Transcript Fotoszintézis I.

Fotoszintézis I.
A fényreakció
Dr. Horváth Ferenc
Fotoszintézis: a fény energiájának hasznosítása szerves
anyagok szintézisére
A Napból az atmoszférát elérő energiamennyiség: 56 x 1023 J/év
Ennek a fele éri el a Föld felszínét: 28 x 1023 J/év
A fotoszintézisben hasznosulni képes hullámhosszok energiája ebből: 15 x
1023 J/év
Az előállított szerves anyag tömege 2 x 1011 tonna/év,
melynek energiatartalma: 3 x 1021 J/év
A fotoszintetizáló szervezetek tehát az arra alkalmas energiának csak 0,2 %át hasznosítják.
Fotoszintetizáló szervezetek
Prokarióták
zöld, kékes-zöld és bíbor baktériumok,
Prochloron-fajok,
Halobacterium halobium
Eukarióták
egysejtű algák,
többsejtű zöld-, barna és
vörösmoszatok,
magasabb rendű növények
A Föld jelenlegi légkörének O2 tartalma
fotoszintetikus eredetű!
„oxigén katasztrófa” – 2,4 milliárd éve
A fotoszintézis általános reakcióegyenlete
H2D + A
fény
Redox reakció, melyben H2D-donor,
A-akceptor molekula
H2A + D
A fotoszintetizáló szervezetek döntő többségében a donor molekula a víz,
az akceptor molekula a szén-dioxid vagy más molekulák.
redukció
2n H2O + n CO2
fény
n (CH2O) + n H2O + n O2
redukált termék
oxidáció
A felszabaduló O2 a vízből képződik.
Jelenleg magas a légkör O2 tartalma (21 tf%) a CO2-hoz képest (0,03 tf%),
amely gátolja a fotoszintézist.
A karbon korban lehetett az ideális arány, hatalmas mennyiségű szerves anyag
képződött  fosszilis energiaforrás
fény
H2D + A
H2A + D
Elektrondonor lehet még: kénhidrogén, hidrogén, szerves anyagok (zöld
és bíbor baktériumok)
Elektronakceptor lehet még: nitrátion, szulfátion, N2, H+
Variánsok
1.) CO2 asszimiláció
H2S
H2O
+ CO2
+ CO2
[CH2O]
[CH2O]
+
+
S
O
[CH2O] = szénhidrát
2.) nitrogén asszimiláció
H2S
H2O
+
+
NO3N2
NH3
NH3
+
+
S
O
N2-fixálás
Anabaena
F. F. Blackman (1905-1911)
Magas CO2 koncentrációnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos
a fény intenzitásával (alacsony fényintenzitások esetén).
Magas fényintenzitásnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a
CO2 koncentrációjával (alacsony CO2 koncentrációk esetén).
A fotoszintézis két szakaszra bontható: „fényszakasz” és „sötétszakasz”
Robert Hill (1937)
Hill, R., 1937. Oxygen evolution by isolated chloroplasts. Nature
139 S. 881-882
Izolált kloroplasztiszok megvilágítás mellett, mesterséges elektron
akceptorok jelenlétében oxigént termelnek.
2 H2O + 2 A
fény
2 AH2 + O2
A reakcióhoz nem kell CO2. Az elektron akceptor a NADP+.
2 H2O + 2 NADP+
fény
2 NADPH + 2 H+ + O2
Sikerült kimutatni, hogy a NADPH képződése (fotoredukció) mellett a
fényenergia terhére ATP is szintetizálódik (fotofoszforiláció).
A fotoszintetikus apparátus szerkezete
Kloroplasztiszok
lencse alakú, 3-10 µm3,
20-60 db/sejt
kettős membrán határolja (6 nm vastagságúak, 10-20 nm-es résekkel)
sztróma (CO2 redukciós enzimek, klp cirkuláris DNS, 70S riboszómák, keményítőszemcsék)
tilakoidmembránok,
összefüggő üregrendszer = lumen
gránumok
A kloroplasztisz belső membránrendszerének
elektronmikroszkópos képe
sztróma
sztrómatilakoid
gránatilakoid
keményítő szemcse a sztrómában
A tilakoid membránban integráns
membránfehérjék találhatók
pl. reakciócentrumok, antenna pigment-protein
komplexek, elektron továbbító fehérjék
A PS II D1 fehérjéjének szerkezete a tilakoid membránban
Kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek. A fehérjekomplexek elhelyezkedése a tilakoid membránban.
Komponens
Gránum t.
Sztróma t.
PS II
85
15
PS I
15
85
Cyt-b6/f
50
50
LHC II
70-90
10-30
ATP-szintáz
0
100
A fehérjekomplexek százalékos megoszlása a
gránum és sztrómatilakoidok között
Honnan származik a kloroplasztisz?
A prokarióták közül ehhez legjobban a
Prochloron fajok tikaloidjai hasonlítanak
(kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek)
Oxigént termelő, zsákállatokkal szimbiózisban
élő szervezetek.
Klorofill a és b is megtalálható
Endoszimbionta elmélet – a Prochloron fajok
endoszimbiózisával alakultaki a magasabb
rendű növények kloroplasztiszai
Prochloron didemni
Cianobaktériumok (kékeszöldbaktériumok), és vörösmoszatok
tilakoidjai
- nem tapadnak össze
- felszínükből fikobiliszómák emelkednek ki
fikoeritrin
fikocianin
allofikocianin
reakciócentrum
60 nm átmérőjű, 10 nm vastag félgömbök
Áll: fikobiliproteinek és más kötő proteinek
Elektrondonor: víz  oxigént fejlesztenek a
fotoszintézis során
Cianobaktériumok okozta vízvirágzás
(kékeszöld színűre festik a vizeket)
A fény tulajdonságai
A fény hullám és részecske természetű
c = λ ν, ahol
c a hullám sebessége (3 x 108 m s-1)
λ a hullámhossz, ν pedig a frekvencia
A fény részecske a foton, melynek
energiatartalma a kvantum.
A fény energiája kvantumok összességéből
áll, ezért nem folytonos, hanem diszkrét
értékeket vesz fel.
Egy foton energiája függ a foton
hullámhosszától:
E = h · ν , ahol
h a Planck állandó (6,626 x 10-34 J s).
A napfény ilyen energiakvantumok (fotonok) „esője”, melyből
szemünk csak egy adott frekvenciatartományt lát.
nm
A napfény energiatartalma különböző hullámhosszokon
Abszorpciós spektrum:
A fényenergia
elnyelődése különböző
hullámhosszokon
Spektrofotometria
A fény elnyelődése a vizsgálandó anyagban (pl. klorofill a molekulák),
mely a fényt nem-elnyelő oldószerben van feloldva
A = log I0 / I
A = abszorbancia, más néven optikai denzitás (OD)
A = εcl , ahol
(Lambert-Beer törvény)
ε az anyag moláris abszorpciós együtthatója (L mol-1 cm-1)
c az anyag koncentrációja
l a küvettavastagság (általában 1 cm)
(Web Topic 7.1)
A fotoszintetikus pigmentek
Csak az a fény válthat ki fotokémiai
reakciót, amely a rendszerben
elnyelődik
(A fotokémia I. törvénye)
bakterioklorofillok
klorofillok (a, b, c, d)
kísérőpigmentek
fikobilinek
Klorofillok
Porfirin gyűrű – négy pirrolgyűrűből áll
A négy pirrolgyűrű mellett egy öttagú ciklopentanon
gyűrű található
Magnézium ion a porfirinváz közepén, amely savas
közegben leválik, ekkor a neve: feofitin
Észter kötéssel csatlakozó fitol
Sok klorofill a forma van, melyek közül a P680 és P700 tud
fotokémiai reakcióba lépni
A többi forma fény abszorbeáló és energiaátadó
Kísérőpigmentek
Karotinoidok
40 C-atomos poliizoprén
molekulák
Konjugált kettős kötések
α és β-ionon gyűrűk a
molekula végein
H3C CH3
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
b-karotin
Két csoport: karotinok és oxigént tartalmazó xantofillok
Sárga színűek, mert a kék tartományban abszorbeálnak
Fotoprotektív hatás
Energia közvetítés a klorofillok felé
H3C
HO
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
lutein
OH
H3C
CH3
H3C
CH3
H3C CH3
Fikobilinek
cianobaktériumokban, vörös
algákban
A pirrol gyűrűk nem záródnak
porfirin gyűrűvé, nincs
fématom
A fikobiliproteinekhez kötődő
kromofórok
Klorofill-protein komplexek
Tilakoidok detergensekkel szolubilizálva  gélelektroforézis 
többféle klorofill-karotinoid-protein komplex választható szét
Klorofill-a-protein komplexek
Reakciócentrum
Reakciócentrum belső antennarendszere
A fehérjék szintézise és a DNS is a
kloroplasztiszban van
Klorofill-a/b-protein komplexek
Lhca1… stb, fénygyűjtő funkció
citoplazmában szintetizálódnak, kód a
sejtmagban van  későbbi eredet
4 fő csoport:
1. Core complex I (CCI) – PS I reakciócentruma
2. LHC I – PS I fénygyűjtő komplexe
3. CC II – PS II reakciócentruma
4. LHC II – PS II fénygyűjtő komplexe
CC I.
Heterodimer komplex (PsaA és PsaB)
Monomerenként 40-50 klorofill-a, 1-2 βkarotin
csak az egyiken van P700
A0 – klorofill-a
A1 – K-vitamin (fillokinon)
Ferredoxinok (vas-kén proteinek) – 3 db
egymás után
Mobilis ferredoxin
LHC I.
Klorofill a és b aránya (3,5:1)
Klorofill-a/b-protein komplexek alkotják
CC II.
7 fehérjéhez kapcsolódik chl-a
D1 és D2 fehérjék heterodimert
alkotnak
P680, 4-5 kl-a, 2 Pheo
CP43, CP47
QA és QB (elsődleges és másodlagos
akceptorok)
D1 161. aminosava, tirozin; az YZ
elsődleges e- donor
2 db citokróm b559, fotoprotektív
szerep
Mn atomok - vízbontás ("M" enzim)
LHC II.
Lhcb1, Lhcb2 és Lhcb3 (klorofill a/b
proteinek)
Xantofill molekulákat is tartalmaznak
Trimerekké szerveződik
Mobilis trimerek
A gerjesztett molekula energiája
A fény abszorpciója, a Jablonski-féle termséma
S2
S1
10-15
ΔE2
T1
10-9 s
s
10-15 s
10-3 s
ΔET
ΔE1
S0
Szinglet ↔ triplet átalakulás (nem radiatív)
Vibrációs kaszkád (hő)
Belső konverzió (hő)
Fluoreszcencia (radiatív)
Foszforeszcencia (radiatív)
Abszorpció
Kék gerjesztőfény
Vörös gerjesztőfény
Klorofill molekula: alapállapot (S0), az elektronok energiája kvantált, csak adott
energiaszintek léteznek, amelyek tovább bomlanak a molekula vibrációs és rotációs
energiájának megfelelően, nagy molekulák esetén széles sávokká válnak.
Egy π-elektron kötő pályáról π* lazító pályára lép.
Pauli-féle tilalmi elv: 1 molekulapályán maximum két elektron foglalhat helyet,
méghozzá ellentétes spinnel
A gerjesztett állapotban a lazító pályán lévő elektron állhat antiparallel (szinglet
S1 vagy S2 állapot) vagy parallel (pl. triplet T1) állapotban
vörös fény (kisebb energiájú foton) elnyelése: S1 állapot
kék fény (nagyobb energiájú foton) elnyelése: S2 állapot
Fluoreszcencia
A klorofill fluoreszcenciája akkor is a vörös hullámhossz tartományba esik, ha
kék fényt nyel el
Ok: az S2-S1 átmenet mindig hő formájában disszipálódik (belső konverzió)
A fluoreszcens fény hullámhossza nagyobb a gerjesztő fényénél
(hőveszteség miatt)
S2
S1
Fluoreszcencia
Hő
E
Fotokémiai munka
teljes
Zárt reakciócentrum
Nyitott reakciócentrum
Fluoreszcencia
PAM-2100 készülék
A levélből származó fluoreszcenciát méri
Az antenna-pigmentek az elnyelt fényenergiát a
reakciócentrum klorofill a felé továbbítják
A fényenergia vándorlása:
antenna pigmentek között: külső és belső
antennák
reakciócentrumok klorofill a
molekulájához: energia csapdázódás
II. fotokémiai rendszer: P680
I. fotokémiai rendszer: P700
A gerjesztési energia sorsa
hővé alakul (belső konverzió, vibrációs kaszkád),
fluoreszcencia,
fotokémiai reakciók (redox folyamatok, S1 és T1 szintről történhet)
rezonancia energia transzfer: energia migráció (kémiailag azonos
pigmentek között) vagy energiatranszfer (kémiailag eltérő
pigmenteknek adódik át az energia)
Energiaátadás két pigment molekula között akkor történik,
ha a donor és akceptor molekula fluoreszcencia és
abszorpciós spektruma részben fedi egymást
Az első kísérlet, amely bizonyította, hogy több klorofill
molekula működik együtt az energia-konverzióban
Emerson és Arnold (1932)
10-5 s fényvillanásokat bocsátottak
zöldalga szuszpenzióra, és mérték a
képződő oxigén mennyiségét. A
villanások 0,1 s-ként követték egymást.
A villanások erejének fokozásával az
oxigén termelődés telíthető volt.
Maximális sebességnél, 1 molekula O2
képződésére 2500 db klorofill molekula
esik a mintában.
Számolható ebből egy fontos
paraméter, a kvantumhatékonyság:

fotokémiai termékek száma
abszorbeált kvantumok száma
Működő, gyenge fényen tartott kloroplasztisz
esetén ez 0,95.
A fluoreszcencia kvantumhatékonysága
ekkor 0,05.
Akcióspektrum: funkció vagy reakció
sebessége a fény hullámhosszának
függvényében
pl. oxigéntermelés sebessége, a
fotoszintézis kvantumhatásfoka
A prizmával alkotóelemeire bontott fehér fény
kék és vörös hullámhosszú komponenseivel
megvilágított régió köré gyűlnek az aerob
baktériumok a fotoszintetizáló Spirogyra körül
Az akcióspektrum abszorpciós spektrummal való összevetése megmutatja,
hogy mely pigmentek milyen mértékben vesznek részt az adott folyamatban.
A két fotokémiai rendszer
Korai bizonyítékok
R. Emerson kísérlete (1943)
Chlorella oxigéntermelésének akcióspektrumát vizsgálta
A 685 nm-nél nagyobb hullámhosszú fény akcióspektruma hirtelen
lecsökken: „red drop” vagy „vörös esés” a vörös hullámhossztartományban
Vörös esés
A két fotokémiai rendszer
Korai bizonyítékok
Emerson-féle erősítési effektus
Ha egyidejűleg a 685 nm-nél nagyobb hullámhosszú fény mellett
(pl. 700 nm; oxigéntermelés: P1)
rövidebb hullámhosszút is alkalmazott (650 nm, P2), akkor az együttes
alkalmazás esetén (700 nm + 650 nm; P1+2):
P1 + P2 < P1+2
A két fotokémiai rendszer
Korai bizonyítékok
L. R. Blinks kísérlete (1950)
Kromatikus átmenetek
650 nm és 700 nm fény intenzitását úgy állította, hogy P1 = P2
Ekkor az egyik hullámhosszról a másikra való gyors váltás jellegzetes
sebességváltozásokat okozott az oxigéntermelésben.
Tehát a kétféle fény mintha két különböző rendszert kapcsolna ki és be.
A két fotokémiai rendszer
Korai bizonyítékok
Hill és Bendall, 1960
A citokróm f oxidációja a kloroplasztiszban.
A távoli-vörös fény oxidálta, a zöld fény redukálta a citokrómot:
Az „antagonisztikus effektus”
Magyarázat: a távoli-vörös fény csak a PS I-et gerjeszti (a vörös eltolódás is
emiatt jelentkezik), a zöld fény mindkettőt.
A két fotokémiai rendszer működésének kapcsolata; a Z-séma
Különbségek:
PS II erős oxidálószert, mellyel a vizet oxidálja, és gyenge redukálószert termel
PS I gyenge oxidálószert és erős redukálószert termel, mellyel a NADP+-t redukálja
A fotoszintetikus elektrontranszport