijskih centrov; PSI (700nm), PSII (680nm)

• - ekscitacija in deekscitacija molekul klorofila a; glavni in pomoţni 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) Pomoţna (antenski pigmenti): pomoč pri absorbciji svetlobe (spektralni sestav; okolje!): klorofil b (c, d, e), karotenoidi, fikobilini);zaščita kloroplasta v stresnih razmerah: karotenoidi (karoteni→ksantofili; ksantofilski cikel)

Strukturne formule klorofila a, b in bakteriklorofila

FOTOSINTEZNI UČINEK

SVETLOBE

• PhAR(phtosynthetic active radiation): 400

(380) – 700 (710) nm

• Učinek je odvisen od spektralne sestave

(=energetske vsebnosti sevanja:

E=hν=hc/λ (npr. 1 mol fotonov modre

svetlobe, 490 nm, ima energijo 240 kJ, 1

mol rdeče svetlobe z val. dol 700 nm pa

le 170kJ(1E)

Učinek svetlobe na pigmentih:

• - absorbcija svetlobe in pretvorba pigmenta (kl a) iz

osnovnega (Eg) v “vzbujeno”, ekscitirano stanje (Ee): Ee-Eg = hc/λ; 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 bliţini

• - oddaja elektrona bliţnjemu prejemniku –fotokemija (Φ =št.fotokemično nastalih produktov/št. absorb. fotonov: quantum yield (fotokemični izkoristek; le reko 1)

Pomen karotenoidov

• Pomoţna absorbcija v modrem delu PhAR

• zaščita kloroplasta pred fotokemijsko

oksidacijo fotoinhibicijo

• Pomen kemijske zgradbe karotenoidov

• Vloga ksantofilskega cikla – odaptacija

kloroplasta na svetlobno okolje

B) Fotokemične reakcije

• Z-shema, Hill & Bendal 1960; izbitje elektronov v reakcijskih centrih (PSI, PSII); fotoliza vode (PSII)

• Vektorski transport elektronov iz vode ( pomoč PSI, PSII) preko prenašalcev na končne prenašalce (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)

Model fotosistema 1- PS-I kla700

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

¸Shema obeh reakcijskih centrov in pridruţenih antenskih kompleksov

Razporeditev v tilakoidah:

• Nekatere funkcionalne enote so omejene

na stromatarne tilakoide (PSI, kompleks

ATP-aze), druge na granularne, zlepljene

dele (PSII), tretje so enakomerno

razporejene po obeh vrstah tilakoid

(citohrom b6 f kompleks)

• Zlepljanje in sproščanje tilakoid omogoča

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 višje rastline

imajo PS I in PSII, ki delujeta v navezi

• Deleţ/število PSI/PSII je odvisno od

jakosti sevanja

Tok elektronov iz vode na NADP+ pojasnjuje Hil-Bendallova Z-shema;

Tok elektronov istočasno 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 prenašalcev, vezanih za oba PS v tilakoidni membrani.

• Prenos e- je istočasno spremljan s prenosom H+ iz strome kloroplasta v notranji lumen zlepljenih (naloţenih) tilakoid. Nastanek koncentracijskega gradienta (H+!) in el. polja preko tilakoidne membrane.

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

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

Kaj potrjuje hipotezo?

• - poskusi na izoliranih in intaktnih tilakoid.

membranah (meritve fluorescence,

sproščanje O2, meritve pH, toplote,

količine ATP, NADPH+H,...)

• - analize tilakoidnih membran z el.

mikroskopom in biokemične analize

sestave

• 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,

proces, ki deluje stalno in ohranja tilakoidne membrane.

Načini tvorbe ATP

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

• Kadar se NADPH+H ne porablja (teţave v Kalvinovem ciklu) steče na PS I ciklična fotofosforilizacija, tvori se samo ATP

• Ob popolni redukciji PS I lahko sprejme elektron kisik – Maehlerjeva reakcija-psevdociklična fosforilizacija

Povzetek

• Ciklična: PSI; pot e-: PSIPSI (kl a 700nm);

• Neciklična: 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+)

• Pseudociklična : 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+

• zadošča ţe neciklična fosforilizacija, a v kloroplastu ne poteka le redukcija ogljika; stresne razmere!! (poraba ATP in NADPH za reparacijo, delo,..)

OGLJIKOVE REAKCIJE (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 številni encimi-temperaturna

občutljivost

• Tvorijo se različni 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 mora biti aktiviran

• Problem je pomanjkanje CO2, še posebej

ob zaprtih reţah; tedaj vezava kisika,

RUBISCO postane RUBISO

• Potek pri večini rastlin:

• CO2 (C1) RuBP (C5)→(C6) 2PGK (C3)

Prva faza Kalvinovega cikla: karboksilacija pri C3 rastlinah (ob zadostni preskrbi s

CO2 in oksigenacija ob pomanjkanju, kar vodi v fotorespiracijo).

FOTORESPIRACIJA

• Ob zaprtih reţah zmanjka CO2

• Na isti substrat se veţe kisik ob katalizi 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)

• Rešitve: C4, CAM in C1 tipi fotosinteze

C4 FOTOSINTEZA

• Preteţno tropske trave (Poaceae,

Amarantaceae, Aizoaceae,

Chenopodiaceae)

• Preteţno zelišča, toplih, dobro osvetljenih

negozdnih habitatov in na hranilih bogatih

tal

• Dva tipa karboksilacije v listu; dimorfizem

kloroplastov in asimilacijskega parenhima

Prerez lista C4 rastline (npr. koruze): dimorfizem asimilacijskega parenhima

Celice ţilnega ovoja

z agranularnimi kloroplasti

in delno oplutenelimi cel.

stenami

Navadne celice

mezofila

Dve prostorsko ločeni karboksilaciji pri C4 rastlinah

Dimorfizem kloroplastov pri C4 rastlinah: kloroplasti celic

ţilnega ovoja nimajo PSII, agranularni kloroplasti.

Različni tipi C4 fotosinteze

CAM tip fotosinteze:

Crassualacean Acid Metabolism

• Problem odprtosti reţ pri pomanjkanju vode;

Crassulaceae, Euphorbiaceae, Aizoaceae,

Bromeliaceae, Chenopodiaceae,..

• Odprte reţe ponoči (manjše sevanje, manjša

transpiracija, vezava CO2 iz zraka)

• Podnevi reţe zaprte in izraba CO2 iz rezervoarja

C4-kislin v vakuoli

• Majhna produkcija a preţivetje v zelo sušnih

območjih (puščave, polpuščave, epifiti,..

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

C1 tip vezave

• Vodne rastline - makrofiti

• Slaba topnost CO2, visoke temperature

• V membrani epiderma je bil odkrit način

privzema CO2 po reakciji:

• CO2 (C1) + H2O (C0)→H2CO3→H+ +HCO3-

• Rastlina sprejme bikarbonat; splošni način

pasiranja membran pri vseh rastlinah!!

REDUKCIJA

• Pomeni redukcijo fosfoglicerata v triozo:

fosfoglicerin 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 teče

• Dokazano z izotopi ogljika

Pregled trajanja posameznih faz Kalvinovega cikla

AVTOKATALIZA

• Uklanjanje C3, C6 spojin iz strome; sinteza

škroba (asimilacijski škrob);

• Eksport saharoze, trioz; povezava s

sintezo drugih spojin (eritroza riboza

RNK; deoksiroboza(DNK; ); sek.

metabolizem

Sintezni procesi v kloroplastu

Prikaz izmenjave ogljikovih spojin med plastidi in citoplazmo

– translokacija asimilatov

“Pool” 4 metabolitov v ravnoteţju. Iz snovi A nastaja snov D. metabolični status celice

določa ali nastane D ali pa se “izvozi” ţe vmesni produkt (B,C).

CO2

heksoza

trioza

tetroze, pentoze

Sinteza asimilacijskega škroba v kloroplastu

Sinteza rezervnega škroba 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 = povprečna debelina lista; d= dolţina poti za CO2

• H2O/CO2; prevodnost , upornost; rs, ra, ri

• 2. O2

• FOTORESPIRACIJA; DIHANJE

• 3. SVETLOBA; 4. TEMPERATURA

• 5.VODA; 6. MINERALNA PREHRANA

• 7. BIOTIČNI DEJAVNIKI OKOLJA: Herbivori; paraziti (glive, ţivali, prokarionti)

Interni dejavniki:RASTLINA

• Vrsta, sorta

• Starost

• Fenofaza

• Organ (list, steblo, plod,..)

• Tkiva:klorenhimi (asimilacijski parenhimi),ostala tkiva

• Cela rastlina

• Trenutne meritve; akumulirana vezava

Načini meritve fotosinteze

• PQ = O2/CO2 = 1 (idealne razmere)

• Vodni ekosistemi: meritve sproščanja O2

• Kopenski ekosistemi: meritve vezave CO2

• Meritve fluorescence (oddane svetlobe)

• Meritve “pridelka” (ţetveni indeks)

• Meritve biomase v časovnih presledkih

Pomen svetlobe pri meritvah

fotosinteze:

• Multipli vplivi svetlobe, odvisni od jakosti in

spektralnega sestava

• Tipala za meritve učinkov svetlobe

(kvantna-fotosinteza, radiacijska-energija

celotnega spektra, meritve osvetlitve)

• Meritve fluorescence

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

Tipala za meritve različnih učinkov svetlobe in primeri vrednosti sevanja

Značilnosti svetilk, ki se uporabljajo za osvetljevanje rastlin pri meritvah

fotosinteze

Odboj, prepustnost in absorpcija svetlobe lista topola v odvisnosti od valovnih dolţin

“Usoda” energije vzbujenega klorofila a: pretvorba v fotokemično delo (ATP; NADPH2)

fluorescenca, 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 točke 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 način meritev; meritve spremljajočih parametrov

Svetlobna saturacijska krivulja označuje začetek stresnih razmer

Shema meritve neto fotosinteze s sistemom IRGA

Sistem za pripravo zraka

merilec Komore

kivete

Meritve velikosti fotosinteze so lahko na podlagi izmenjave CO2 posameznih

rastlin/njihovih organov-največkrat lista (slika levo) ali pa merimo izmenjavo CO2

na ravni tipa vegetacije (“eddy covariance metoda).

Svetlobne krivulje netofotosinteze rastlin različnih funkcionalnih skupin,

izmerjene pri optimalni temperaturi in “ambientalni”koncentraciji CO2

Shematski prikaz dnevnega spreminjanja izmenjave CO2 v odvisnosti od jakosti

Sevanja; C4 rastline imajo veliko večji izkoristek svetlobe kot C3 rastline; skiofiti

učinkovito izkoriščajo svetlobo šibkih jakosti

Prikaz odvisnosti dnevnega poteka fotosinteze od radiacije pri C3 (Fagus sylvatica)

In C4 rastlini (Zea mays). Izkoristek sevanja je večji pri C4 rastlini.

Vpliv vodnega reţima na potek fotosinteze

Izmenjava CO2 pri CAM rastlinah

Letna bilanca CO2 kalice cemprina na gozdni meji v Alpah