A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 1 1. Bevezetés A fotoszintézis során növények, algák és egyes baktériumok a Napból V]iUPD] IpQ\HQHUJL IHOKDV]QiOiViYD V]HUYH YHJ\ OHWHNH iootwdqd HO ( IRO\DPD ~O]i QpON I O OHJDODSYHW IRO\DPDWD KLV]H IRWRV]LQWp]LVE pohwirupi V]iPiU OHQJHGKHWHWOH V]pQKLGUiWRN D származnak a PDJDVDEEUHQG& HPEHULVp! iowd" IHOKDV]Qi" # VV]H$ pohoplv]h% YDODPLQ# D pstw- és nyersanyagok tekintélyes része. A molekuláris oxigén kibocsátásával és széndioxid megkötésével a IRWRV]LQWp]L$ DODSYHW V]erepet játszott a Föld jelenlegi légkörének kialakításában és egyensúlyának fenntartásában. Az ipari forradalom idején megindult és napjainkig HJ\U& J\RUVXO' WHFKQLND( IHMOGp) DODSMiX* V]ROJiO+ IRVV]LOL) HQHUJL, KRUGR]+- V]pQ NROD. p/ I OGJi]0 L/ D1 pymilliókkal korábban végbement fotoszintézis termékei. 9pJV VRU2354 IRWRV]LQWp]L6 HUGPpQ\7 4 OpJN U8 R[LJpQE9:4 V]WUDWRV]IpUiED3 NHOHWNH] y]rqsdm]6 LV; DPHO<=4 QDSIpQ\E9 NLV]&U8>4 PLQGH3 pohwirupi? HOSXV]WtW@ nagyenergiájú (λ < 280 nm) ultraibolya sugarakat. Alapfogalmak történeti áttekintésben Növények, fény, víz és oxigén Az 1770-es években John Priestly, egy angol vegyész felfedezte, hogy a Q YpQ\HAB2 O\D3 DQ\DJR? ERFViWDQDACAD8E4 OHYHJEH; DP8E9 HKHWYF WHV]8 DG pjpvw; LOOHWY7 szükséges a magasabbrendü szervezetek számára. Noha akkor még a molekuláris oxigén nem volt ismert, Priestly kísérletei azt mutatták, hogy a növények oxigént WHUPHOQHNHJI N YHWNH] MHOHQWK OpSpK -DL,QJHQKRXV]M HJN KROODLDO=P UYRK QHYpKHQ I ]GLNM DNR PHJPXWDWWDM KRJN R[LJpL=S LERcsátás csak fény jelenlétében és csak a Q YpQ\HS ] OO UpV]HLETVU UWpQLNW -DX 6HQHELHY VYiMFZ ERWDQLNX[ IHGH]W\ IHO] KRJ^`_ fotoszintetikus növekedéshez széndioxid szükséges, a víz szerepét pedig Nicolas- Théodore Saussure svájci kémikus mutatta meg. 1845-ben Julius Robert von Mayer német fizikus vezette be azt az elképzelést, hogy a fotoszintetizáló szervezetek a IpQ\HQHUJLiU NpPLDZ HQHUJLiYa_ ODNtWMiNW (]HX LGSRQWU IRWRV]LQWp]L[ DODSHOHPHL nevezetesen, hogy zöld növények a fényenergia, víz és széndioxid felhasználásával V]pQKLGUiWRNDU iootwdqdb HOLVPHUWWc YiOWDN
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 2 A növényi fotoszintézis alapreakcióját leíró egyenlet: CO 2 +H 2 O + Fényenergia --> (CH 2 O)+O 2 +H 2 O, ahol (CH 2 2d MHOHQe fg V]pQKLGUie SOh JOXNy]d NpS]GpVWikj IRO\DPDlm PRn &22 redukciója során 478 kj mol szabadenergia tárolódik a glukóz kémiai kötéseiben. A fotoszintézis vizsgálatok korai szakaszán általános volt az a vélekedés, hogy a növények által kibocsátott oxigén a felvett széndioxidból származik. Az 1930-as években Van Niel vizsgálatai nyomán vált világossá, hogy a fotoszintézis általános egyenlete alkalmazható olyan fotoszintetikus baktériumokra is, amelyek víz helyett kénhidrogént használnak elektron forrásként és oxigén helyett ként bocsátanak ki. Így a fotoszintézis általánosított alapegyenlete: CO 2 +2H 2 A+Fényenergia --> CH 2 O+2A+H 2 O, ahol H 2 A az elektron donor (pl. víz, kénhidrogén), A pedig a kibocsátott anyag 1.1. ábra. 18 O izotóp alkalmazása annak bizonyítására, hogy a fotoszintetikusan IHMOHV]WHo o R[LJpprq Yt]EOQHs SHGLt a CO 2 -ból, származik. (oxigén, kén).. ]YHWOHurv tvpuohw x EL]RQ\tWpNRw DUUDy KRJz Q YpQ\Hv HVHWpu D{ R[LJpu Yt]E} V]iUPD]L~ + p 6FDULVEULF~ V]ROJiOWDWR PHJPXWDWYiQƒ KRJ R[LJp IHMOGL~
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 3 széndioxid hiányában is. Reiben és mtsai (1941) 18 O-al dúsított vizet használva NLPXWDWWiNKRJ ˆ IHMOG R[LJpŠ L 18 O-at tartalmaz. Klorofillok Œ IpQ\HQHUJL EHJ\&MWpVpKH Ž IRWRV]LQWHWL]iO V]HUYH]HWH VSHFLiOL pigmenteket használnak, amelyek közül legfontosabb a vörös és kék tartományban HOQ\HO NORURILOO (]HŠ` LJPHQWQH D V] QKHW ) O OHJNDUDNWHULV]WLNXVDEE p D emberi szemnek oly kedves szín, a zöld. A klorofillok kémiai tulajdonságait és V]HUNH]HWpš 5LFKDU :LOVWDWOHœ p +DQ )LVKHœ WLV]Wi]Wž V]i]D Ÿ HOV KDUPDGiEDQ klorofillszintézis megismerpvpeh > HGL 5:RRGZRU MiWV]R NLHPHONHG V]HUHSHW 1.2. ábra. A klorofill a és klorofill b szerkezete. Fotoszintetikus egység
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 4 Az a felismerés, hogy a fotoszintézis fotokémiai rekacióban csak a klorofill molekulák egy töredéke vesz részt az 1930-as pyhne HUHGª 5REHU«(PHUV p William Arnold megmutatták, hogy optimális körülmények között kb. 2400 klorofill molekula szükséges egyetlen oxigén molekula fejlesztéséhez. Ezen eredmények alapján született meg a fotoszintetikus egység fogalma. E szerint a klorofill molekulák túlnyomó része a fény begyüjtését végzi és átadja egy speciális egységnek, amit akkor fotoenzimnek neveztek, ahol a fotokémiai reakció megtörténik. Mai ismereteink szerint ezen egységek a fotoszintetikus rekaciócentrumok. 1.3. ábra. A IpQ\EHJ\&MW SLJPHQWHNE p ²± IRWRNpPLD³ UHDNFLyU± NpSH reakciócentrum klorofillból álló fotoszintetikus egység koncepciója. Két pigmentrendszer $ R[LJpµ IHMOGp NYDQWX KDWiVIRNiQD º¹ L]VJiODW»¼» UU»¼» PHJOHS eredményre vezetett, hogy noha klorofill-a 680 nm felett is abszorbeál ezen WDUWRPiQ\EDµ D R[LJpQIHMOGp KDWpNRQ\ViJ» URKDPRVDµ FV NNHQ½ ( D ~Q½ Y U Vesés (red-drop) jelensége (Emerson és Lewis, 1943). A teljes fotoszintetikus folyamat hatékonyságának vizsgálata pedig azt mutatta, hogy a 68¾: À IHOHÁ Á EHN YHWNH] csökkenés kompenzálható hosszabb hullámhosszú fém (700-720 nm) hozzáadásával, D ~Qà (PHUVÄ IpOÅ IHOHUVtWpVÆ HIIHNWXÇ È (]HÉ=Ê pëíìhohqvpî YH]HWHËË DUUÏÏ
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 5 MHOHQOHÐ HOIRJDGRÑ Ñ NRQFHSFLyUDÒ KRJÓ R[LJpQWHUPHO IRWRV]LQWp]LÔ HVHWén két SLJPHQWUHQGV]HÕkÖ PD ØÑ HUPLQROyJLiYDÙ DÚ HOV pô PiVRGLÛ IRWRNpPLD UHQGV]HÕ Ü pô NpÑ IpQ\UHDNFLÝ P&N GLNÞ 0HJMHJ\]HQGß KRJà QHP-R[LJpQWHUPHO IRWRV]LQWHWLNXá baktériumokban csak egy pigmentrendszer ill. fényreakció van. Széndioxid fixálás A CO 2 biokémiai átalakítása szénhidrátokká sötétben is lejátszódó enzimatikus reakciók sorozata. A szén redukciójához szükséges energia azonban a fotoszintézis IpQ\UHDNFLyâ VRUiãåä HOHWNH] HQHUJLiEDã JD]GDæ YHJ\ OHWEç $7è pé 1$'3+ê származik. A széndioxid fixálás egyes lépéseit Melvin Calvin, Adrew Benson és James Basstam tisztázta az 1940-50-es évek során. 1.4. ábra. A széndioxid fixálás és a fotoszintézis fényreakcióinak kapcsolata Kemiozmotikus energiaátalakítás
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 6 1961-ben Peter Mitchell azt a hipotézist javasolta, amely szerint a sejtek energiát tudnak tárolni a membrán két oldala között létrehozott elektromos tér és proton gradiens, együttesen az ún. elektrokémiai grádiens formájában. Ez az ún. kemiozmotikus hipotézis vezetett el a membrán rendszerek egy fontos energiaátalakító mechanizmusának tisztázásához. Ez a folyamat a fotoszintézis fényés sötét reakciói közötti kapcsolatot biztosító ATP szintézisében játszik fontos szerepet. 1.5. ábra. A kemiozmotikus hipotézis. A membránba ágyazódott protonpumpa által generált proton gradiens az ATP-áz közvetítésével ATP szintézisben hasznosul. Membrán fehérjék ë IRWRV]LQWHWLNXì HQHUJLDiWDODNtWiVEDí UpV]WYHY IHKpUMpî W~OQ\RPï UpV]ð membránokba ágyazódva található. Ezen fehérjekomplexek szerkezetének részletes LVPHUHWðñð OHQJHGKHWHWOHíóò IRWRV]LQWp]Lì IRO\DPDWDLQDî PROHNXOiULìôì ]LQW& értelmezéséhez. Az 1980-as évek elején Johann Deisenhoffer, Hartmut Michel, Robert Huber és mtsai meghatározták a Rhodopseudomonas viridis bíborbaktérium reakciócentrumának térszerkezetét. Ezzel megnyitották az utat a fotoszintézis
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 7 V]HUNH]Hõ ö ELROyJLiMiQD J\RUV WHP& IHMOGpVpKH]ø DPL napjainkra a fotoszintetikus DSSDUiWXù PLQGHú PHPEUiúˆ Dû PSOH[pUü HUHGPpQ\H]Hõ õ V]HUNH]Hõ ödö QIRUPiFLyW 1.6. ábra. A fotoszintetikus apparátus tilakoid membránba ágyazott protein NRPRSHQHVHLýÿþ IpQ\EHJ\&MW DQWHQQD PiVRGL IRWRNpPLD UHQGV]HU FLWokróm b 6 f NRPSOH[D HOV IRWRNpPLD UHQGV]HUD $73-áz. Fotoszintézis a Nobel díjak tükrében IRWRV]LQWp]L IRO\DPDWiQD p NXWDWiViQD MHOHQWVpJp P VH EL]RQ\tWM jobban mint a fotoszintézis kutatással kapcsolatban elért eredményekért odaítélt Nobel díjak listája: 1915: Richard Wilstatter (kémiai), a klorofill tulajdonságai 1930: Hans Fischer (kémiai), a klorofill szerkezete 1961: Melvin Calvin (kémiai), a széndioxid fixálás mechanizmusa
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 8 1965: R. Woodword (kémiai), a klorofill szintézis biokémiája 1978: Peter Mitchell (kémiai), a kemiozmotikus hipotézis 1988: J. Deisenhofer, H. Michel és R. Hubert (kémiai), a bíborbaktériumok reakciócentrumának térszerkezete 1992: Rudolph Marcus (kémiai), a biológiai elektrontranszport elmélete A fotoszintetizáló szervezetek osztályozása IRWRV]LQWp]LVU NpSH RUJDQL]PXV DODSYHWH p FVRSRUWED R[LJpQ- WHUPHO p QHP-R[LJpQWHUPHO RV]WKDWyN 2[LJpQWHUPHO IRWRV]LQWp]L W UWpQL PLQGH pq\eh p LDQREDNWpULXPRNEDQ (]H V]HUYH]HWH DODSYHW MHOOHP]Me a Yt]E! V]iUPD]"# [LJpQIHMOHV]Wp p$ ]pqglr[l% IL[iOiV IRWRV]LQWp]L IpQ& V]DNDV] Np IpQ\UHDNFLyEy! ioo DPHO\HNH Np IRWRNpPLD' HJ\VpJ D( HOV- ill. második fotokémiai rendszer végez. Nem- R[LJpQWHUPHO IRWRV]LQWp]LVU) J\H baktériumok képesek, ezek a bíborbaktériumok, zöld kénbaktériumok, zöld csúszóbaktériu-mok és a heliobaktériumok. A fotoszintézis ezen formájánál az elektron donor nem víz, hanem más szervetlen (pl. H 2 S) vagy szerves (pl. szukcinát) anyag és nem történik oxigén fejlesztés. További közös jellem-]m N KRJ& FVD HJ\IDMW fotoszintetikus egységet tartalmaz-nak, DP' D( R[LJpQWHUPHO IRWRV]LQWHWLNX V]HUYH]HWH HOV- vagy második fotokémiai rendszerével mutat analógiát. * ieud*,+ IRWRV]LQWHWL]iO- V]HUYH]HW. / DODSYHW WtSXVDL = OGDOJD0 PDJDVDEEUHQG& növény és bíbor baktérium.
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 9 A fotoszintézis mint globális folyamat 0LQ1 NRUiEED2 HPOtWHWW35476 IRWRV]LQWp]L8 IRO\DPDW696 ODSYHW EHIRO\iVVD: EtU1 nemcsak a Föld bioszférájának, hanem atmoszférájának alakítására is. Az élet megjelenpv;9; O1 1 D< DWPRV]IpU696 ODSYHWH2 UHGXNiO= MHOOHJ& YROW> 1H? WDUWDOPD]R1 1 R[LJpQW@ INpQ1 PHWiQEy: p8 QLWURJpQE: ioow>5a NRUDL@ y]rq1 QH? WDUWDOPD]= OpJN UB2 keresztül a Nap ultraibolya sugarai akadálytalanul elérték a Föld felszínét. Így az élet kezdeti formái az óceánok vizének védelmében alakultak ki. Az atmoszféra IRWRV]LQWp]L8 UpYp2 W UWpQ iwdodntwiviqd4dc5b2 W OpSpV;E6 < HOV R[LJpQWHUPHO organizmusok, a cianobaktériumok megjelenése volt kb. 3x10 9 pyyh: H]HOWW> $< általuk termelt oxigén hosszú ideig az óceánokban található Fe (II) vegyületek oxidálására fordítódott és csak kb. 1.5x10 9 pyyh: H]HO1 1 NH]GH1 1 PHJMHOHQQFG6 légkörben. Az oxigén feldúsulása az atmoszférában maga után vonta a leginkább károsító UV-C (230-280 nm) ill. UV-B (280-320 nm) sugiu]iv1h1 HOMHVH2 HOQ\HO LOO OpQ\HJHVH2 J\HQJtW y]rqupwhi NLDODNXOiViW@ to\p=5c5j2 OHKHWYK WpY;L6 < poh1 megjelenését a Föld felszínén. Az oxigén termelés mellett a széndioxid fixálás a IRWRV]LQWp]L8 PiVLN@ DODSYHW DWPRV]IpU6 IRUPiO=NM DWiVD> $< HYRO~FL= VRrán óriási PHQQ\LVpJ& V]p2 WiUROyGR1 1O6 IRWRV]LQWp]L8 WHUPpNHNpQW@ DPLE: PpI QDSMDLQNED2 L8 NEPRQST5T *U iv V UHQGHONH]pVUW IRV]LOLX HQHUJLDKRUGR]YZ V]pQ[ NRODM[ I OGJi]\ IRUPiMiEDQP] I GW UWpQHU ^ NRUU_ MHOOHP] PDJDX &22 koncentráció csökkentése szintén a fotoszintézis eredménye, ami Föld légkörének lehülését és óceánok visszahúzódását eredményezte. Napjainkban a fotoszintetizáló szervezetek kb. 100 Gt szenet kötnek meg évente, ami 4x10 18 N` WiURV U V]DEDGHQHUJLiQDZ IHOHV PHJP (ab_ ) OGHU pu WHOMHX sugárzási energia kb. 0.1%-a. A bioszférában lejátszódó respirációs folyamatok HUHGPpQ\HNpQU KDVRQOY PHQQ\LVpJ& V]pcRZ HU V YLVV] a DWPRV]IpUiED[ DPLKHa MiUXV Ppd_ IRVV]LOLX HQHUJLDKRUGR]YZ px W ]LI_ W OpJHWpVpEV V]iUPD]YeZfgPQ *U V]pc pyhqwh Ezt a hatást csökkenti az óceánok vize, ami oldott CO 2 formájában évi kb. 4 Gt szenet Q\HV HOP (]Hc IRO\DPDWhZ HUHGMHNpQU D]RQEDc Da DWPRV]IpU_ &22 tartalma évi kb. 3 *U V]pQQHZ PHJIHOHO PHQQ\LVpJJHi Q YHNV]LNj $k HOP~i lnm5o5o pp DODl l Dk atmoszférikus CO 2 mennyisége 280 ppm-uqor5st#u5u P-Uv Qw w px EHFVOpVHy V]HULQwOz
A fotoszintézis molekuláris biofizikája (Vass Imre, 2000) 10 21. Század végére szerint elérheti a 700 ppm-w{ DP D} DWPRV]IpU~ MHOHQW felmelegedését eredményezheti. 1.8. ábra. A szén globális körforgása. Az értékek Gt-ban vannak megadva. Irodalmak: Blankenship, R. (1992) "Origin and early evolution of photosynthesis" Photosynth. Res. 33, 91-111 Deisenhofer, J., Epp, O., Miki, K., Huber, R., and Michel, H. (1985) "Structure of the protein subunits in the photosynthetic reaction centre of Rhodopseudomonas viridis at 3 A resolution" Nature 318, 385-398 Duysens, L.M.N. (1989) "The discovery of the two photosynthetic systems: A personal account" Photosynth. Res. 21, 61-79 Mitchell, P. (1961) "Coupling of phosphorylation to electron and proton transfer by a chemiosmitic type mechanism" Nature 191, 144-148