Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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!!