Fotosynteza - Szczegółowy opis fazy jasnej i ciemnej fotosyntezy z uwzględnieniem budowy ATP-azy, PDF

Preview

Summary

Szczegółowy opis fazy jasnej i ciemnej fotosyntezy z uwzględnieniem budowy ATP-azy, oraz częściowy opis Fotooddychania. ...

Description

FOTOSYNTEZA Fotosynteza jest procesem, w którym organizmy zawierające aparat fotosyntetyczny (rośliny wyższe, glony, bakterie fotosyntetyzujące) w serii reakcji uzależnionych od światła syntetyzują związki organiczne z atmosferycznego CO2. Wykorzystują przy tym energię światła słonecznego (a dokładniej energię promieniowania fotosyntetycznie czynnego (PAR) w zakresie 400-700 nm) i elektrony pochodzące z wody. Uwalniają przy tym O2 (z fotolizy wody) potrzebny do procesów oddechowych komórek zwierzęcych, roślinnych i bakteryjnych. Tlen uwalniany jest w ilości równoważnej do ilości wiązanego CO2. 1. Wszystkie substancje organiczne konieczne do życia współczesnych komórek są produktami fotosyntezy 2. Organizmy fotosyntetyzujące zamieniają zaabsorbowaną energię świetlną w chemiczną 3. Energia chemiczna służy do pokrycia zapotrzebowania w endoergicznym procesie syntezy związków organicznych 4. Fotosynteza jest procesem odwrotnym do spalania glukozy, a ilość energii potrzebna do syntezy heksozy jest taka sama jak uwolniona podczas jej spalania

JASNA FAZA FOTOSYNTEZY Faza świetlna (reakcje świetlne) – proces fotochemiczny składający się z dwóch reakcji zależnych od światła zachodzących sekwencyjnie z udziałem PSII i PSI połączonych reakcją niefotochemiczną z udziałem kompleksu cytochromów b6f. Zachodzi w błonach/membranach tylakoidów gran w chloroplastach. Polega na rozszczepianiu (fotolizie) wody pod wpływem energii świetlnej pochłoniętej i przetworzonej przez chlorofil. W wyniku rozszczepiania wody wydziela się tlen, uwolniony zostaje H+ oraz elektron co prowadzi do powstania siły asymilacyjnej w skład której wchodzą NADPH2 oraz ATP. reakcja ogólna fazy jasnej tlenowych autotrofów: 6 H2O+ 6 CO2+ EN. ŚWIETLNA-> C6H12O6+ 6O2 * (H2) oznacza zgromadzenie potencjału redukcyjnego w postaci NADPH

NADP ( forforan dinukleotydu)- zawiera zapas wodoru pochodzącego z rozszczepienia wody, związek ten ma zdolność chwilowego wiązania wodoru oraz w formie zredukowanej ma zdolność do przekształcania wodoru w inne związki NADP + 2H-> NADPH2 ATP powstaje przez przyłączeni fosforanu nieorganicznego (Pi) do adenozynodwufosforanu (ADP), proces ten nazywa się fosforylacją, wymaga dużych nakładów energii . W procesie fotosyntezy pochodzi ona ze światła. ADP + Pi + energia -> ATP

Energia świetlna nie ginie lecz zostaje przekształcona w energię chemiczną, zmagazynowaną w cząst. ATP.  Gromadzenie energii = Synteza ATP  Przenoszenie en. = Dyfuzja ATP w kom.  Uwalnianie en. = rozpad ATP PRZEBIEG: Zmiana energii światła na energię wiązań chemicznych jest możliwa dzięki absorpcji fotonów przez chlorofil. Chlorofil może absorbować światło czerwone ( λ =634 nm) i światło niebieskie. Absorpcja kwantów powoduje ich przejście ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Energia pierwszego stanu wzbudzenia (stanu singletowego) może być przekazana poprzez kolejne cząsteczki chlorofilu antenowego do centrum reakcji fotoukładu, wybijając z niego elektrony. Niezależnie od tego czy zostanie pochłonięty kwant światła niebieskiego, czy kwant światła czerwonego, do wybicia elektronu z centrum reakcji używana jest jedynie energia pierwszego stanu wzbudzonego. W absorpcji biorą udział barwniki pomocnicze , czyli karotenoidy (ksantofil i karoteny) ( λmaks =400 −500 nm ¿ lub fikobiliny ( λmaks =470 – 650 nm .) Absorbują one światło o długości fali która jest niedostępna dla chlorofilu. Barwniki pomocnicze znajdują się w kompleksach zbierających światło- LHC, nazywanych także antenami pomocniczymi. Anteny pomocnicze to kompleksy barwnikowo-białkowe otaczające centrum reakcji, do którego przekazują energię wzbudzenia barwników w nich występujących. LHC II towarzyszący fotoukładowi II . Poza pełnieniem funkcji barwników pomocniczych karotenoidy chronią aparat fotosyntetyczny przed uszkodzeniem w przypadku nadmiaru światła. Zakres światła wychwytywany przez chlorofil, tj. 380–710 nm, określany jest jako promieniowanie czynne fotosyntetycznie (PAR). Opis fotoukładów PS I i PS II znajdujące się w zeszycie ! Fotosystem I :  Aktywne centrum stanowi cząst. Chlorofilu alfa, mająca max absorpcji światła przy promieniowaniu czerwonym światło o dł fali 700 nm i z tej przyczyny oznaczana jest symbolem P-700

Kolejnym etapem jest fotosynteza niecykliczna Energia kwantów światła przekazana do centrum reakcji fotoukładu II powoduje wybicie elektronu. Elektron jest przekazywany przez cząsteczkę feofityny, a następnie poprzez cząsteczki plastochinonu połączone z białkami na wolny plastochinol.

Plastochinon zbudowany jest z 45 atomów węgla. Może przyjmować elektrony, a dokładnie atomy wodoru , redukując się do hydrochinolu, a następnie oddawać je utleniając się z powrtoem do chinonu. Powstały wskutek redukcji plastochinonu, plastochinol przemieszcza się w błonie tylakoidu, na drodze dyfuzji, do kompleksu cytochromowego b6f. W obrębie kompleksu cytochromowego b6f zachodzi cykl Q (1), w wyniku którego dodatkowe protony H+ przemieszczane są ze stromy chloroplastów do wnętrza tylakoidów. Kompleks cytochromowy b6f przekazuje elektron na niewielkie białko zawierające miedź – plastocyjaninę. Plastocyjanina jest białkiem w którym występuje miedź. Atom miedzi przyjmuje elektrony, redukuje się do Cu+ oraz oddaje je z powrotem , utleniając się do Cu2+ Odbiorcą elektronów od plastocyjaniny jest fotoukład I, po uprzednim wybiciu elektronów z centrum reakcji. Wybicie elektronu z centrum reakcji fotoukładu I odbywa się poprzez wzbudzenie cząsteczki chlorofilu. Elektron wybity z centrum reakcji fotoukładu I przekazywany jest na cząsteczkę NADP+, która staje się formą zredukowaną NADPH. W przekazaniu elektronu na cząsteczkę NADP+ bierze udział kilka przekaźnikówcząsteczka witaminy K (filochinon) oraz ferredoksyna. Ferredoksyna jest to białko zawierające siarkę oraz żelazo. Atomy żelaza mogą przyjmować elektrony, redukując się do Fe 2+ a następnie oddawać je z powrotem, utleniając się do Fe 3+. Miejsce po elektronie oderwanym z centrum reakcji fotoukładu II zapełniane jest przez elektron oderwany z wody-fotoliza wody (2). Po oderwaniu 4 elektronów następuje rozszczepienie 2 cząsteczek wody na 4 protony i cząsteczkę tlenu. W wyniku uwalniania protonów z rozkładu wody wewnątrz tylakoidu (lumenie), pobierania protonów podczas redukcji NADP+ w stromie chloroplastu oraz transportu protonów w cyklu Q, ze stromy do wnętrza tylakoidu, powstaje gradient protonowy – różnica stężeń protonów na zewnątrz i wewnątrz tylakoidu. Gradient protonowy jest wykorzystywany przez kompleks syntazy ATP do wytwarzania drugiego produktu fazy jasnej – ATP. Opisany szlak wędrówki elektronów z cząsteczki wody na cząsteczkę NADP+ określa się jako fosforylację niecykliczną.

1. CYKL Q Działanie cyklu Q polega na zredukowaniu plastocyjaniny z jednoczesnym utlenieniem plastochinonu. Przebieg cyklu Q w chloroplastach: mechanizm przenoszenia protonów występuje u roślin w chloroplastach podczas wytwarzania gradientu protonowego w poprzek błony tylakoidów. W chloroplastach za katalizowanie reakcji utleniania plastochnolu i redukcje plastocyjaniny odpowiedzialny jest kompleks cytochromowy b6f oraz reduktaza plastochinolu, obecna w błonie tylakoidów. Po przejściu tą drogą przez 2 elektrony , plastochinon przyłącza 2 protony ze stromy i przechodzi jako plastochinol do puli chinonowej błony. Protony te uwalniane są do wnętrza w pęcherzyku tylakoidu podczas ponownego dodawnania elektronów przez plastochinol na kompleks cytochromowy b6f. Aktywność cyklu Q zwiększa przenoszenie protonów ze stromy do wnętrza pęcherzyka tylakoidu , towarzyszące przepływowi elektronów przez kompleks cytochromowy b6f.

2. Fotoliza wody: aby łańcuch transportu elektronów mógł funkcjonować w sposób ciągły, musi istnieć dopływ elektronów do chlorofilu P680+ , który tworzy się w centrum reakcji PS II na skutek separacji ładunków. Chlorofil P680+ jest silnym utleniaczem zdolnym do oderwania elektronu od cząsteczki wody. Woda nie jest bezpośrednim donorem elektronów dla P680 . Mechanizm rozkładu wody na elektrony, protony i tlen jest złożony , ważną rolę odgrywają w nim jony manganu. Kompleks enzymatyczny rozkładając wodę znajduje się na wewnętrznej powierzchni błony tylakoidu i zawiera 4 at. Manganu związane z białkiem o masie cząst. 33 kDa. Atomy Mn przechodzą na wyższy stopień utlenienia przekazując kolejno elektrony do chlorofilu P680. Dopiero odłączenie od Mn 4 e- powoduje rozszczepienie 2 cząst. H2O na 4 e-, 4 protony i cząst. O2.

3. Budowa syntazy ATP: Podjednostki syntazy ATP tworzą dwa oddzielne sektory: 1. Sektor błonowy (CF0 ) funkcjonujący jako kanał protonowy 2. sektor poza-błonowy (CF1 ), zawierający centra katalityczne odpowiadające za syntezę ATP

W budowie syntazy ATP wyróżnia się trzy odrębne części: domenę F1 wraz z ramieniem centralnym, domenę FO i ramię zewnętrzne. Domena F1 ma charakter hydrofilowy i skierowana jest do macierzy. Złożona jest z trzech podjednostek α i trzech podjednostek β, ułożone naprzemiennie tworząc heksamer, oraz podjednostki γ, δ, ε, tworzące ramię centralne enzymu. Podjednostka γ stanowi trzon enzymu i jednym końcem łączy się z centrum heksameru, a drugim z pierścieniem podjednostek c domeny FO. Miejsca katalityczne znajdują się w każdej z trzech podjednostek β. Domena FO jest hydrofobową domeną enzymu zlokalizowaną w wewnętrznej błonie mitochondrialnej i stanowi kanał dla przepływających protonów. Tworzy ją wiele podjednostek z których najbardziej zbadano podjednostkę c. Podjednostka c ma strukturę szpilki do włosów złożonej z dwu α-helis połączonych pętlą. Podjednostki c tworzą pierścień poprzez ułożenie się w błonie tak, że C-końcowe części helis wystają do przestrzeni, a pętla do macierzy mitochondrialnej. Uważa się, że pierścień podjednostek c wraz z podjednostką a tworzą kanał przepływu protonów. Domena F1 połączona jest z błoną za pomocą podjednostek OSCP, oraz innych podjednostek tworzących ramię zewnętrzne przy C-końcu OSCP (ang. peripheral stalk). N-końcowa część OSCP oddziałuje z N-końcową częścią podjednostki α, C-końcowa część OSCP oddziałuje z C- -końcową helisą podjednostki b. 3.1.Działanie syntazy ATP podczas fotosyntezy:

Podczas fotosyntezy roślin i glonów światło powoduje przepływ elektronów od H2O do NADP+ z wytworzeniem O2 i NADPH. Biorą w tym udział barwniki chloroplastów głównie chlorofile zorganizowane w dwóch fotosystemach, które łączy łańcuch przenośników elektronów i protonów. W czasie przepływu elektronów, protony są przenoszone w poprzek błony tylakoidów do lumin, co wytwarza gradient potencjału elektrochemicznego. Kiedy

protony przemieszczają się z powrotem , poprzez kompleks syntazy ATP , powstaje ATP. Przyjmuje się że przepływowi 3 protonów przez kompleks syntazy ATP towarzyszy tworzenie 1 cząst. ATP.

3.2. DODATEK: Mechanizm syntezy ATP Paula Boyera Energia uwalniana podczas transportu H+ przez CF0 nie jest bezpośrednio wykorzystywana do syntezy wiązania wysokoenergetycznego w ATP, ale do zmian konformacyjnych centrów katalitycznych podjednostki a CF1 . 1. CF1 zawiera trzy podjednostki b z centrami wiążącymi nukleotydy. 2. Każde z nich może występować w jednej z trzech konformacjach różniących się powinowactwem do substratów: luźnej (L – słabe wiązanie nukleotydów), zamkniętej (T – mocne wiązanie nukleotydów) i tzw. otwartej (O – najsłabsze powinowactwo do nukleotydów - brak wiązania nukleotydu). 3. Przepływ protonów przez CF0 powoduje rotację podjednostki g i wewnętrzną konwersję strukturalną centrów katalitycznych zmieniającą ich powinowactwo do substratów (1). Konformacja L zmienia się w konformację T, O w L a T w O. W centrum o konformacji T następuje przestrzenne zbliżenie związaej cząsteczki ADP i Pi , odwodnienie i synteza wysokoenergetycznego wiązania fosforanowego 4. Synteza ta nie wymaga już żadnego nakładu energii.

CIEMNA FAZA FOTOSYNTEZY/CYKL CALVINA-BENSONA Faza ciemna (reakcje ciemne, faza wiązania węgla) – proces biochemiczny niezależny od światła. Zachodzi w stromie chloroplastów, wykorzystuje produkty fazy świetlnej (ATP i NADPH) do związania CO2 w postaci węglowodanu. Jest to proces cykliczny. Cykl dzieli się na trzy fazy: karboksylacja, redukcja, regeneracja. 1. Faza karboksylacji Reakcja karboksylacji polega na przyłączeniu CO2, w postaci HCO3- do odpowiedniego związku organicznego (akceptora) np. RuDP- rybulozo-1,5-bifosforan. Reakcję katalizuje karboksylaza/oksygenaza RuDP (rubisco). Powstaje nietrwały, 6-węglowy produkt pośredni, który szybko rozpada się (hydroliza) na dwie cząsteczki 3-węglowego 3-fosfoglicerynianu (PGA). CO2 jest wbudowany w grupę karboksylową jednej cząsteczki PGA. Ta reakcja determinuje szybkość przyswajania CO2. PGA jest pierwszym trwałym produktem fotosyntezy. W każdym obrocie cyklu Calvina zostają związane 3 cząst. CO2 przez 3 cząst. RuDP , co daje 6 cząst. PGA. PGA łatwo ulega przemianie w związki pośrednie, które służą do syntezy aminokwasów i białek, barwników oraz innych subs. 2. Faza redukcji Reakcja redukcji PGA do aldehydu 3-fosfoglicerynowego (trioza), czyli pierwszego związku o charakterze cukru gdzie stosunek C:O jest taki jak w cukrach. Jest to reakcja endoergiczna zużywająca oba produkty fazy świetlnej fotosyntezy: ATP i NADPH (siła asymilacyjna) ponieważ dla zredukowania związku organicznego potrzeba dwóch czynników : energii i wodoru. Etap 1: Ufosforylowanie PGA przy C1 kosztem ATP przez kinazę 3-fosfoglicerynianu. Powstaje 1,3-difosfoglicerynian. Zużywa się 1 mol ATP na każdy mol PCA. Reakcja ta jest odwróceniem przebiegu glikolizy w oddychaniu. W całkowitym obrocie cyklu Calvina 6 cząst. PGA ulega redukcji do 6 cząst. Aldehydu 3 fosfoglicerynowego. Etap 2: Redukcja 1,3-difosfoglicerynianu do aldehydu 3-fosfoglicerynowego katalizowana przez dehydrogenazę aldehydu 3-fosfoglierynowego. Zużywa się 1 mol NADPH na każdy mol PGA. 3. Faza regeneracji Wytworzony w fazie redukcji aldehyd 3-fosfoglicerynowy podąża dwoma drogami. Z 6 cząsteczek 1 zamienia się w węglowodany gł. sacharozę i skrobię i stanowi zysk netto fotosyntezy. Pozostałe 5 cząsteczek zostaje wykorzystane do odtworzenia 3 cząsteczek RuDP, czyli związku wiążącego CO2. Następuje przemiana 5 cząsteczek trioz w 3 cząsteczki pentoz (5x3C w 3x5C). Bilans cyklu Przyłączenie 3 cz. CO2 do 3 cz. RuDP wymaga zużycia 6 cz. NADPH i 6 cz. ATP do redukcji powstałych 6 cz. PGA oraz 3 cz. ATP do ufosforylowania rybulozo-5-fosforanu czyli łącznie 6 cz. NADPH i 9 cz. ATP. W takim przypadku z cyklu wyprowadzana jest 1 cz. triozy.

Bilans „na heksozę”: Przyłączenie 6 cz. CO2 do 6 cz. RuBP wymaga zużycia 12 cz. NADPH i 12 cz. ATP do redukcji powstałych 12 cz. PGA oraz 6 cz. ATP do ufosforylowania rybulozo-5fosforanu czyli 12 cz. NADPH i 18 cz. ATP. W takim przypadku z cyklu wyprowadzana jest 1 cz. heksozy.

FOTOODDYCHANIE Def. Fotooddychanie (oddychanie świetlne, fotorespiracja, cykl C2): odbywa się u roślin typu C3 w trzech organellach: chloroplastach, peroksysomach i mitochondriach. Zachodzi na świetle a ustaje w ciemności, kierunek wymiany gazowej taki jak w oddychaniu mitochondrialnym (zużywany O2, a wydzielany CO2). Proces zużywa część produktów fazy świetlnej fotosyntezy zmniejszając tym samym ogólną wydajność fotosyntezy. Nie tworzy się ATP. PRZEBIEG Rubisco może katalizować, oprócz reakcji karboksylacji, reakcję oksygenacji czyli włączenia tlenu do cząsteczki RuBP. Produktem reakcji oksygenacji jest 1 cz PGA i 1 cz związku dwuwęglowego – fosfoglikolanu, który zawiera związany O2. 2 Przyczyną fotooddychania jest dwoista natura rubisco, która może katalizować dwie reakcje. CO2 i O2 konkurują o miejsce wiązania w centrum katalitycznym enzymu. Oksygenaza → rozpad RuBP i tworzenie PGA i fosfoglikolanu Karboksylaza → wiązanie CO2 do RuBP z wytworzeniem PGA. Substrat dla fotooddychania = fosfoglikolan powstaje w chloroplastach ale w procesie fotooddychania biorą udział peroksysomy i mitochondria. Proces zachodzi u roślin typu C3, czyli z naszej strefy klimatycznej. Porównanie fotosynteza a fotooddychanie: Fotosynteza C3: 2 cz. RuDP + 2cz. CO2 = 4 cz. PGA Cykl C2: 2 cz. RuDP + 2cz. CO2 =2 cz. PGA + 2 cz. fosfoglikolanu → po cyklu odtwarza się 1cz PGA czyli powstają ostatecznie 3cz. PGA + CO2 czyli proces przynosi straty roślinie, zużywa ATP i NADH i obniża produktywność fotosyntezy.

CYKL KWASÓW DWUKARBOKSYLOWYCH U ROŚLIN C4 W tych roślinach reakcje zależne od światła i cykl Calvina są fizycznie rozdzielone; reakcje zależne od światła zachodzą w tkance gąbczastej znajdującej się w środkowej części liścia, czyli w kom miękiszu gąbczastego liścia, a cykl Calvina- Bensona zachodzi w kom. Znajdujących się wokół wiązki przewodzącej- pochwie okołowiązkowej.

PRZEBIEG: Akceptorem CO2 w cyklu C4 nie jst RuDP ale trójwęglowy kwas fosfoenolopirogronowy (PEP). Asymilacja CO2 zachodzi w cytoplazmie kom., mezofilu, gdzie CO2 przekształcany jest przez anhydrazę węglanowoą do HCO3-, który następnie przyłączany jest do fosfoenolopirogronianu (PEP) – reakcja kat. Przez karboksylazę fosfoenolopirogronianową z wytworzeniem szczawiooctanu (OAA) OAA przekształcany jest do jabłczanu lub asp (asparaginianu) dalej kwasy te są transportowane do kom. Pochew okołowiązkowych, w których następuje dekarboksylacja. Dekarboksylacja może być kat przez 3 rodzaje enzymów: enzym jabłczanowy, zależny od NADP, enzym jabłczanowy zależny od NAD, karboksykinaza PEP. Uwolniony w procesie dekarboksylacji CO2 ulega asymilacji przez enzym Rubisco i zachodzi redukcja CO2 w cyklu Calvina .Powstające w procesie dekarboksylacji zw. Powracają do mezofilu gdzie regenerowany jest PEP. Fosforylacja pirogronianu do PEP kat. Jest przez dikinazę fosfoenolopirogronianu.

Fosforylacja cykliczna Zachodzi w warunkach deficytu H2O lub w okresie zwiększonego zapotrzebowania na ATP. Zaangażowany jest tutaj tylko PS I. Elektron z ferredoksyny może zostać przeniesiony nie na NADP+, lecz na kompleks cytochromowy b6f, by następnie poprzez plastocyjaninę powrócić do centrum reakcji fotoukładu I. Takiemu cyklicznemu transportowi elektronów towarzyszy przenoszenie protonów przez błonę tylakoidu, wytwarzanie gradientu stężeń protonów i syntaza ATP, nie powstaje jednak NADPH....