7. Fotosynthese, lichtreactie PDF

Preview

Summary

hst 7...

Description

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES 1. INLEIDING “Life on earth is solar-powered. The chloroplasts of plants capture light energy that has traveled 160 million kilometers from the sun and convert it to chemical energy stored in sugar and other molecules. The process is called photosynthesis.”

Planten + Cyanobacteriën + Fotosynthetische bacteriën  foto-autotrofie

hν anorganische producten

organische producten

 Fotosynthese: synthese door gebruik van licht CO2 + AH2 + hν  {CH2O} + 2Aox + H2O  

bij anoxygene organismen: AH2 = H2S, S, S2O32-, H2, organische verbindingen bij oxygene organismen: AH2 = H2O  productie van O2!

 globale reactie bij oxygene organismen: CO2 + 2H2O + hν  {CH2O} + O2 + H2O met ΔG°’ = 114 kcal 1) oxidatief gedeelte: 2 {H2O  2 H+ + 2 e- + ½ O2} 2) reductief gedeelte: CO2 + 4 {e- + H+}  {CH2O} + H2O

1) oxidatief gedeelte: in “oxygen evolving complex”, deel van fotosyseem 2 (FS2)

 e- en H+: rol in synthese van ATP en NADPH  MAAR: systeem nodig om lichtenergie te converteren in chemische energie =thylakoïdmembranen: - pigmenten: absorberen licht vb: chlorofyl a, -b, carotenoïden, - proteïnen: binden pigmenten, conversie van hν in e—transport =pigmentproteïnecomplexen: * fotosysteem 2 * fotosysteem 1 * ‘light-harvesting chlorophyll protein complex’ - ‘tussenschakels = redoxkoppels’

1

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES 2) reductief gedeelte: in “Calvin-Benson cyclus”, met verbruik van in de lichtreacties geproduceerde ATP en NADPH  systeem voor de reductie van CO2, vorming van koolhydraten: ‘Calvin-Benson cyclus’ CO2 + ATP + NADPH  {CH2O} + ADP + Pi + NADP+ - enzym: RubisCO (ribulose-1,5-bisfosfaat Carboxylase-Oxygenase) - cyclus: * synthese hexose, polymerisatie zetmeel * recuperatie CO2-bindingssubstraat, RuBP

 rol fotosynthese: 1) groei & ontwikkeling fototroof organisme (producent) (synthese van biomoleculen) 2) ecologisch belang: * bron van C-, N- en S voor heterotrofen (consumenten) * productie O2  aërobe levenswijze mogelijk 3) bron van energie en grondstoffen (voedsel, vezels, brandstoffen)

 EIGENSCHAPPEN VAN LICHT: * licht heeft eigenschappen van zowel deeltjes als golven; - golf gekarakteriseerd door een golflengte, λ, en een frequentie, ν 2

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES - relatie: c = λν met: c de lichtsnelheid - deeltje: foton, bevat een hoeveelheid energie,= quantum, discrete energiepakketjes - energie van een foton: E = hν met: h = 6,626x1034 Js (cst. Van Planck) *zonlicht: ‘regen’ van fotonen met verschillende frequenties , electromagnetisch spectrum *zichtbaar gedeelte: 400-700 nm

 ABSORPTIESPECTRUM – ELEKTRONISCHE TOESTAND: *absorptiespectrum: informatie omtrent hoeveelheid lichtenergie geabsorbeerd door een molecule en dit in functie van de golflengte, meten met spectrofotometer *Chlorofyl is groen: absorptie in blauw en rood gebied van het spectrum - absorptie van foton: overgang van grondtoestand naar geëxciteerde toestand Chl + hν  Chl* -

hogere excitatietoestanden zeer instabiel  snel verval tot 1st excitatieniveau, verlies energie door warmte

*laagst geëxciteerde toestand: leeftijd 10-9 sec *verval naar grondtoestand: - emissie van een foton  fluorescentie: golflengte iets langer dan absorptie, deel van de energie geconverteerd in warmte door terugval van exciton naar laagste vibrationeel niveau; fluorescentie chlorofyl in rood/ver-rood gebied

- volledige conversie van excitatie-energie in warmte; - transfer van energie (excitons) naar andere molecule;

3

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES - fotochemie: energie van de geëxciteerde toestand wordt gebruikt in chemische reacties  fotochemische reacties van de fotosynthese resulterend in elektronentransport (snelheid fotochemische reacties: psec, nsec)

 PIGMENTEN:

1) chlorofyl (a, b, c, d en f): * porfyrinering * Mg2+ : covalent aan ring A (I) en C (III) * gecoördineerd aan ring B II) en D (IV) * cyclopentaanring E aan ring C * via propionzuur, fytolstaart (lange koolwaterstofketen, 4 isopreeneenheden één C=C) aan ring IV 12  chl a: methylgroep op ring B / chl b: formylgroep op ring B

2) carotenoïden: * rood, geel, oranje * 2 x 6-C ringstructuren, koolwaterstofketen * polymerisatie van isopreeneenheden * basisstructuur: lycopeen, C40H51 carotenen: -α: 1 α- en 1 β-iononering -β: 2- β-iononeringen

Absorptiespectra pigmenten:

4

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES

 actiespectrum: relateert de respons van een biologisch systeem aan licht als een functie van de golflengte

 PIGMENTPROTEÏNECOMPLEXEN * complexen: opgebouwd uit “light-harvesting antennas” en “reaction centres” - conversie van energie van een vorm naar een andere vergt de coöperatie tussen pigment-moleculen en een groep en elektronen transferproteïnen * pigmenten werken als antennacomplexen: collecteren licht en transfereren dit naar het reactiecentrumcomplex  chemische redoxreacties resulteren in lange termijn stockage van energie  reactiecentra en antenna-complexen: integrale componenten van fotosynthesemembranen

* Efficiëntie fotosynthese: - alhoewel kwantumopbrengst in optimale condities bijna 100% is, is de efficiëntie van de energieconversie in chemische energie veel lager!!

5

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES - absorptie van rood licht van 680 nm  totale energie-input is 1760 kJ per mol O2 gevormd  meer dan voldoende om de fotosynthesereactie aan te sturen CO2 + H2O + hν  {CH2O} + O2 met een standaard vrije-energie verandering van + 467 kJ mol-1 ! de efficiëntie is bijgevolg 27% opmerking: * kwantum-efficiëntie: maat voor de fractie van geabsorbeerde fotonen betrokken in fotochemie * energie-efficiëntie: maat voor de hoeveelheid energie van de geabsorbeerde fotonen die gestockeerd wordt als chemische energie * conversie in biomassa: 4,3% voor C3 planten en 6% voor C4 planten

 REDUCTIE VAN NADP+ EN VORMING VAN ATP * globaal proces fotosynthese is een chemische redox-reactie: 1937 Robert Hill - gebruik van ijzerzouten, geïsoleerde thylakoïdmembranen en licht: Fe werkt als oxidans i.p.v. CO2  de zgn. Hill-reactie: 4 Fe3+ + 2 H2O  4 Fe2+ + O2 + 4 H+ - verschillende artificiële elektronendonoren en acceptoren worden gebruikt in de studie van het elektronentransport, - het aantonen van O2 productie in afwezigheid van CO2 leidde tot de hypothese dat zuurstof afkomstig is van water en niet van kooldioxide. in normale fotosynthese: * reductie van NADP+ tot NADPH * vorming van ATP als resultaat van elektronentransport * beide worden dan gebruikt in de Calvin-Benson cyclus voor de reductie van koolstof

 2 FOTOSYSTEMEN WERKEN IN SERIE * meten van kwantumefficiëntie in functie van de golflengte  “red drop”

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES * over zichtbaar golflengtegebied (400-700 nm), kwantumopbrengst is vrij constant, maar plots veel lager na 680 nm  niet te wijten aan daling in absorptie door pigmenten! * versterkingseffect (“enhancement effect”): meten van de fotosynthese p 2 verschillende golflengten en dan simultaan. * resulteert in hypothese: er zijn 2 fotochemische complexen, fotosysteem I en fotosysteem II (FSI en FSII)

 Z-SCHEMA (= elektronentransport): Fotosysteem I: -

absorbeert preferentieel ver-rood licht (> 680 nm) produceert een sterk reductans voor de reductie van NADP+ en een zwak oxidans Fotosysteem II:

-

absorbeert preferentieel rood licht (680 nm) produceert een sterk oxidans voor de oxidatie van water en een zwak reductans

 ORGANISATIE FOTOSYNTHESE-APPARAAT: STRUCTUUR PLASTIDEN * structuur plastiden:

7

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES - chloroplast: groen, chlorofyl - chromoplasten: oranje, carotenoïden - leucoplasten: kleurloos ° amyloplasten ° proteïnoplasten ° elaioplasten - etioplasten: donker - proplastiden: voorlopers

 THYLAKOÏDEN BEVATTEN INTEGRALE MEMBRAANPROTEÏNEN * reactiecentra, antenna pigment-proteïnecomplexen en de meeste elektronentransportproteïnen zijn integrale proteïnen * de proteïnen hebben een stroma-domein en een lumen-domein * de pigmenten, chlorofyl en de accesorische pigmenten, zijn steeds op een niet-covalente wijze geassocieerd met de proteïnen en vormen de pigmentproteïnecomplexen

 RUIMTELIJKE SCHEIDING FSI EN FSII * FSII reactiecentrum en geassocieerde antennacomplexen zijn vnl. gelokaliseerd in de granalamellen * FSI met geassocieerde antenna, elektronentransferproteïnen en ATPase zijn exclusief in de stromalamella en aan de randen van de granalamellen gelokaliseerd * het cytochroom b6 /f complex is evenredig verdeeld * elektronendragers die diffunderen van grana- naar stromalamella: plastoquinon (PQ) en plastocyanine (PC)

* spatiale scheiding: - strikte 1:1 stoïchiometrie tussen FSI en FSII is niet nodig - FSII levert reducerende equivalenten in een gemeenschappelijke pool van lipideoplosbare elektronendrager, plastoquinone 8

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES - FSI oxideert deze reducerende equivalenten uit de pool en dus niet van een individueel FSII-RC - bij eukaryote chloroplasten is de verhouding FSII/FSI = 1,5 (wisselt naargelang de lichtcondities): bij Cyanobacteria is er meer FSI dan FSII * Prokaryota: - anoxygene organismen beschikken meestal over 1 fotosysteem: purperbacteriën equivalent van FSII, groene zwavelbacteriën en heliobacteriën equivalent van FSI - voeren meestal een cyclisch elektronentransport uit, geen netto oxidatie of reductie - gedeelte van de energie van de fotonen wel gebruikt voor synthese ATP

 ORGANISATIE “LIGHT ABSORBING ANTENNA SYSTEMS” * antennasystemen bevatten chlorofyl en zijn membraan geassocieerd: - fysisch mechanisme van transfer van excitons van antenna pigmenten naar RC: fluorescentie resonantie energietransfer (FRET) (transfer van energie van een molecule naar een andere door een niet-radiatief proces) - efficiëntie van energietransfer afhankelijk van afstand, relatieve oriëntatie en vibratiefrequenties - energietransfer in antenna zeer efficiënt: 95-99% van geabsorbeerde fotonen transfereren energie naar RC 30

 FLUORESCENTIE RESONANTIE ENERGIETRANSFER (FRET) = afstands afhankelijke interactie tussen elektronisch geëxciteerde toestanden van twee “kleurstoffen” waarbij de excitatie-energie van een donormolecule naar een acceptormolecule wordt getransfereerd zonder emissie van een foton voorwaarden: - afstand tussen beide moleculen tussen 1 en 10 nm - overlap tussen absorptiespectrum acceptor en fluorescentiespectrum donormolecule - de oriëntatie van de transitiedipolen van beide moleculen is ongeveer parallel

 ORGANISATIE “LIGHT ABSORBING ANTENNA SYSTEMS” * Kanalisatie energie naar RC: - absorptiemaxima van pigmenten progressief hoger richting RC - Chl b, 650 nm, naar Chl a, 670 nm  energieverlies als warmte - waarschijnlijkheid op terugtransfer van energie is zeer klein

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES  directionaliteit van energietransfer

 ELEKTRONENTRANSPORT: RELATIE COMPLEXEN

 VASTLEGGEN ENERGIE *absorptie van licht: excitatie van [chl2 ] in RC - is de promotie van een elektron van een “gevuld” donororbitaal naar een “leeg” acceptororbitaal - wijziging in redoxpotentiaal - transfer van het elektron mogelijk naar een acceptormolecule, bv. feofytine 10

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES - resulteert in een fotochemische reactie: ‘chl’ in geoxideerde, ‘feo’ in gereduceerde toestand, gevolgd door ‘quinon A’  ladingsscheiding over de membraan  begin van het elektronentransport

 LICHT-REACTIES Reacties: P680 Feo QA QB + hν  P680+ Feo- QA QB  P680+ Feo QA- QB  P680+ Feo QA QB- (chla)2+-radicaal: E’° = + 1,1 eV  sterk oxidans  ‘zuigt’ e- weg van D1-Tyr161 (Z) Z P680+ Feo QA QB Z+ P680 Feo QA QB(e--deficit in Z: hersteld door oxidatie van Mn-atoom in OEC) reductie van plastoquinon:  P680 Feo QA QB- + hν  P680+ Feo- QA QB P680+ Feo QA- QB P680+ Feo QA QB2- + 2H+  P680+ Feo QA QBH2 de twee PQ’s , PQA en PQB zijn gevonden aan het RC  volledig gereduceerd plastohydroquinon dissocieert van het RC-complex en migreert naar het hydrofoob gedeelte van de membraan en diffundeert naar het cyt b6 /f complex

* oxidatie van water: in het OEC via een Mn-cluster 2H2O + hν  4 e- + 4 H+ + O2 - Joliot & Kok (1960): bestralen van donker ge-adapteerde chloroplasten met verzadigde lichtlitsen gedempte oscillatie in zuurstofproductie; oscillatie met een periodiciteit van 4: maximale O2-opbrengst bij 3, 7, 11, … flitsen - model: zgn. S-klok: S0, S1, S2, S3 en S4 - het OEC bevat 4 Mn-atomen in of 2 dimeren of 1 tetrameer; oxidoreductietoestanden Mn2+ , Mn3+ , Mn 4+ en Mn5+ - ook Ca2+ en Cl- ionen eveneens essentieel

11

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES  lichtreactie:

* cytochroom b6/f complex en de Q-cyclus: schakel tussen FS2 en FS1 - proteïnen met 2 b-type (cytochroom b6) en 1 c-type heem (cytochroom f) (b-type nietcovalent, c-type wel covalent gebonden): Fe2+ ↔ Fe3+ - Fe-atoom: 6 coördinatiebindingen: ° 4 met N-atomen pyrroolkernen; planaire structuur ° 2 met His-residu’s, verticaal gepositioneerd t.o.v. porfyrinering 43

 CYTOCHROME B6/F COMPLEX structuur van de prosthetische groep van type c- en b-cytochroom:

12

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES

* cyt b6/f-complex: 2 bindingsplaatsen voor Q: - Qo (= Qp)-plaats: oxidatie van quinol, lumen - Qr (= Qn)-plaats: reductie van quinon, stroma * oxidatie van PQH2 via Rieske Fe-S eiwit: (+300mV) - één elektron via Fe-S naar cyt f (+340mV) - afgave 2 H+ - één elektron via cyt b6L (-50mV) en cyt b6H (-150mV) naar quinon, vorming van semiquinon - oxidatie 2° PQH2 aan lumen-zijde - aan stroma-zijde vorming van Q 2- , opname 2 H+ - herhaling scenario  Q-cyclus 45

FS1: (RC = P700), chl a dimeer; excitatie  ladingsscheiding  (chl a)2+, reductie door PC: (chl a)2+ + Cu+ (PC)  (chl a)2 + Cu2+ (PC) (antenna met 100 Chl is integraal deel van RC) - geëxciteerd e- via chl a (A0), fylloquinon (vit.K1; A1), 3 Fe-S proteïnen (FX, FA en FB) naar ferredoxine (Fd)

ferredoxine: - (11 kDa), 2Fe-2S proteïne met E’° = -420 mV; stroma-zijde - bindt aan pos. bindingsplaats aan D-subeenheid (psaD) van FS1-complex 13

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES - één e--reductie - e- verder door naar NADP+ via ferredoxin-NADP reductase - 2Fd(Fe2+) + NADP+ + H+  2Fd(Fe3+) + NADPH * cyclisch elektronentransport: - in niet-cyclisch systeem: vorming van NADPH en ATP in een 1:1 verhouding; - voor reductie van CO2, meer ATP nodig:  cyclisch elektronentransport: e- van FS1 via cyt b6/f en Q-cyclus terug naar FS1, opbouw pH-gradiënt  cyclische fotofosforylatie

fotofosforylatie: = fotosynthetische ATP-productie - lichtreacties: energie van licht omgezet in kinetische energie van een elektronentransport stockage onder de vorm van potentiële energie in een pH-gradiënt

* ΔpH: energierijke intermediair  energie nodig om 1 mol ATP te produceren: (vergelijking van van ‘t Hoff): ΔG = ΔG’° + RTln{[ATP]/[ADP][Pi]} - ΔG’° voor synthese ATP: ΔG’° = 30.5 kJ mol-1 - [ATP], [ADP] en [Pi] afhankelijk van fysiologische toestand, bv.: [ATP] = 2.5 10-3 mol l-1; [ADP] = 0.5 10-3 mol l-1; [Pi] = 5 10-3 mol l-1; (met R = 8.32 J (mol K)-1 en T = 298 °K), is de energie nodig voor synthese van 1 mol ATP:  ΔG = + 47.8 kJ mol-1 of: (proton motive force) Δp = ΔE – 59 (pHi - pH0), met ΔE, de transmembranaire elektrische potentiaal en ΔpH het pH verschil over de membraan 51

14

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES * structuur en functie H+-ATPase: - oplosbare factor (CF1), katalyseert synthese ATP  CF1: α3 (55), β3 (54), γ1 (36), δ1 (21), ε1 (15 kDa) - membraan gebonden factor (CF0), flux van H+ doorheen membraan  CF0: a, b, b’ en c14 - H+-flux via Asp61 in het midden van C-terminale αhelix van subeenheid III, inhiberen door DCCD (dicyclohexylcarbodiimide)

 beweging van H+ induceert conformationele veranderingen in katalytische site  wijziging in bindingsaffiniteit van ATP, ADP en Pi  drie nucleotide-bindingsplaatsen: alleen op de β-subeenheden  energie nodig: + 30.5 kJ mol-1 voor synthese ATP, als [ATP], [ADP] en [Pi] = 1 mol l-1 en een [H2O] = 55 mol l-1  [H2O] = 10-4 mol l-1  energie nodig voor ATP-productie: + 2,2 kJ mol-1  katalytische site: hydrofobe omgeving reactieve plaatsen  synthese van ATP “spontaan”!!!  stoïchiometrie: ieder van de c14 subeenheden kan een H+ transporteren  aantal H+ getransloceerd per ATP is 14/3 = 4.67

* drie conformatietoestanden: - L: bindt ADP en Pi ‘losjes’ (katalytisch niet actief) - T: bindt ADP en ATP sterk (katalytisch actief) - O: bindt ADP en ATP ‘losjes’ (katalytisch inactief)  bindingswijzigings-hypothese: cyclisch verloop

* bij overmaat licht:  productie van toxische stoffen zoals superoxide, singlet zuurstof, peroxide en schade

15

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES

* Mehler-reactie: - e--transfer naar O2 (van FS1, FS2 en cyt b6/f) - vorming van superoxide radicalen: O2•- reactie met metaalionen zoals Fe: O2•- + Mn+  O2 + M(n-1)+ - eliminatie door SOD: superoxide dismutase: 2O2•- + 2H+  O2 + H2O2 - verdere reactie: H2O2 + M(n-1)+  OH- + OH• + Mn+ - OH•: agressieve molecule, schade aan proteïnen en nucleïnezuren - verwijderen van H2O2 door ascorbaat peroxidase (AscPOD): ascorbaat-glutathion cyclus - 2 Asc + H2O2  2 monodehydro-ascorbaat + H2O - vorming van singlet zuurstof: door ‘intersystem crossing’: 1Chl*  3Chl* - 3Chl* + 3O2  1Chl + 1O2*, sterk oxidans

* Carotenoïden als beschermende agentia: fotoprotectie - quenching van geëxciteerde toestand van Chl, geëxciteerd car niet voldoende energie om singlet zuurstof te vormen  energie weg als warmte 16

PLANTENFYSIOLOGIE 1.LICHTREACTIES 3

Chl*/ 1O2* + β-car  Chl/O2 + 3β-car  β-car + warmte

* xanthofyl-cyclus: ‘non-photochemical quenching’, is in principe de quenching van de fluorescentie  grote fractie van de excitaties worden geconverteerd naar warmte

 METABOLISME CHLOROFYL: AFBRAAK * afbraak in senescerend weefsel: - verwijdering van de fytolstaart door “chlorophyllase” - verwijdering van Mg door “magnesium de-chelatase” - opening van profyrinering door een “oxygen-dependent oxygenase” tot een open tetrapyrrool keten - verdere modificatie tot water oplosbare, kleurloze producten - export vanuit senescerende chloroplasten naar vacuole, permanente opslag - proteïne worden wel gerecycleerd in nieuwe proteïnen, rol in N-metabolisme plant.

17...