Transcript KEBR562_04

Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012
Fotosyntéza
I. Primární fotochemické procesy
na thylakoidní membráně
Tomáš Hájek
[email protected]
Jiří Šantrůček
Máte na to !?
1/
Jaký je význam slova „foto-syntéza“ ?
2/
Jaký má fotosyntéza význam pro život na Zemi ?
3/
Dokážete pojmenovat vstupy a výstupy ? Odkud pochází kyslík?
4/
Kde k fotosyntéze dochází ?
Fotosyntéza – zjednodušená časoprostorová škála
cukry
O2
foton
(400-700 nm)
CO2
ATP, NADPH
Passioura, Plants in Action
H2O
Obsah
• Přehled fotosyntézy:
–
–
–
–
–
Bilance: vstupy a výstupy
Místo činu: Chloroplast (anatomie)
Co se v chloroplastech děje? A jak se na to přišlo?
Thylakoidní membrána, primární procesy
Enzymatické (sekundární) pochody ve stromatu: příště…
• Primární pochody a struktury ve fotosyntéze:
–
–
–
–
Absorpce světelného kvanta – pigmenty
Separace náboje
Transport elektronů
Syntéza ATP, NADPH
• Ochrana fotosyntetického aparátu a regulace
pochodů při fotosyntéze
Co to je, když se řekne:
• Autotrofní:
• Fototrofní:
• Heterotrofní:
Souhrnná rovnice fotosyntézy
h.
oxygenní fotos.:
vyšší i nižšší rostliny, řasy
sinice
CO2 + 2H2O  (CH2O) + O2 + H2O
Jean Baptiste Boussingault 1864: CO2/O2 1
h.
anoxygenní fotos.: CO2 + 2H2S  (CH2O) + 2S + H2O
fotosyntetické bakterie
Donor elektronů
fotos. obecně:
h
CO2 + 2H2A  (CH2O) + 2A + H2O
Van Niel 1941: oxidačně-redukční povaha
Fotosyntéza je světelně závislá redox reakce
Místo činu
vnější membrána
vnitřní membrána
Chloroplast
=
fotosyntetická
organela
eukaryot
Am = škrobová zrna
Th = thylakoid (stromatální)
G = grana
Pg = plastoglobuly
Endosymbiotický původ
Chloroplast - fotosyntetická organela eukaryot
Eukaryontní buňka:
chloroplast
A = škrobové zrno,
G = grana
Pg = plastoglobuly
Co se děje v chloroplastech?
A jak se na to přišlo?
Cornelius Van Niel
oddělení oxidační a redukční části fotosyntézy:
2H2OO2+4e-+4H+
CO2+4e- +4H+(CH2O)+H2O
Robert Hill (30-tá léta 20. stol.),
akceptory elektronů, na světle měřil produkci
O2 z vody: oxidační a redukční část fotosyntézy
nejsou nutně spojeny
Robert Emerson, William Arnold
(30 až 50-tá léta 20. stol.), kvantová potřeba,
Nutno asi 2500 chlorofylů na 1 fotochemický děj
Daniel Arnon (ATP se produkuje na světle,
CO2 se fixuje ve tmě (oddělitelné)
Melvin Calvin
& …… (50-60 l. 20. stol., sled enzym. reakcí)
U,K 101
Škrobový sluneční tisk
list Pelargonium,
negativ obrazu ...
Julius von Sachs 1864:
Škrob se akumuluje v
listech výlučně v těch
částech, které jsou
osvětleny.
D. Walker 57
Primární fotosyntetické
procesy
= zachycení světelné energie na
thylakoidní membráně chloroplastů
Musí existovat dva spřažené mechanismy přeměny světla v chloroplastu.
Z čeho to vyplynulo?
Karikatura toku elektronů thylakidní membránou
PS II
PS I
Řetězce přesunu elektronů v thylakoidní membráně - Z schéma
Elektronový transport ve fotosyntetické membráně
při oxygenní fotosyntéze (Z-schéma)
Buch s.595
…a zase trochu jinak
Membránová organizace Z-schématu !
OEC
Řetězce přesunu elektronů a protonů v thylakoidní membráně
schéma thylakoidní membrány s vybranými základními
bílkovinnými komplexy
Stromatální část thylakoidní membrány
Granální část thylakoidní membrány
vnitřek tzv. lumen thylakoidu
Komplexy ATP-syntázy
U,K 100
Souhrn
Vstupy a výstupy látek a energie v primárních procesech
oxygenní fotosyntézy
Pigmenty a antény
Zelenou barvu rostlin způsobuje chlorofyl.
Téměř všechny fotosyntetické organismy jej obsahují.
Tetrapyrolový
kruh
Fytol (C20)
Rostlina je zelená díky
chlorofylu.
Ale proč je chlorofyl
zelený?
Absorpce světla (fotonu)
vede k přesunu molekuly
do tzv. „excitovaného
stavu“
Akční spektrum =
závislost fotosyntézy
(produkce kyslíku,
rychlosti fixace CO2)
na kvalitě světla.
Engelmannův pokus
konec 19 století
Co se děje s molekulou chlorofylu při absorpci světla?
Modré světlo může excitovat chlorofyl do vyššího energetického stavu než červené světlo.
Deexcitace se děje: teplem nebo fluorescencí nebo fotochemií neboli rezonančním transportem
Fluorescence chlorofylu je vždy v „délevlnnější“ červené oblasti (zákon o zachování energie).
Proč musí existovat antény?
Schéma fykobilisomu sinic
PE=fykoeritrin, PC=plastocyanin, AP=allofykocyanin
Model antény a reakčního centra
Reakční centrum PSII
včetně kyslík vyvíjejícího
komplexu (OEC)
Struktura reakčního centra PSII u oxygenních organismů
(vyšších rostlin, řas, sinic)
Oxidace vody
akumulace náboje
2H2O  O2+4H+ + 4e-
temnotně
adaptovaný
stav
Fotofosforylace,
ATP-syntáza
pokus Jagendorfa
Membránová organizace Z-schématu
Lumen: nízké pH
(nahromaděné H+)
Komplex ATP-syntázy
Regulace, ochrana,
xantofylový cyklus
Karotenoidy - chemismus
Geranylgeranyl difosfát (20 C)
Fytoen (40 C, 9 C=C)
Fytoflueh (40 C, 10 C=C)
-karotén (40 C, 11 C=C)
Neurosporen (40 C, 12 C=C)
Lykopen (40 C, 13 C=C)
-karotén (40 C, 11 C=C 2cykly)
Zeaxantin (40 C, 11 C=C,
2 cykly, 2×OH)
! Xantofylový cyklus
Antioxidanty
Otázky, shrnutí
1) Dokázali byste odvodit, kolik fotonů (jednofotonových záblesků)
musí chlorofyly RC fotosystémů zachytit, aby se vyvinula jedna
molekula kyslíku a proces kontinuálně probíhal?
2) Na kterých dvou místech je spojen transport elektronů
s transportem a tvorbou protonového gradientu?
3) Jak se rostlina brání nadměrné ozářenosti (na úrovni thylakoidů)?