Transcript Фотосинтеза II део

Fotosinteza
Kretanje elektrona i protona
Z shema; standardni redox potencijal
Cikličan transport elektrona
Pseudocikličan transport elektrona
Fotoinhibicija fotosinteze – generisanje ROS
Fe3+ + •O2− → Fe2+ + O2
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH− + •OH
•O2- + H2O2 → •OH + OH- + O2
Fenton
Haber-Weiss
Ksantofilni ciklus
“gašenje” pobuđenog stanja
hlorofila (quenching)
Ciklus voda-voda
Uklanjanje ROS
Askorbat-glutationski ciklus
(Halliwel-Asada ciklus)
Regeneracija Asc i potrošnja NADPH
Biohemijska faza fotosinteze
Koriste se ATP i NADPH sintetisani
tokom fotohemijske faze
Berkley, Amerika 40-ih i uvođenje radioaktivnih izotopa (14C)
Prvi produkt nije heksoza
Prvi stabilan intermedijer je 3-fosfoglicerat
Brzo se javlja još veliki broj jedinjenja
Kalvinov ciklus (reduktivni PPC)
Karboksilacija –
vezivanje CO2 u
organsku materiju, za
ribulozo-1,5-bisfosfat
Redukcija – od
oksidovanog (C+4) do
redukovanog (C+1) u
GAP
Regeneracija
akceptora – Ru-1,5-bP
RubisCO
•Jedini enzim koji omogućuje fiksaciju
atmosferskog CO2 za izgradnju biomase
•Katalizuje i oksigenaciju
•Do 40% solubilnih proteina lista
•Najzastupljeniji protein na Zemlji
•Afinitet prema CO2 je dovoljno visok da
enzim radi i pri niskim koncentracijama
CO2
•Fosforilacija fosfoglicerata
•Redukcija bisfosfoglicerata
•NADPH GA-3-P dehidrogenaza
•Enzim sličan citosolnom koji učestvuje u glikolizi
Da bi tekao ciklus neophodna
je regeneracija akceptora –
RuBP
Samo 1/6 triozo fosfata se
koristi za sintezu skroba i
saharoze
Brzina ciklusa zavisi od
koncentracije
intermedijera
(lag faza pri uključivanju
osvetljenja)
Kod anoksigenih bakterija postoji samo jedan fotosistem
zelene sumporne bakterije
purpurne bakterije
Reduktivni ciklus karboksilnih kiselina
Sinteza organskih kiselina iz acetil i sukcinil CoA,
posredstvom feredoksina
Hidroksipropionatni put (zelene nesumporne bakterije)
Acetil CoA put (metanogene bakterije)
Efikasnost fotosinteze
1 CO2 – 8 fotona – 8*172 kJ
6 mol CO2 - 1 mol fruktoze - 8400 kJ
Oksidacija fruktoze – 2800 kJ
Efikasnost fotosinteze
ukupno je oko 33% ali je
većina energije izgubljena u
fotohemijskoj fazi
Za svaki CO2 je potrebno 2 NADPH i 3ATP
Za jedan molekul fruktoze treba 12 NADPH i 18 ATP
To je 12*217kJ (oksidacija NADPH) + 18* 29 kJ (hidroliza ATP) 3126 kJ –ef 90%
Regulacija Kalvinovog ciklusa
Visoka efikasnost znači da postoji precizna regulacija
Više nivoa i mehanizama regulacije koji zajedno obezbeđuju efikasnost procesa
Genska ekspresija (jedarna i hloroplastna) – količina enzima
Posttranslacione modifikacije – kinetički parametri enzima
kovalentne modifikacije (S-S; karbamilacija)
modifikacije nekovalentnih veza (pH, jonska jačina; asociranje sa tilakoidima)
Glavni faktor koji reguliše ove procese je SVETLOST
•RubisCO
•NADP:GA3P dehidrogenaza
•Fruktozo-1,6-bisfosfataza
•Sedoheptulozo-1,7-bisfosfataza
•Ribulozo-5-fosfat kinaza
•ATP sintaza
Svetlosna regulacija aktivnosti enzima
•NADP:GA3P dehidrogenaza
•Fruktozo-1,6-bisfosfataza
•Sedoheptulozo-1,7-bisfosfataza
•Ribulozo-5-fosfat kinaza
•ATP sintaza (γ subjedinica)
na aktivnost enzima utiču i
pH
[Mg++]
odnos NADPH/NADP (kompetitivna inhibicija)
Regulacija aktivnosti RuBisCO
8 malih subjedinica kodiranih u jedru
8 velikih subjedinica kodiranih u plastidu
Aktivni centar je na dodiru dve velike
subjedinice
Aktivacija CO2 (karbamilacija ε-NH2 Lys u
aktivnom centru) a zatim karbamat vezuje
Mg++
Zatim se vezuje drugi molekul CO2 u aktivnom centru koji biva inkorporiran u
organsku materiju
Ova aktivacija je sprečena ako je u aktivnom centru vezan
fosfatni šećer (RuBP), koji se uklanja RubisCO aktivazom,
koju kod nekih vrsta aktivira feredoksin-tioredoksin sistem
Analog 2-karboksi 3-keto arabinitol 1,5
bisfosfata
Enzimske aktivnosti reguliše i svetlosno-zavisan fluks jona
(promene pH i oslobađanje Mg++)
•RubisCO
•Fruktozo-1,6-bisfosfataza
•Sedoheptulozo-1,7-bisfosfataza
•Ribulozo-5-fosfat kinaza
Regulacija reduktivnog PPC i oksidativnog PPP
Oksidativni PPP
Redukcioni potencijal za reakcije
u mraku
Održava nivo prekursora RuBP
Ribozo-5-fosfat (sinteza
nukleinskih kiselina)
Eritrozo-4-fosfat (+PEP) (sinteza
fenolnih jedinjenja)
Sinteza intermedijera Kalvinovog
ciklusa u mladim listovima
Ribulozo bisphosphate Carboxylase Oxigenase
•CO2:O2 u atmosferi je 0.039:21
•Km [CO2] (9µM)<Km[O2] (535µM)
•Kcat [CO2] (3.3/s)>Kcat[O2](2.4/s)
•Sa povišavanjem temperature menja se
CO2/O2 specifičnost
•Nemogućnost ukidanja fotorespiracije
•RubisCO je najzastupljeniji enzim na
planeti, cini i do 50% solubilnih proteina
Fotorespiracija (C2 put)
u saradnji tri organele
2 glikolata (4C) u peroxizom
GS-GOGAT
Transformacija u glicin, koji
se exportuje u mitohondriju
gde se od dva Gly sintetiše
Ser (3C)
Ser u peroxizom gde se
transformiše u glicerat
HPR
CAT
Glicerat u hloroplast,
fosforiliše se i uključuje u
Kalvinov ciklus
transaminaza
Glutamin sintetaza, Glutamat sintaza
( NADPH-dependent glutamine:2oxoglutarate aminotransferase)
3C se vraćaju u hloroplast
CO2 se oslobađa u mitohondrijama i može ponovo da se asimiluje
Gly dekarboksilaza kompleks
N se reasimiluje i značajno doprinosi sintezi ak
Ser hidroximetil transferaza
2RuBP + 3O2 + 3H2O  3 3PGA + CO2 + Pi
Gubitak za fotosintezu (1/4 C) – smanjuje produktivnost biljaka
Posledica karakteristika RubisCO, odnosa CO2/O2 i temperature
Fotorespiracija
NIJE ISTO što i
respiracija
Zašto postoji?
•Mehanizam katalize
•Zaštita fotosintetičkog aparata – rasipanje viška ATP i NADPH
Produktivnost, odnos NETO fotosinteze i respiracije
Mehanizmi koncentrovanja CO2
U današnjoj atmosferi, kao i u vodenoj sredini, nije dovoljna koncentracija CO2 da
bi RubisCO radio maksimalnom brzinom
Alge i bakterije imaju CO2 i HCO3- pumpe
Fotorespiracija zavisi od temperature
C4 i CAM metabolizam
Normalan C3
metabolizam (Calvinov
ciklus)
Prethodno vezivanje
CO2
C4 i CAM metabolizam
C3
C4
CAM
stome
Danju otvorene,
noću zatvorene
δotvorene danju, δ
zatvorene noću
Danju zatvorene,
noću otvorene
CO2
Fiksacija u C3
jedinjenje
Fiksacija u C4
organsku kiselinu
Fiksacija u C4
organsku kiselinu
voda
Podložne
prekomernom
gubitku
Manje podložne
gubitku vode
Ne gube vodu,
mala
produktivnost
C4 – prostorno razdvajanje (prethodne) fiksacije CO2 i Kalvinovog ciklusa
CAM – vremensko razdvajanje (prethodne) fiksacije CO2 i Kalvinovog ciklusa
C4 biljke
Ćelije bez hloroplasta
Krupni agranalni hloroplasti
Biljke tropskih predela (otkrivena kod tropskih trava)
16 familija monokotila i dikotila
Polifiletsko poreklo
Paralelna evolucija strukture i funkcije
Prvi produkt nije 3PGA već malat, oksalacetat ili aspartat
Mezofilne ćelije sadrže PEP karboksilazu i piruvat-ortofosfat dikinazu
Kranc ćelije sadrže enzime Kalvinovog ciklusa
1
2
4
3
1.
2.
3.
4.
Karboksilacija PEP i sinteza malata i/ili aspartata u mezofilnim ćelijama
Transport C4 kiseline u ćelije sare
Dekarboksilacija C4 i oslobađanje CO2 u ćelijama sare
Transport C3 (piruvat ili alanin) u mezofilnu ćeliju za regeneraciju PEP
3 tipa C4 metabolizma:
1. NADP-malatni
2. NAD
3. PCK-aspartatni
Svetlosna regulacija
TRX
fosforilacija
ADP-fosforilacija
Potrebna su dva dodatna ATPa za prethodnu
fiksaciju, tako da je ukupan utrošak Kalvinovog
ciklusa 5ATP i 2NADPH
Ovo je doska “skupo” (skoro kao fotorespiracija),
ali omogućuje efikasnu fotosintezu u nepovoljnim
uslovima, pa je u nepovoljnim uslovima
produktivnost veća nego kod C3 biljaka
Benefit C4 metabolizma obezbeđuje visok afinitet PEP
karboksilaze za CO2, i nemogućnost oksigenacije
To omogućava i da stome budu delimično zatvorene, pa biljke
gube manje vode
CAM biljke
Sukulente iz različitih familija
Konzervacija vode – 100- g/gCO2 (vs 500g/gCO2 kod C3 I 300 kod C4)
Noću otvorene stome
Krupna vakuola
Noćno zakišeljavanje lista
Danju povišenje CO2 u intercelularima
PEP karboksilazu inhibira malat, aktivira G6P
Kod CAM aktivna noću (diurnalni ritam), kod C4 aktivna
danju (svetlost)
Sekundarni proizvodi fotosinteze
Saharoza – glavni transportni oblik
Skrob – glavni rezervni oblik
Saharoza – glavni transportni oblik
sinteza u citosolu sličnim putem kao skrob
3PGA+
Pi-
Glukozil transferaza
Q-enzim
TRX
F26bP, AMP
G6P+
PiProt fosfataza +
Prot kinaza -