A növények fényreakciói. A növények fényreakciói. Fotoszintézis

Átírás

1 Az elektromágneses sugárzás A növények fényreakciói A fotonok energiája (E )adott hullámhosszon: E = h ν = hc/λ ahol h a Planck féle állandó Minél hosszabb a hullámhossz annál kisebb az E. A látható tartomány A növények fényreakciói Fotoszintézis nm PAR Fotomorfogenezis 666/730 nm fitokróm rendszer Vörös fény válaszok Fototropizmusok kriptokrómok kék fény válaszok UV-B sugárzás nm nm 1

2 Az abszorbeált fényenergia (A) fotoszintetikus hasznosulása (P) és disszipációja (D) optimális és stressz feltételek között Fotoszintézis a Optimális környezeti feltételek mellett PFFD mmol m -2 s b Stressz-tényezık felléptekor 2 PFFD mmol m -2 s A P D A D P hajnalban délben este Az A/P arányt befolyásoló tényezık: Fényadaptáció (anatómiai/fiziológiai) CO 2 fixáció típusa (C3/C4) és fényhasznosítási hatékonysága Stressz tényezık (vízhiány, tápelemhiány, nehézfémek stb) A fotoszintézis szakaszai Fényszakasz:fotokémiai folyamatok 1) Fényszakasz: fotokémiai folyamatok 12H 2 O + 12NADP + 18ADP 6O NADPH + 18ATP 2) Sötétszakasz: CO 2 fixációja 6CO NADPH + 18ATP C 6 H 12 O NADP + 18ADP + 6H 2 O A fényenergia elnyelése (fényabszorpció), A fotokémiai reakcióban közvetlenül résztvevı pigmentekre történı energiaszállítás (energia transzfer) Reakcióközpontok klorofill-a molekulája gerjesztett állapotban elektron ad le (elektron transzfer) 2

3 Sötétszakasz Széndioxid fixációja és szénhidrát szintre történı redukciója A fényszakaszban képzıdött ATP és NADPH +H + felhasználása Energy transfer - antennna Electron transfer reaction centrum Fényszakasz 1) A fotoszintetikus apparátus szerkezete Kloroplasztisz: tilakoid membránok gránum és sztróma kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek a proteinkomplexek szervezıdése a tilakoid membránban Vízbontás és O 2 képzıdés (PSII) NADPH és ATP képzıdés (PSI) 3

4 1) A kloroplasztisz szerkezete Kettıs borítómembrán határolja Folyékony közege a sztróma benne enzimek, keményítıszemcsék, DNS és riboszómák Membránrendszere tilakoidokból áll ezek helyenként gránumokba rendezıdik A tilakoidok belsı üregei egy összefüggı, lumen nevezető hálózatot alkotnak A tilakoidok felépítése Külsı membrán (6 nm) Membránok közötti tér (10-20nm) Belsı membrán (6 nm) Sztróma (vizes folyadék) Tilakoid membrán Tilakoid lumen Granum Keményítı Riboszóma (70S) Plasztisz DNS (kb. 30 kópia) Plasztoglobulus (zsírcseppek) A kloroplasztisz glikozil-gliceridjeinek szerkezete: A glicerin elsı és második OH csoportjához észterkötéssel zsirsavak, a harmadik OH-hoz glikozidos kötésben cukor(galaktóz)-származékok kapcsolódnak. Monogalaktozil-glicerid: MGDG Digalaktozil-diacil-glicerid: DGDG Kén-tartalmú glikolipid, szulfokinovozil-diacil-glicerid: SQDG A galaktolipidek telítetlen zsírsavakat tartalmaz, az MGDG általában telítetlenebb, mint a DGD. A szulfolipid: 80 %-ban telített zsírsavak. 4

5 2) A fotoszintetikus pigmentek bakterioklorofillok klorofill a, b karotinoidok fikobilinek cianobaktériumokban, vörös algákban A klorofillok molekulaszerkezete A klorofill konjugált kettıs kötéseket tartalmazó makrociklikus molekula (Móltömeg: 894). Négy pirrol győrőbıl álló un. "feji" rész (1.5 x 1.5 nm) és egy 2 nm hosszú fitol, terpén-alkohol lánc. A pirrol győrő külsı szélén elhelyezkedı kémiai csoportok és a H + az elektronokat magányos pályára korlátozzák, amely növeli a vörös hullámhossz tartományon belül az abszorpciót. A molekula közepén egy nem-ionos magnézium atom, két kovalens és két koordinált kötéssel kötıdik és a győrőket koordinálja. Fikobilinek: cianobaktériumokban, vörös algákban A pirrol győrők nem záródnak porfirin győrővé 5

6 A karotinoidok járulékos pigmentek 40 C-atomos poliizoprének Alfa vagy béta-jonon győrőket tartalmaznak. Fotoszintetizáló pigmentek Kísérı pigmentek Fényelnyelés Fényvédelem Néhány pigment abszorpciós spektruma A fotoszintézis akcióspektruma Gyenge redukáló Erıs redukáló Gyenge oxidáló Erıs oxidáló Két fotokémiai rendszer PSI és PSII: sorozatot alkot A PSII-ben az abszorbeált vörös fény egy erıs oxidálót hoz létre, ami képes a vizet oxidálni, ill. egy gyenge redukálót hoz létre A PSI-ben abszorbeált vörösön-túli fény egy erıs redukálót hoz létre, ami redukálja a NADP+-t, és egy gyenge oxidálót hoz létre PSII-ben 2 mol víz oxidációjakor: 4 elektron, 4 proton és 1 mól oxigén képzıdik 6

7 PSII, PSI és ATP szintetizáló enzim elhelyezkedése A két fotorendszer térben elkülönül PSII gránum tilakoidokhoz kapcsolódik PSI, ATP-szintetizáló kapcsoló faktor a sztróma tilakoidokhoz kapcsolódik Cit b6f egyenletes eloszlást mutat 4 nagy fehérje komplex: PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex A fotorendszerek felépítése Antenna-rendszer jelentısen eltér a fotoszintetizáló szervezetekben A reakcióközpont felépítése egységes Fénybegyőjtı antenna pigment rendszerek (LHC) Nagymértékő változékonyság Az LHC-ban a pigmentek sorrendje Mérete függ a környezethez való alkalmazkodástól Reakcióközpontokként: Néhány fotoszintetizáló baktérium: bakterioklorofill molekula Növények: klorofill molekula Egyes algákban, és baktériumokban: néhány ezer klorofill molekula 7

8 A pigmentek sorrendje az antennában: Az abszorpciós maximumok fokozatosan a nagyobb vörös hullámhosszak felé tolódnak el Vagyis a pigmentek gerjesztési állapot energiája valamivel alacsonyabb a reakció központ közelében, mint az antenna rendszer perifériális részén. Pl. klorofill-b-rıl (650 nm) a gerjesztési energia klororofill-a (670 nm) molekulára kerül, a két gerjesztési állapot energiakülönbsége hı formájában bocsátódik ki. Az antenna komplex egy transzmembrán pigment protein. Három helikáris régiót tartalmaz, amelyek a membrán apoláros részén keresztülhatolnak. Kb. 15 klorofill a és b molekula és több karotinoid. A komplex a membránban trimer és a PSII reakcióközpont komplex perifériája körül helyezkedik el. Klorofill-protein komplexek PSII Core complex II (CC II): a PSII reakcióközpontját tartalmazza LHC II: a PSII fénygyőjtı klorofill-protein komplexe PSI Core complex I (CC I): a PSI reakcióközpontját tartalmazza (CPI v. P-700 klorofill komplex) LHC I a PS I fénygyőjtı klorofill-protein komplex CC II D1 és D2 heterodimér fehérje: (32 és 34 kd), amelyeken P 680 klorofill-a, 4-5 klorofill-a, 1-2 ß-karotin és mindkettın 1-1 feofitin-a molekula CP43 és CP47 fehérjék: a PSII belsı antennájaként egyenként: klorofill-a, 4-5 ß- karotin, és kevés lutein CP24, CP26 és CP29 fehérjék: A PSII antennájaként, de periférális elhelyezkedésben CP26 és CP29: kl a/b =3 CP24: Kl a/b=0,9-1,6 CP22 kla/b=6 Szerep?? 8

9 A mangántartalmú enzim-komplex (M) Az oxidált állapotú P680 a Z primer donorjától vesz fel elektront (20 ns). Az elektronátadás függ a mangántartalmú enzimkomplex (M) redoxállapotától: M ad elektront a Z felé és az oxidált állapotú M képes a vizet oxidálni: D1 protein A membrán hidrofób részét ötször járja át. Aszimmetrikus elrendezıdés: az - NH 2 lánc vég a sztróma felıl a -COOH lánc vég a lumen felıl. 2 H 2 O = 4 H + + O e - 1 mol oxigén felszabadulásához 10 kvantum abszorbeálódik. LHCII A PSII legnagyobb mennyiségben elıforduló fénygyőjtı komplexe. Az össz-klorofill és a tilakoid-proteinek 50 %-át tartalmazza. Lhcb1, Lhcb2, Lhcb3 Mobilis LHC II: ledisszociál a PS II-rıl és megosztja az abszorbeált fényenergiát a PSII és PSI között. Kl a/b= 1.1 Fehérjemolekulánként 12 klorofill molekula Xantofillokmolekulák Az apoproteinek genetikai kódja sejtmagban, szintézis citoplazmában és onnan a kloroplasztiszba, hasonlóan az LHC I proteinekhez. CC I 80 klorofill- a molekula 1-2 ß-karotin molekula 1 P 700 klorofill-a Genetikai kód: kloroplasztisz LHC I Klorofill-a és klorofill-b: 3,5:1 (10-féle kl-a/b protein) Genetikai kód: sejtmagban A PSI felépítése 9

10 FNR!! PSI reakcióközpont 2 nagy fehérje: PsaA és PsaB. Kis fehérjekomponensek PsaC-PsaN. Az elektron a PC-rıl P700-ra, majd egy Ao klorofill molekulára, A1 fillokinonra jut. Majd az FeSx, FeS A és FeS B központokra és végül a szolubilis Fe-S proteinre, a ferredoxinra kerül. A membránhoz kötött flavoprotein ferredoxin NADP reduktáz (FNR) redukálja a NADP+ -t NADPH-vá. A redukált ferredoxinnak, több más funkciója is van a kloroplasztiszban: nitrát-redukció és a szén-dioxid fixáció enzimeinek regulációja Elektron transzport 1 mol oxigén felszabadulásához 10 kvantum abszorbeálódik. Két plasztokinon (Q A és Q B ) kötıdik a PSII reakcióközponthoz. A feofitinrıl Q A ra, majd Q B -re kerül az elektron. Az oxidált plasztokinon redukciója Q A és Q B kinonok: Q A a feofitin molekulától kap egy elektront gyors ( ps). A Q A és Q B közötti elektron átadás lassúbb, az elsı elektron átadás 0,1-0,2 ms, a második 0,4-0,5 ms alatt. A Q B felvesz két hidrogén iont és ledisszociál a PSII-rıl (D1 fehérje) a mobilis plasztokinon (PQ) pool-ba. A feofitin pedig a gerjesztett állapotú reakció központ P680 klorofill a molekulától vesz át elektront. Az oxidált P680 redukciója a vízbontásból származó elektronnal történik meg. Plasztokinon A plasztokinon redoxreakciói: Q= teljesen oxidált kinon, Q - =anion szemi-plasztokinon, QH 2 redukált hidrokinon PSII-ben 2 elektron transzfere: redukált Q B keletkezik, ami a sztrómából két protont vesz fel és redukált plasztokinon keletkezik (QH 2 ). A redukált plasztokinon ledisszociál a reakció központról és a membrán CH részébe lép be, ahol az elektronjait a cyt b 6 f-nek adja át. A fehérje-komplexekhez képest a hidrokinon egy kis apoláris molekula és könnyen mozog a membrán apoláris régiójában. 4 nagy fehérje komplex: PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex 10

11 A citokróm b6 f complexen lejátszódó elektron és proton transzfer. Ez a komplex tartalmaz két b-tipusú hemet (Cyt b), egy c-tipusú citokrómot (Cyt c, régebben citokróm f-nek nevezték ), a Rieske féle Fe S proteint (FeSR), és két kinon oxidációs-redukciós helyet. A citokróm b6 f complex több prosztetikus csoportot tartalmaz. Két b-tipusú hem, egy c tipusú hem (régebben: citokróm f ). A c-tipusú citokrómban a hem a peptidhez kovalensen kötıdik, a b-tipusú citokrómban a kémiailag hasonló protohem nem kovalens kötéssel kötıdik. Ez a komplex tartalmazza a Rieske vaskén proteint, amelyben 2 vas atomot két kén atom köt össze, A ciklikus folyamatok: A második QH 2 oxidálódik: egy elektron az FeSR-rıl a PC-ra és végül a P700-ra kerül. A második elektron a két b-tipusú citokrómon keresztül jut és redukálja a szemikinont plastohidrokinonná, és ugyanakkor két protont vesz fel a sztrómából. Összesen négy proton transzportálódik a tilakoid membránon át miközben két elektron a P700-ra szállítódik. A nem ciklikus vagy lineáris folyamatok: Egy plasztohidrokinon (QH 2 ) molekula képzıdik a PSII mőködése során, amely a komplex lumen felıli oldalán oxidálódik, átadja két elektronját a FeSR-nek és a citokróm b-nek. Ugyanakkor 2 protont ad le a lumen felé. Az FeSR által felvett elektron a citokróm f (Cyt f )-re kerül és aztán a plasztocianinra (PC), ami redukálja a PSI P700 klorofill a molekuláját. A redukált citokróm b egy elektront egy másik citokróm b-nek ad át, amely redukálja a kinont (Q) szemikinonná (Q-). Plastocianin: Kis moltömegő (10.5 kda), Vízoldható, Réztartalmú fehérje, A citokróm b6 f komplex és a P700 közötti elektrontranszportot biztosítja. A PC a lumen oldalon található. Egy elektront továbbít a PSI reakció központ kl a molekulájához, az oxidált plasztocianin a citokróm b 6 /f komplextıl kap elektront és redukálódik. A cit b 6 /f komplex pedig egy redukált plasztokinon molekulától. Ciklikus elektron transzport A citokróm b6 f komplexek a sztróma-tilakoidokban találhatók, ahol a PSI is elıfordul. Bizonyos körülmények között ciklikus elektron áramlás figyelhetı meg a PSI és citokróm b6 f komplex között és vissza a PS I-en keresztül. Ez a ciklikus elektron áramlás a lumenbe irányuló protonpumpával kapcsolódik, ami ATP szintézisre fordítódik, de nem oxidálja a vizet és nem redukálja a NADP + -t. A ciklikus elektron áramlás különösen fontos ATP forrás a C4-es növények nyalábhüvely klorenchimájában. 11

12 ATP szintézis Kemiozmotikus elmélet Fotofoszforiláció A kemiozmózis lényege, hogy a membrán két oldala között ionkoncentráció és elektromos potenciál különbség a sejt által felhasználható szabadenergiát jelent. 4 nagy fehérje komplex: PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex ATP-szintetáz, vagy CFo-CF1 CFo: hidrofób és a membránhoz kötött CF1: sztróma felıli oldalon CFo: csatornát képez a protonok számára CF1: 5 különbözı polipeptid: α és β polipeptidbıl 3 kópia, amelyek alternáltan helyezkednek el. Ezen kívül: 3 további peptid (gamma, delta, epszilon) A katalitikus helyek a bétapolipeptiden. A CF1 az ATP szintetizáló rész CFo: 4 különbözı polipeptid. a, b b és c (12 db) Az elektron transzport gátlása és a hebicidek hatása Diklórfenil-dimetil-karbamid (DCMU) és metil-viologen (paraquat) herbicidek blokkolják az elektron transzportot. A DCMU a PSII kinon akceptorainál blokkolja az elektronáramlást és verseng a plastokinon kötıhelyeiért. A paraquat a PSI korai elektron akceptoraitól veszi el az elektront. 12

13 CO 2 asszimiláció C3 fotoszintézis út RUBISCO CALVIN-ciklus Eltérı útak: C3 C4 CAM utak A Calvin ciklus rövid-távú szabályozása A köztes termékek koncentrációjának az optimalizálása Az ellentétes irányban lejátszódó reakciók csökkentése Két általános mechanizmus változtathatja meg az enzimek kinetikus jellemzıit: 1. Kovalens kötések transzformációja: diszulfid hidak redukciója és amino-csoportok karbamilációja - kémiailag módosul az enzim 2. Nem kovalens kapcsolatok módosulása: metabolitok megkötése, a sejt miliı (ph) változása Fénytıl függı enzim aktiváció szabályozza a Calvin-ciklust Öt fény által szabályozott enzim: 1. Rubisco 2. NADP:glicerinaldehid-3-foszfát dehidrogenáz 3. Fructóz-1,6-bifoszfatáz 4. Szedoheptulóz-1,7-bisfoszfatáz 5. Ribulóz-5-foszfát kináz Ezen kívül: az enzimek kötıdése a tilakoid membránokhoz fokozza a a Calvin ciklus hatékonyságát; mert magasabb szintő szervezıdés, amely kedvez a szubsztrát védelemnek. 13

14 1. NADP:glicerinaldehid-3-foszfát dehidrogenáz 2. Fructóz-1,6-bifoszfatáz 3. Szedoheptulóz-1,7-bisfoszfatáz 4. Ribulóz-5-foszfát kináz Jellemzıjük: a 4 enzim egy vagy több S S hidat tartalmaz A fény a ferredoxin thioredoxin rendszeren keresztül szabályozza a 4 enzimet. Sötétben S S- hidak, fényen redukált állapotba kerülnek SH HS-. A redox állapot változása aktiválja az enzimet. Az enzim aktív központjában a CO 2 a lizin NH 2 csoportjával reagál. Az új karbamát származék (anion hely) gyorsan megköti a magnézium iont Aktivált komplex alakul ki. Két proton szabadul fel a komplex kialakulás közben. Az aktivációt növeli sztrómában fény hatására lejátszódó a ph és a magnézium koncentráció változás. A rubisco aktiv központja megköt egy CO 2 molekulát és reagál a ribulóz1, 5 biszfoszfáttal. A keményítı és a szacharóz szintézise A fruktóz 2,6 bifoszfát szabályozó szerepe kloroplasztisz Keményítı szintézis Citoszol Szacharóz szintézis A fruktóz 2,6 bifoszfát Kulcs fontosságú szabályozó molekula Fényen stimulálja a szacharóz szintézist és sötétben gátolja. Citoszólban található nagyon alacsony koncentrációban. 14

15 A fruktóz 2,6 bifoszfát szabályozó szerepe Mi szabályozza a fruktóz-2,6-bifoszfát molekula koncentrációját? A fruktóz-2,6-foszfát molekula fruktóz-6- foszfátból szintetizálódik a speciális fruktóz-6- foszfát 2-kináz enzim által katalizált folyamatban fruktóz-6-foszfátból. A fruktóz-2,6-foszfát molekula lebomlását a fruktóz-2,6-bifoszfatáz enzim katalizálja A kináz és a foszfatáz enzimek aktivitását az ortofoszfát és a trióz-foszfát szabályozza. Ha nı a koncentrációja csökken a szacharóz-szintézis, mert gátolja a fruktóz-1,6-bifoszfatáz enzimet (foszforiláció) és aktiválja a kináz enzimet (defoszforiláció). Az ortofoszfát stimulálja a fruktóz-6-foszfát 2- kináz enzimet és gátolja a fruktóz-2,6-bifoszfatáz enzimet. A triózfoszfát gátolja 2-kináz enzimet. Az alacsony citoszól triózfoszfát/ortofoszfát arány: stimulálja a trióz-foszfát fruktóz-2,6- bifoszfát átalakulást, ami gátolja a citoszolban a a fruktóz-1,6-bifoszfát hidrolizisét és csökkenti a szacharóz szintézist. A magas trióz-foszfát/ortofoszfát arány: ellentétes hatású. A fény hatása A fény az aktiváló és gátló molekulák koncentrációját a fotoszintézis folyamatain keresztül szabályozza, és ily módon szabályozza a fruktóz-2,6- bifoszfát koncentrációját a citoszólban. A glikolitkus foszfofrukto-kináz enzim szintén részt vesz a fruktóz-6-foszfát fruktóz-1,6,-bifoszfát átakulásában. 15