Modul: Fotosyntéza

Primární (světelná) fáze fotosyntézyFotosyntetický aparát, světlosběrné antény a fotosystémyElektronotransportní řetězce a tvorba NADPHProtonový transport a syntéza ATP v chloroplastechSekundární(temnostní) fáze fotosyntézyCalvinův cyklus a C3 rostliny C4 a CAM rostliny Tvorba sacharozy a škrobu

Inovace studia botaniky prostřednictvím e-learningu CZ.1.07/2.2.00/07.0004

6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + 6H2O + 6O2

versus

CO2 + H2O = (CHOH) + O2

1.Nejdůležitější proces na Zemi – tvorba O2 = modrá planeta, zásoby fosilních paliv, život na Zemi

2.Jediný spojník s vesmírem, umožňuje transformovat energie světelného kvanta v chemickou energii uloženou v sacharidech

2,83 MJ

Fotosyntéza slouží jako primární zdroj org. molekula jako zdroj atmosferického O2

Rozdělení:

1. Světelná fáze fotosyntézy- fotolýza (štěpení) vody + elektrontransportní reakce

primární pochody fotosyntézy (fotochemická část), tvorba ATP + NADPH

2. Temnostní fáze fotosyntézy- fáze fixace CO2 a tvorby sacharidů

sekundární pochody fotosyntézy (syntetická část), spotřebují se produkty primární fáze (ATP, NADPH)

Fotosyntéza probíhá zejména v listechVnější povrch - je dán tvarem listu – plochý orgán, uzpůsobený k maximální

absorbci světelného záření a k maximálnímu zkrácení transportních drah (výměna plynů).Povrch koule a listu o stejném objemu 4,85 : 100 !

Vnitřní povrch - probíhá v mezofylu, hraničí s intercelulárami (tvoří 20-50% objemu listu)- je 10-20x větší než jeho vnější povrch

Využití dopadajícího záření – (anatomická stavba, obsah pigmentu, sklon listu k záření, fyz. adaptace)

20% propouští, 25% odráží, 55% absorbuje (90-95 % se ztrácí v podobě tepla)

Světlo je elektromagnetické zářeníMá vlnovou i částicovou povahu. Světlo patří mezi elektromagnetické vlnění a pohybuje se světelnou rychlostí (3 x 108 m.s-1). Má k sobě kolmé složky (elektrickou a magnetickou) určité vlnové délky ()a frekvence (). Světlo má i částicový charakter (foton) nesoucí určitou energii (světelné kvantum, E = h).

Slunce produkuje elektromagnetické záření všeho druhu

Světlo je základním motorem fotosyntézyFyziologický účinné záření 320 – 800 nm

Viditelné záření 360 – 760 nm

Fotosynteticky účinné záření 400 – 700 nm

Spektrum viditelného zářeníUV Infračervené

CHLOROFYLY – absorbují v modré a červené oblastizelené světlo (550 nm) se odráží, rostliny vidíme zeleně

Absorbce fotonuChla + h = Chla*

- modré a červené světlo excituje chlorofyl různou energií (modré – kratší červené - delší

Chlorofyl excitovaný modrým světlem je nestabilní a okamžitě odevzává část E kololí ve formě tepla a sestupuje na nižší excitační hladinu.

Chlorofyl může z nižší excitační hladiny vykonat 4 dráhy:1)Remituje foton → fluorescence (ztráta E, emise světla o aztráta cca 10%).2)Návrat na původní stabilní hladinu doprovázený výdejem tepla.3)Přenos energie fotonu na jinou molekulu, např. další molekulu barviva,…4)Fotochemická reakce – foton vyvolá fotochemickou reakci → z molekuly chlorofylu se

uvolní elektron (e-)

Chloroplastová barviva - zelené chlorofyly a + b, karotenoidy, xanthofyly, karoteny (všechna jsou vázána na bílkoviny)

Chloroplastová barviva - zelené chlorofyly a + b, c + d u prvoků a cyanobakterií – absorbují v různých oblastech viditelného světla

Chlorofyly – v každém chloroplastu je asi 600 miliónů molekul chlorofylu.

- porfyrinový systém sestavený ze 4 pyrolových kruhů spojených methinovými skupinami. Uprostřed je dvoumocný Mg2+ (vitamin B12, hemoglobin).

- fytol alkohol s 20-ti uhlíky – podmiňuje rozpustnost v tucích. Chla - methylová skupina, Chlb - aldehydická skupina.

- absorbcí světelných kvant v modré a červené oblasti dochází k excitaci chlorofylu a předání elektronu s energií na akceptory (oxidačně-redukční reakce).

Chloroplasty - organely v nichž probíhá fotosyntéza

- zelená tělíska o průměru 5-10 µm - tvar - vřetenovitý, bochníčkovitý, thylakoidy a grana

- počet 10-10000

- dvě dvojité membrány – mezi stroma, uvnitř thylakoidu je lumen

- stroma obsahuje enzymy Calvinova cyklu, plastidovou DNA, mRNA, ribosomy, škrobová zrna, lipidy, aj.

- stroma – průběh sekundárních procesů fotosyntézy, translace, transkripce.

Ve stromatu se nachází membránový thylakoidní systém – 2 typy thylakoidů

1) granální – silně zploštělé kruhovité měchýřky, (PSI , PSII)

2) intergranální – zploštělé trubky probíhající stromatem – spojnice mezi grany (PSI)

V lipidické dvojvrstvě thylakoidní membrány jsou přítomny bílkoviny a jejich komplexy s dalšími látkami (chlorofyly).

Lumen – vnitřní prostor thylakoidů, vyplněný roztokem solí, (prim. reakce fotosyntézy

Vnější membránaVnitřní membrána

Grana PS II.

Thylakoidy

Stroma Stromatální lamely PS I.

Mezimembr.prostor

Thylakoidní membrána

a lumen thylakoidu

Plastochinon

ATPSyntasa

Cytochrom b6f P700

PSI

Fd

Lumen

P680PSII

ATPADP Pi

PC

NADPH+HNADP+

H2O O2

H+

H+

H+

4H+

H+

2H+

e-e-

e-

Stroma

Elektroch.potenciál

FNR

PQH2

PQ

Proteinové komplexy tyhalkoidní membrány

Organizace gran – obsahuje integrální membránové proteiny

PSI PSI

PSIPSI

PSI

PSIIPSII

PSIIPSIIPSII

PSII

PSII

PSII

PSII

PSII PSII

Cytb6f

Cytb6f

Cytb6f

Cytb6f

Cytb6f

Cytb6f

Cytb6fCyt

b6f

Cytb6f

ATP

ATPATPATP

ATPATP

LHCI dimer

LHCII trimer

PSII

LHCI dimer

LHCI dimer

Zachycovací centra – LHC – light harvesting complex (světlosběrný komplex): past na fotony

1)Předávají fotony na chlorofyly reakčního centra – anténní komplex zásobuje reakční centrum dostatkem fotonů.

2)Jsou tvořena komplexem barviv. Zajišťují absorpci a resonanční molekulární přenos fotonu do reakčního centra až na aktivní chlorofyl. Reakční centra: u PSI je absorpční maximum 700 nm, u PSII je absorpční maximum 680 nm. Základem LHC je protein procházející membránou, na kterém jsou zavěšeny jednotlivé molekuly barviv.

3) V LHC probíhá přenos energie excitovaného chlorofylu na sousední molekulu v membráně (2500 Chl/O2). V této molekule se resonancí excituje elektron, který je předán v rámci PSI nebo PSII na další akceptorové molekuly, většinou také barviva.

4)Hillova reakce (1937) na světle redukují izolované thylakoidy Fe3+ na Fe2+ (4Fe3+ + 2H2O → 4Fe2+ + O2 + 4H+). Akceptory elektronů mohou být různé látky. Prokázal, že O2 je uvolňován z vody a ne z CO2.

karotenChlorofyl

a

Chlorofylb

xantofyl

Listovábarviva

Reakční centrumP680

Donor e-

Akceptor e-

Slunečnízáření

Struktura anténního systému ve spojení s reakčním centrem fotosyntézy

Vysoký NízkýGradient excitační energie

Organizace anténního systému (rozdílné u různých organizmů)- Dodává energii do reakčního centra fotosyntézy (fotosyntetizující bakterie 20-30 molekul

bakteriochlorofylu, vyšší rostliny 200-300 mol Chl, některé bakterie až několik tisíc)- Transfer energie fluorescenční rezonancí (FRET) – příklad ladící vidličky, vysoce

efektivní přenos (95-99%). Přenos možný pouze z Chlb (650 nm)→ Chla (670 nm); Chlb má větší E, stejně tak karotenoidy, fycoerythrobiliny, xanthofily; E se ztrácí ve formě tepla

- Tento přenos energie umožňuje směřování toku energie fotonu do reakčního centra → Chla (680 a 720 nm)

- Molekuly chlorofylů jsou zavěšeny na LHC proteinech.

• Elektrontransportní řetězce a mechanizmy transportu elektronů- základem elektrontransportních řetězců v thylakoidní membráně jsou fotosystémy (PSII –

produkuje silné oxidans → oxiduje H2O; , PSI – produkuje silné reduktans → tvorba NADPH + H+)- řada za sebou zapojených a podle redoxního potenciálu vzestupně seřazených redoxních

systémů - předávání elektronů mezi PSII a PSI pomocí dalších redox systémů: cytochrom b6f, plastocyanin,

feredoxin, …- zigzag(Z)-schéma – zaručuje vytlačení elektronu na energetickou hladinu s vysokým redox

potenciálem (-1.5 V)

O2-vyvíjejícíkomplex

Yz

P680

P 680*

Qa

Qb

QFeSr

Cyt b

Cyt b

Cyt f

PC

P700

Světlo

Světlo

P 700*

FeSx,a,b

Fd

A0-1

FNR

Cytochrom b6f

komplex

NADPH

2H2O O2+4H+

Z-schéma fotosyntézy

PheoA

Fotochemická fáze fotosyntézy – Oddělená fotochemická centra PSI (700 nm) a PSII (680 nm) – aktivace 2

rozdílnými světelnými kvanty.

Necyklický transport elektronů – - Fotosystém PSII –

V reakčním centru PSII dojde k excitaci Chla a následnému přenosu e- na pigmentový akceptor (Chla se stane silným oxidans!) a dál proběhne přenos elektronu s vysokým energetickým potenciálem na další oxido-redukční přenašeče (většinou pigmenty – pheofytin A, plastocinony Qa a Qb). Donorem e- je H2O a konečným akceptorem je NADP+.

- Oxidativní štěpení vody (fotolýza) – chlorofyl a přitáhne z OEC e- a zoxiduje se, donorem elektronu je voda. Z H2O jsou postupně stahovány 4H+ do lumenu, 4e- na Chla a O2 uniká do atmosféry. V OEC 4-krát Mn2+, který prochází S-stavy (S0, S1,S2,S3,S4) a v posledním kroku dochází k uvolnění O2. Spotřeba 5 světelných kvant (vysoká účinnost!) Potřebný je i Cl- a Ca2+.

Transport z PS II na PS I

- transport e- z PSII na pheofytin a pak na plastochinon QA a QB, přechod z jedno na dvou-elektronový transport: 2 e- a 2 H+ z vnější na vnitřní stranu thylakoidní membrány (člunkování plasto/hydro/chinonu). Plastohydrochinon, který vzniká se odpojí od reakčního centra.

- navázání na cytochrom b6f-komplex = předá se e- na plastocyanin, uvolnění 2H+ do lumenu

- plastocyanin (mobilní protein) – přenos do reakčního centra PSI (P700), migruje v lumenu po thylakoidní membráně

PSII PSIP700

PC

e-

e- e-

e-

e-e-

QH2

Q

Q

Qs

FeSr

Cyt f

Cyt b

Cyt b

2H+

Stroma

Thylakoidní membrána

Cytochrom b6f

PlastocyaninLumen

Transfer elektronů v cytochromu B6F – lineární elektronový transport na PSI (FESR – Rieske protein)

PSII PSIP700

PC

e-

e- e-

e-

e-e-

QH2

Qs

Q

FeSr

Cyt f

Cyt b

Cyt b

2H+

Stroma

Thylakoidní membrána

Cytochrom b6f

PlastocyaninLumen

2H+

QH2

Transfer elektronů v cytochromu B6F a Q cyklus (e- se vrací přes Cyt b6 na plastochinon)

LHC PQ H2

PQ

OEC

P680

PQ

Cyt

LHC

P700 Fd(FNR)

PC

O2

2H+1/2O2+2H+H2O

Svět. záření

2H+

2e-

NADP+

NADPH

ATP syntasa

2H+

2H+

ADP+P+

ATP

Svět. záření

Lumen thylakoidu

Thyl. membrána

Stroma

2e-

PS II

PSI

Elektroch.potenciál

Lineární transport elektronů a tvorba NADPH

Transport el. z PSI na NADP+

- exitace PSI fotonem (700nm), uvolněn e- (silné reduktans) + přijímá e- z plastocianinu (mobilní protein obsahující Cu2+) - přenos 2 e- na Fd lokalizovaný na vnější straně thylakoidní membrány, přes FeS centra- působením Fd-NADP reduktasy (FNR) přenos e- na NADP+

+ H+ ze stromatu

- vzniká NADPH + H+

O2-vyvíjejícíkomplex

Yz

P680

P 680*

Qa

Qb

QFeSr

Cyt b

Cyt b

Cyt f

PC

P700

Světlo

Světlo

P 700*

FeSx,a,b

Fd

A0-1

FNR

Cytochrom b6f

komplex

NADPH

2H2O O2+4H+

Transport elektronů z plastocyaninu (PC) na PSI a tvorba NADPH

PheoA

Cyklický transport elektronůPůsobením zářivé energie v PS I (P700) je tok elektronů veden z feredoxinu

zpět na plastochinon a dál na cytochromový komplex za účelem posílení tvorby plastohydrochinonu.- posílení transportu 2H+ do lumenu- posílení tvorby ATP na úkor NADPH

LHC PQ H2

PQ

OEC

P680

PQ

Cyt b

LHC

P 700 Fd(FNR)

PC

O2

2H+1/2O2+2H+H2O

Svět. záření

2H+

2e-

ATP syntasa

2H+

2H+

ADP+P+

ATP

Svět. záření

Lumen thylakoidu

Thyl. membrána

Stroma

2e-

PS II

PS I

Elektroch.potenciál

Cyklický transport

Fotofosforylace – tvorba ATP

Na thylakoidní membráně se vytváří gradient protonů (H+) – v lumenu se zvyšuje koncentrace H+ vlivem fotolýzy H2O a člunkováním plastohydrochinonu . Zpětný tok protonů z lumenu do stromatu pohání enzymatickou syntézu ATP (fosforylace) pomocí ATP-syntasy (ADP + P → ATP).

Vznik gradientu - oxidační rozklad vody – fotolýza- pumpování protonů při necyklickém přenosu- posílení toku H+ při cyklickém přenosu- vazbou H+ na NADP+ při jeho redukci ve

stromatu

ATP-syntasa: dvě části CFo – hydrofobní komplex bílkovin prostupující membránou, tvoří „cestu“ pro pohyb protonů; CFo rotuje v púrůběhu syntézy ATP, 3ATP/otáčka, 14H+/3 ATP.CF1 – hydrofilní proteiny na povrchu membrány (trčí do stromatu) obsahující vazebná místa pro ADP a anorganický fosfát; 3 kopie a polpetidů, + ,,.ATP-syntasa se točí!!, nanomotor poháněný H+

Plastochinon

ATPsyntasa

Cytochrom b6f P700

PS I

Fd

Lumen

P680PSII

ATPADP Pi

PC

NADPH+HNADP+

H2O O2

H+

H+

H+

4H+

H+

2H+

e-e-

e-

Stroma

Elektroch.potenciál

FNR

PQH2

PQ

Primární fáze fotosyntézy - shrnutí1)Primární fáze slouží ke tvorbě ATP a NADPH, odpadním

produktem je O2

2) Energie na tvorbu ATP a NADPH pochází z energie fotonů, které jsou zachyceny antenními systémy a předány do reakčních center fotosystémů I a II. PSI a PSII umožní přeměnu energie fotonu v chemickou energii elektronu uvolněného z chlorofylu a po jeho excitaci.

3)Klíčový je přenos uvolněného elektronu elektrontransportními řetězci v rámci Z-schématu, zvýšení jeho redox potenciálu a tvorba protonomorického napětí (zajištují integrální proteiny thylakoidní membrány PSII+LHCII, PSI +LHCI, Cyt b6f, ATP-asa).

4)Cyklický a necyklický transport elektronu umožňuje rostlinám měnit poměr mezi produkovaným ATP a NADPH.