A fény kettıs természete: hullám és részecske (foton) Fotoszintézis Sebesség = hullámhossz X frekvencia C = λν Egy foton energiája: E = hν h= Planck állandó (6,626 x 10-34 Js) Az elektromágneses sugárzás A látható tartomány 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. 1
A levél által elnyelt, átengedett és reflektált fény %-os arányai A fényintenzitás mértékegységei A. és B. Ugyanaz az érték szenzortípustól függetlenül PAR: Photosynthetically Active Radiation, 400-700 nm Kvantum alapon mérve: Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD Szenzorok: sík és domború Eltérések a sugárzás beesési szögével Eltérés: a D. domború szenzor az elızıvel (B) azonos értéket mér, a C. sík szenzor az A elızı érték / α. Fotoszintézis I. Alapfogalmak A fotoszintézis mint redox folyamat A fotoszintetikus apparátus Pigmentek és pigment-protein komplexek A fény abszorpciója A gerjesztési energia sorsa A két fotokémiai rendszer Az elektrontranszport lánc felépítése A növények fotoszintézisének alapfolyamatai A fotoszintézis folyamatának általános egyenlete : fény CO 2 + H 2 O --------> (CH 2 O) + O 2 Víz: elektron-donor (De: Fotoszintetizáló baktériumok: víz helyett, hidrogéngázt, tioszulfátot, kénhidrogént, szerves anyagokat - propionsavat, tejsavat stb.- használnak. NINCS oxigén termelıdés.) Széndioxid: elektron-akceptor. (De: A növényekben lehet pl. nitrát is. A nitrogénfixáló élılényekben : a molekuláris hidrogén.. Számos fotoszintetizáló szervezetben: hidrogénionok.) 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Hill reakció: oxidálószer (elektron akceptor) alkalmazása CO 2 helyett (izolált kloroplasztiszok) 4 Fe 3+ + 2 H 2 O 4 Fe 2+ + O 2 + 4 H+ 2
A fotoszintézis szakaszai Fényszakasz:fotokémiai folyamatok 1) Fényszakasz: fotokémiai folyamatok 12H 2 O + 12NADP + 18ADP 6O 2 + 12NADPH + 18ATP 2) Sötétszakasz: CO 2 fixációja 6CO 2 + 12NADPH + 18ATP C 6 H 12 O 6 + 12NADP + 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) A fényenergia kémiai energiává való átalakulása Vízbontás (oxigén-termelés) Redukáló ágens (NADPH) képzıdése Fotofoszforiláció: ATP képzıdés. Fényszakasz Energy transfer - antennna Electron transfer reaction centrum Vízbontás és O 2 képzıdés (PSII) NADPH és ATP képzıdés (PSI) 3
Sötétszakasz 1) A fotoszintetikus apparátus szerkezete Széndioxid fixációja és szénhidrát szintre történı redukciója A fényszakaszban képzıdött ATP és NADPH +H + felhasználása Kloroplasztisz: tilakoid membránok gránum és sztróma kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek a proteinkomplexek szervezıdése a tilakoid membránban 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 4
A kloroplasztiszon belül jól láthatók a grána- és a sztrómatilakoidok, valamint a nagymérető keményítı szemcsék 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 tilakoidok felépítése 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. 2) A fotoszintetikus pigmentek bakterioklorofillok klorofill a, b karotinoidok fikobilinek cianobaktériumokban, vörös algákban 5
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 A karotinoidok járulékos pigmentek 40 C-atomos poliizoprének Alfa vagy béta-jonon győrőket tartalmaznak. Kísérı pigmentek Fényelnyelés Fényvédelem 6
Fotoszintetizáló pigmentek Néhány pigment abszorpciós spektruma A fotoszintézis akcióspektruma Az antenna-pigmentek az elnyelt fényenergiát a reakciócentrum klorofill a felé továbbítják Energiaátadás két pigment molekula között akkor történik, ha a donor molekula fluoreszcencia és akceptor abszorpciós spektruma részben fedi egymást 7
Foton abszorpció A klorofill molekula foton abszorpció során gerjesztett állapotba kerül, a molekula energia állapota magasabb, mint alapállapotban Chl + hν Chl* A kék fény a klorofillt magasabb energia állapotba gerjeszti, mint a vörös fény (hullámhossz és foton energia összefüggése!) A fény abszorpciója és a gerjesztési energia sorsa Az egyes események fél-életideje 10-15 s 10-9 s 10-3 s Klorofill molekula: alapállapot (S 0 ), Egy π elektron kötı pályáról lazító pályára lép szinglet (S 1 és S 2 ) és triplet (T 1 ) állapotok vörös fény elnyelése: S 1 állapot kék fény elnyelése: S 2 állapot Magasabb energia állapotban (S 2 ) a klorofill molekula labilis, nagyon gyorsan a környezetének energiát ad le hı formájában, és stabilabb gerjesztett állapotba (S 1 )kerül néhány nano-szekundumig (10 9 s). 8
A fény abszorpciója és a gerjesztési energia sorsa A legalacsonyabb energia állapotban a gerjesztett klorofill molekula 4 lehetséges úton veszítheti el a gerjesztési energiát. 1/ Emitálhat egy fotont és alapállapotba kerül fluoreszcencia 2/ Hı formájában 3/ Energia transzferben vehet részt, amikor is átadja energiáját egy másik molekulának 4/ A gerjesztési energia kémiai reakciót eredményez A klorofill fluoreszcenciája akkor is a vörös hullámhossz tartományba esik, ha kék fényt nyel el! Az oka: az S 2 -S 1 átmenet mindig hı formájában disszipálódik. A fotokémiai reakció a leggyorsabb kémiai reakció, fontos a többi folyamattal való versengés miatt! Fényabszorpció Kvantumhatásfok és kvantum szükséglet Kvantumhatásfok (Φ): azon gerjesztett molekulák hányada, amelyek valamilyen módon elveszítik a gerjesztési energiájukat. Értéke 0-1. pl. fotokémiai reakciók száma/összes abszorbeált kvantumok száma (kb. 0.95) Kvantum szükséglet: valamely reakciótermék (pl. O 2 ) létrejöttéhez szükséges kvantumok száma, azaz 1/Φ. Vörös és vörösön túli együtt nagyobb a fotoszintézis ráta, mint a külön-külön mért ráták összege Bizonyíték: két fotokémiai rendszer mőködik sorozatot alkotva, amelyek optimális hullámhossza csak kissé különbözik. 9
Erıs redukáló Gyenge 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 4 nagy fehérje komplex: PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex A pigment-protein komplexek rendezetten helyezkednek el a tilakoid membránban. 10
PSII, PSI és ATP szintetizáló enzim elhelyezkedése A fotorendszerek felépítése A két fotorendszer térben elkülönül PSII gránum tilakoidokhoz kapcsolódik PSI, ATP-szintetizáló kapcsoló faktor a sztróma tilakoidokhoz kapcsolódik Cit b6f egyenletes eloszlást mutat 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: 20-30 bakterioklorofill molekula Növények: 200-300 klorofill molekula Egyes algákban, és baktériumokban: néhány ezer klorofill molekula 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. 11
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: 20-25 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?? 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: 2 H 2 O = 4 H + + O 2 + 4 e - 1 mol oxigén felszabadulásához 10 kvantum abszorbeálódik. 12
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. 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 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 13
Elektron transzport Két plasztokinon (Q A és Q B ) kötıdik a 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 (250-300 ps). Plasztokinon PSII-ben 2 elektron transzfere: redukált Q B keletkezik, ami a sztrómából két protont vesz fel és redukált plasztokinon keletkezik (QH 2 ). 1 mol oxigén felszabadulásához 10 kvantum abszorbeálódik. 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. Az oxidált P680 redukciója a vízbontásból származó elektronnal történik meg. A plasztokinon redoxreakciói: Q= teljesen oxidált kinon, Q - =anion szemi-plasztokinon, QH 2 redukált hidrokinon 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. A citokróm b6 f complex több prosztetikus csoportot tartalmaz. 4 nagy fehérje komplex: PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex 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 vas-kén proteint, amelyben 2 vas atomot két kén atom köt össze, 14
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 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 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. 4 nagy fehérje komplex: PSII, PSI, citokróm b6f, ATP-szintetizáló komplex 15
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. 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 Fény levelek Árnyék levelek 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. 16
PSII Fény és árnyék levelek Eltérı a N-tartalom eloszlása a kloroplasztisz komponense között Az abszorbeált fényenergia (A) fotoszintetikus hasznosulása (P) és disszipációja (D) optimális és stressz feltételek között Árnyék levelek Fény levelek Eltérı a fotorendszerek antenna mérete a Optimális környezeti feltételek mellett PFFD mmol m -2 s -1 2 1 0 b Stressz-tényezık felléptekor 2 PFFD mmol m -2 s -1 1 0 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) fluoreszcencia fotoszintézis hıdisszipáció A növényzet fluoreszcenciája mőholdas felvételeken is detektálható A fényfelesleg és a fotoszintézis O 2 termelés fény válaszgörbéje A szaggatott vonal az elméleti O 2 fejlıdést mutatja, amikor nincs fotoszintézis gátlás. Árnyéknövények PFD 150 µmol m 2 s 1- ig, ezt követıen telítıdés. Fény növényeknél magasabb fényintenzitásnál telítıdés. A fényintenzitás növekedésével növekszik az abszorbeált fényenergia feleslege. Kaliforniai öböl, algavirágzás, 2002. október 6., számítógépes színek, a kék az alacsony, a vörös a nagy intenzitású fluoreszcencia 17
a) Fotoszintézis gyenge fényben Lineáris szakasz b) CO2 fixáció c) PSII reakció központok záródása d) Fényfelesleg Fénynövények Árnyéknövények Fénynövények stressz alatt Hasznosulás Fényvédelem Károsodás Fényintenzitás növekedés Fényintenzitás növekedés Fényfelesleg Fényfelesleg Fotoszintetikus elektrontranszport Fényabszorpció csökkentése 1 Hı disszipáció 2 Fényintenzitás Fényfelesleg A fotoszintézis maximális kvantumhasznosítása reverzibilisen csökken Reaktív oxigén formák eltávolítása 3 A PSII inaktiválódása/ turnovere 1 Fotooxidáció A fotoszintézis maximális kvantumhasznosítása irreverzibilisen csökken 2 Fotoprotektív folyamatok 1) Fényabszorpció csökkentése - levélmozgások - anatómiai sajátosságok - kloroplasztiszok elmozdulása 2) Hı disszipáció - ph - klorofill-proteinek protonálódása - tilakoidok konformáció változása - LHCII aggregáció - karotinoidok, fıként különbözı de-epoxi-xantofillok felhalmozódása - PsbS fehérje jelenléte 3) Reaktív oxigénformák eltávolítása - Antioxidáns enzimek (SOD, PER) és metabolitok Fényintenzitás növekedés Fényfelesleg 18
Az abszorbeált fényenergia sorsa a kloroplasztiszban fluoreszcencia hıdisszipáció fluoreszcencia fotoszintézis hıdisszipáció fény fotoszintézis 19
Xantofill ciklusok Xantofill ciklus Hıdisszipáció és zeaxantin 20
A gerjesztési energia sorsa a kloroplasztiszban Karotinoidok és a szinglet oxigén fluoreszcencia fotoszintézis hıdisszipáció A) Optimális feltételek között az abszorbeált fényenergia az elektron transzport folyamatok mőködtetésére fordítódik; CO 2 fixáció és egyéb redukciós folyamatok lezajlása az elektrontranszport rátával hasonló arányban B) Ha a NADPH felhasználás gátlódik, akkor photooxidációs stressz lép fel. A PSIInél a gerjesztési energia oxigénre kerül, singlet oxigén képzıdik. A PSI-nél az elektron transzport a molekuláris oxigén redukciójához vezet, szuperoxid gyök és hidrogén peroxid képzıdik (Mehler-peroxidáz reakció). A H 2 O 2 detoxifikációja az aszkorbinsav-glutation ciklus során megy végbe. A reaktív oxigén formák megszüntetése a növényi sejtben The redox cycling of ascorbate in the chloroplast often referred to as the Halliwell-Asada pathway. 21
Antioxidáns rendszerek a kloroplasztiszban CO 2 asszimiláció Az aszkorbinsav redox ciklusa a kloroplasztiszban: Halliwell-Asada ciklus Eltérı útak: C3 C4 CAM utak C3 fotoszintézis út RUBISCO CALVIN-ciklus 22
Karboxiláció Redukció Regeneráció -röviden 23
A Calvin-ciklus mérlege Egy molekula CO 2 beépítése 2 NADPH és 3 ATP molekula felhasználásával jár. A Calvin-ciklus sötétben is lejátszódhat, de a fény fontos szerepet játszik több enzimének a szabályozásában. A C3 ciklus fontos szabályozója a hımérséklet: befolyásolja a sztómák záródását, az enzimek aktivitását, a membránok permeabilitását és a CO 2 diffúzióját és oldékonyságát. 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 Ezen kívül: az enzimek kötıdése a tilakoid membránokhoz fokozza a a Calvin ciklus hatékonyságát; mert magasabb szintő szervezıdés, amely kedvez a szubsztrát védelemnek. 24
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 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. A keményítı és a szacharóz szintézise kloroplasztisz Keményítı szintézis 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. Citoszol Szacharóz szintézis 25
A fruktóz 2,6 bifoszfát szabályozó szerepe A fruktóz 2,6 bifoszfát szabályozó szerepe A fruktóz 2,6 bifoszfát Kulcs fontosságú szabályozó molekula Fényen stimulálja a szacharóz szintézist és sötétben gátolja. Citoszólban található nagyon alacsony koncentrációban. Ha nı a koncentrációja csökken a szacharóz-szintézis, mert gátolja a fruktóz-1,6-bifoszfatáz enzimet (foszforiláció) és aktiválja a kináz enzimet (defoszforiláció). 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. 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. 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. 26
Fotorespiráció C2 oxidatív fotoszintézis ciklus C2 oxidatív fotoszintézis ciklus Rubisco oxigenase!!! Egy C2 ciklusban a szén 2 mól glikolsavban (C2) kerül ki a kloroplasztiszból és 1 mól glicerinsav (C3) formájában kerül vissza. Az oxidatív C2 ciklusban a ribulóz-1,5, bifoszfát oxigenáziója során a C 75 %-a visszakerül a kloroplasztiszba és a Calvin ciklusban felhasználódik. Nincs N-veszteség! Nincs NADH veszteség! 27