Transcript Фотосинтеза 1

Hemosinteza i Fotosinteza – redoks procesi
CO2+H2A
hν
CH2O+2A+H2O
ΔG°= +2840 kJ/mol heksoze
ΔG°= -30 kJ/mol hidrolizovanog ATP-a
Joseph Pristley (18v)
Jan Ingenhousz
Jean Senebier
Nikolas Téodore de Saussure (19 v)
Pelletier i Caventou
Julius Sachs
Engelmann
Talasno-čestična priroda svetlosti
Prostire se kao talas
Oscilacije električnog i magnetnog polja
Talasna dužina i frekvencija su obrnuto
srazmerne
Brzina prostiranja talasa
Foton
Nosi kvant energije
Energija kvanta zavisi od frekvencije
Eλ
Monohromatska i polihromatska svetlost
h
vac
Spektar elektromagnetnog zračenja
Spektar Sunčevog zračenja
Apsorpcioni spektar
Da bi došlo do hemijske
promene svetlost mora biti
apsorbovana
Spektrofotometrija
I
T=
Io
A = - log T
Io – intenzitet upadnog zraka
I – intenzitet izlaznog zraka
T – transparencija
A – apsorbanca (ekstinkcija)
Beer - Lambert – ov zakon :
ε – molarni ekstinkcioni koeficijent
c – koncentracija
l – debljina stuba tečnosti
A=ε.c.l
Kada dolazi do apsorpcije svetlosti
Samo apsorbovana svetlost vodi hemijskoj promeni
(Grotthuss-Draper-ov zakon )
1 foton pobuđuje molekul
(Stark-Einstein-ov zakon)
Apsorpcija fotona vodi prelazu elektrona u više energetsko
stanje
Bitna je energija fotona a ne svetlosti
Atomska apsorpcija
Molekulska apsorpcija
U molekulu elektroni imaju veći
“izbor” dostupnih energetskih stanja
jer su elektroni delokalizovani između
dva jezgra
A sistem konjugovanih dvogubih
veza – delokalizacija π elektrona
preko većeg broja jezgara –
značajno povećava broj dostupnih
energetskih stanja i smanjuje
energetsku razliku između
energetskih nivoa
Apsorpcija u vidljivom delu spektra
BOJA SUPSTANCE
Sudbina pobuđenog elektrona
Viša pobuđena singletna stanja
su veoma nestabilna
Tripletna stanja su malo
verovatna
Prvi pobuđeni singlet ima četiri
moguće sudbine:
1.
2.
3.
4.
Termalna disipacija
Fluorescencija
Rezonantni transfer energije
Fotohemija
Plastidi
• Mrak – etioplasti
• Etiolirane biljke
• Etiolman
Sastav tilakoidnih membrana
• MGDG, DGDG, sulfolipidi, malo sterola; masne
kiseline su u velikoj meri nezasićene
• pigmenti i hinoni
• oko 50% proteina – najviše njih vezuje
pigmente i prenosioce elektrona
• većina proteina, lipidi membrane i pigmenti
sintetišu se u hloroplastima
• Skrobna zrna
• Plastoglobuli
Hlorofili
1-2% suve mase lista
Porfirinska jedinjenja, estri hlorofilinske kiseline i fitola,
Početno jedinjenje za sintezu svih porfirina je 5-ALA
Sinteza ALA od glutamata kroz C5-put
ATP+NADPH, svetlost (GSA reduktaza i GSA aminotransferaza)
Kondenzacija 2 5-ALAporfobilinogen*4
uroporfirinogen protoporfirin IX od koga se grana sinteza
•raskidanje prstena (fikobilini, fitohrom)
•ferohelataza (hem i sva jedinjenja koja ga sadrže)
•Mg-helataza (hlorofili)
Mg-protoporfirin IXProtohlorofilid aHlorofilid aChlaChlb
NADPH:protohlorofilid oksidoreduktaza
ovojnica hloroplasta; svetlosno regulisana aktivnost
Karotenoidi
Karoteni (C, H) i ksantofili (C, H, O)
Izoprenoidna jedinjenja
•Nalaze se kod svih
fotosintetskih organizama
•Antena pigmenti
•Zaštitna uloga
•Apsorpcija svetlosti u
morfogenetskim procesima
•Vitamin A
Fikobilini
•Cyanobacteria i Rhodophyta
•Pomoćni pigmenti
•U tilakoidima ili fikobilizomima
•Hromofora (1-2) + apoprotein
•Rastvorljivi u vodi
•Boja značajno varira zavisno od
tačne strukture
Apsorpcioni spektri fotosintetskih pigmenata
i apsorpcioni spektar hloroplasta
Chl b
Chl a
Ključni eksperimenti u istraživanjima fotosinteze
Engelmanov ogled
Akcioni spektar fotosinteze
Zelena
rupa
Hillova reakcija
Emerson i Arnold – koliko je molekula hlorofila potrebno
za oslobađanje jednog molekula O2
Emersonov efekat pojačanja
Fotohemija
Oksigena fotosinteza zahteva postojanje dva fotosistema
Na tilakoidnoj membrani se uočavaju globule supramolekulskih kompleksa
Razdvojenost fotosistema implicira prisustvo mobilnih prenosioca elektrona
i ukazuje da nije neophodna stehiometrija 1:1
PS II (P680) i PS I (P700)
LHC I i II
20-200-2000 molekula
pigmenata
CAB (Chl a/b vezujući prot.)
Cyt b6/f
2xCyt b, Cyt f, Fe-S centar
Mobilni prenosioci elektrona
PQ, PC, Fd
ATP sintaza
Fotosinteza je ograničena koncentracijom CO2 i
intenzitetom svetlosti.
Temperatura utiče samo na deo fotosinteze koji zavisi od
CO2 dok nema uticaj na deo koji zavisi od svetlosti
faze fotositeze
svetla i tamna
fotohemijska i biohemijska
•Fotohemijska faza podrazumeva
•Apsorpciju svetlosti i oksidaciju hlorofila u RC
•Redukciju H2O i oslobađanje O2
•Kretanje elektrona kroz redoks lanac
•Redukciju NADP+
•Sintezu ATPa
Sudbina pobuđenog elektrona
Prvi pobuđeni singlet ima četiri
moguće sudbine:
1.
2.
3.
4.
Termalna disipacija
Fluorescencija
Rezonantni transfer energije
Fotohemija
Rezonantni transfer energije
Pigmenti organizovani u fotosisteme (karotenoidi,
hlorofili) u proteinskim kompleksima
– antena kompleks
Uvek se deo apsorbovane energije gubi pri transferu
Esencijalna razlika prenosa energije i prenosa elektrona
PSII reakcioni centar P680
PSI reakcioni centar P700
Svi fotosistemi imaju zajedničko poreklo
Antena kompleksi se veoma razlikuju
Necikličan transport elektrona
Redoks potencijal [V]
Redoks potencijal
Suština čuvanja energije u fotosintezi je razdvajanje naelektrisanja u 1 ps (10-12s)
Transport elektrona oko PS II
Oslobađanje kiseonika
Transport elektrona na citohrom b6/f kompleks
Q-ciklus
Transport elektrona oko PS I
Cikličan transport elektrona oko PS I
Elektroni se sa Fd preko PQ na cyt b6/f kompleks
Nema oslobađanja O2 niti redukcije NADP+,
Jedini produkt je ATP
Inhibitori transporta elektrona
DCMU
Parakvat
DBMIB
Diuron, dibromotimokinon
Fotofosforilacija
Peter Mitchell 1960-70, 1978 dobio Nobelovu nagradu
Hemiosmotska hipoteza – kuplovanje sinteze ATP i transporta elektrona
neophodnost istovremenog dešavanja in vivo
Kuplujuća mesta i dekuplujući agensi (uncouplers)
Elektrohemijski gradijent protona ∆ µH+= ∆pH+ ∆ Ψm
pH gradijent između strome i lumena (Cl- i Mg++ kompenzuju električnu komponentu)
Vektorski raspored redox komponenata (prenosioca elektrona)
ATPaza u membrani, odnos H+/ATP
Fotofosforilacija
Kuplujuća mesta i dekuplujući agensi (uncouplers)
Vektorski raspored redox komponenata (prenosioca elektrona)
ATPaza u membrani, odnos H+:ATP 4:1
Mehanizam sinteze ATPa
Prolazak protona
Rotacija γ subjedinice
Promena konformacije vezujućeg mesta
na αβ dimerima
O- open (otvoreno)
L - loose (labavo)
T - tight (tesno)
Jedan od najubedljivijih dokaza za hemiosmotsku hipotezu bila je tzv kiselobazna fosforilacija
In vivo je neophodno funkcionisanje oba procesa
Usklađivanje sinteze ATP i NADPH
Kada je pul adenilata pretežno redukovan, sistem je zasićen elektronima, što
zaustavlja i sintezu ATPa . Zato postoji ciklični transport elektrona oko PSI
U regulaciji učestvuje i LHCII,
koji zavisno od potrebe može biti
vezan za PS II ili PS I
Fotoinhibicija fotosinteze – generisanje ROS
Fe3+ + •O2− → Fe2+ + O2
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH− + •OH
•O2- + H2O2 → •OH + OH- + O2
Fenton
Haber-Weiss
Pseudocikličan transport elektrona
• U odsustvu akceptora, kada je pul feredoksina jako
redukovan, dolazi do Mehler-ove reakcije, transfera elektrona
na molekulski kiseonik pri čemu se generiše superoksid
anjon radikal.
Ksantofilni ciklus
“gašenje” pobuđenog stanja
hlorofila (quenching)
Askorbat-glutationski ciklus
(Halliwel-Asada ciklus)
Regeneracija Asc i potrošnja NADPH
Ciklus voda-voda
Uklanjanje ROS