Bioenergetski i globalni značaj

Transcript

1 Bioenergetski i globalni značaj aj Transformacija energije: svetlosna električna hemijska (energija makroenergetskih jedinjenja) sinteza organskih materija. FOTOSINTEZA VODA+SVETLOST HEMIJSKA ENERG HLOROFIL APSORBUJE SVETLOST VODA ULAZI U LIST SVETLOST Biološki smisao: korišćenje energije iz spoljašnje sredine i njeno nakupljanje u vidu stabilnih organskih jedinjenja koja zatim služe kao izvor energije za sve energetske procese živog sveta planete. ŠEĆER ER NAPUŠTA LIST CO 2 ULAZI U LIST PREKO STOMA HEMIJSKA ENERGIJA + CO 2 ORG. MAT. (ŠEĆER)( ER)

2 Bioenergetski i globalni značaj aj Fotosinteza je redoks proces CO 2 (osnovni supstrat) se redukuje do (CH 2 O) n. Fotosintetički organizmi: Eukarioti: više biljke, višećelijske elijske i jednoćelijske elijske alge Prokarioti: plavo - zelene alge, zelene i purpurne sumporne bakterije. Kod eukariota donor elektrona, odnosno H za redukciju CO 2 je H 2 O; kod zelenih sumpornih bakterija donor elektrona je H 2 S. hν CO 2 +2H 2 S (CH 2 O) + H 2 O + 2S (Zelene sumporne bakterije)

3 Bioenergetski i globalni značaj aj Fotosinteza je omogućila pojavu aerobnog disanja i kruženje C i O u prirodi. Kruženje kiseonika ostvaruje se kroz kruženje CO2; pri usvajanju svake tone C oslobadja se 2.7 t O 2. Kruženje ugljenika (CO 2 ) - fotosintetički organizmi vezuju i prevode u organska jedinjenja oko 44 milijardi tona ugljenika, od toga deo se vraća u atmosferu disanjem, a deo se vezuje na kopnu, u okeanima i morima. Intenzitet fotosinteze Produktivnost fotosinteze

4 Fotosintetički pigmenti Dve grupe jedinjenja sa sposobnošću apsorpcije svetlosti: Tetrapiroli - hlorofili Izoprenoidi - karotenoidi Apsorpcija svetlosti i boja fotosintetičkih pigmenata posledica je prisustva sistema konjugovanih dvostrukih veza. Tetrapiroli - hlorofili Izoprenoidi - karotenoidi

5 Fotosintetički pigmenti Hlorofili Porfirinski prsten četiri pirolova prstena povezana metinskim grupama ( CH ); u sredini je Mg vezan za atome N. Više biljke sadrže: hlorofil a (C hlorofil b (C (C 55 H 72 (C 55 H O 5 N Mg) i 4 70 O 6 N Mg) 4 Molekuli hlorofila se nalaze u membranama tilakoida vezani za proteine hromoproteini. Hlorofil b - na trećem C-atomu II pirolovog prstena ima aldehidnu grupu (COH). Hlorofili su estri dikarbonske kiseline hlorofilina: H-atom u jednoj karboksilnoj grupi zamenjen je ostatkom alkohola fitola, a u drugoj ostatkom metil alkohola.

6 Fotosintetički pigmenti

7 Fotosintetički pigmenti Spektri apsorpcije Pigmenti Hlorifil a Hlorifil b Hlorifil c Hlorifil d β-karoten α-karoten Lutein Violaksantin Fukoksantin Fikoeritrin Fikocianin Alofikocianin Talasne dužine aporpcionih max (nm) 420, , , , , 450, , 440, , 445, , 450, , 450, , 546, Nalaze se u: Više biljke i alge Više biljke i zelene alge Diatomeje i mrke alge Crvene alge Više biljke i većina algi Više biljake i neke alge Više biljke, zelene i crvene alge Više biljke Diatomeje i mrke alge Crvene alge i neke cijanobakterije Cijanobakterije i neke crvene alge Cijanobakterije i crvene alge

8 Fotosintetički pigmenti Biosinteza hlorofila - biosinteza porfirina (Sukcinil CoA+Glicin) Glutamat Glutamat-1- semialdehid δ-aminolevulinska kiselina Porfobilinogen Hidroksimetilbilin Uroporfirinogen III Mg 2+ Divinilprotohlorofilid a Mg-protoporfirin monometil estar Mg-protoporfirin Protoporfirin IX Protoporfirinogen IX Koproporfirinogen III Hlorofilid a Monovinil-protohlorofilid a Hlorofil a Hlorofil b Činioci koji utiču na sadržaj hlorofila: svetlost, temperatura, Mg, N, biljna vrsta, starost i dr.

9 Fotosintetički pigmenti Karotenoidi Postoji više od 100 različitih karotenoida - karoteni i ksantofili. Karotenidi su produkti izoprena (C5) osam izoprenskih jedinica. 2 molekula Acetil CoA acetoacetil CoA +Acetil CoA (kondenzacija) hidroksimetilglutarat CoA (redukcija) mevalonska kiselina. Nakon fosforilacije i dekarboksilacije mevalonata nastaje aktivirani izoprenizopentil pirofosfat (IPP). Izomeracija, kondenzacija +IPP, kondenzacija +IPP, kondenzacija Mogu biti: aciklični, monociklični, biciklični

10 Fotosintetički pigmenti Karotenoidi Fiziološka uloga: - apsorbuju svetlost (Amax je od 422 do 491nm) - prenose apsorbovanu svetlost na RC PS I (II) - štite fotosisteme od oksidativne destrukcije - imaju nutritivnu vrednost (β-karoten je provitamin A)

11 Značaj aj svetlosne energije za proces fotosinteze Za životne procese biljaka najveći značaj aj ima integralna kratkotalasna radijacija koja se može podeliti na ultraljubičasto asto zračenje enje: λ= = nm (9%), vidljivi deo spektra λ = nm (40%) i blisku infracrvenu radijaciju λ = nm (51%). Fotosintetički aktivna radijacija (FAR: od 390 do 710 nm). U ovom intervalu talasnih dužina apsorbuje se 70-90%; reflektuje 5-12%; propušta 5-8%. Iskorištena ukupna svetlosna energija od strane biljaka je 1-2%.

12 Fotosintetički aparat fotosintetičke jedinice Molekuli hlorofila i karotenoida u fotosintezi učestvuju u grupama: pigment - protein kompleksima. U membranama tilakoida postoje funkcionalne grupe koje se sastoje od fotohemijski aktivnih centara (RC) i fotohemijski neaktivnih molekula (antena pigmenti - LHC), njihov odnos je 1:180 do 1:400. Oni zajedno čine fotosintetičku jedinicu. PS I PS II FS I i FS II - elektronske pumpe koje rade u dve različite, a jednim delom u istoj redoks-skali. To su multimolekulski proteinsko-pigmentni kompleksi uronjeni u lipidni matriks tilakoida.

13 Fotosintetički aparat fotosintetičke jedinice Fotosintetički aparat organizovan je u dva fotosistema: fotosistem I (FS I, ili PS I) i fotosistem II (FS II, ili PS II). Hlorofil a ima dva oblika P 700 i P 680 to su reakcioni centri (RC): P 680 je reakcioni centar fotosistema II (RC PS II); P 700 je reakcioni centar fotosistema I (RC PS I). LHC I (antena pigmenti) hν PS I LHC II (antena pigmenti) hν PS II PS I PS II

14 Fotosintetički aparat fotosintetičke jedinice

15 Fotosintetički aparat fotosintetičke jedinice Fotosistem II Fotosistem I

16 Fotosintetički aparat fotosintetičke jedinice LHC II trimerna organizacija vezanih pigmenata za proteine Organizacija molekula hlorofila u kompleksima sa proteinima u PS I i PS II; LHC

17 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Svetle reakcije: apsorpcija svetlosti u i na tilakoidima transport elektrona fotofosforilacija aktivacija enzima Tamne reakcije: karboksilacija U stromi hloroplasta redukcija regeneracija sinteza produkata

18 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Apsorpcija i preobraćanje anje svetlosne energije Svetlosnu energiju fotone,, apsorbuju molekuli pigmenata u hloroplastima. Pigment hυ Pigment* U molekulima fotosintetičkih pigmenata - elektroni pripadaju konjugovanim dvostrukim vezama, kreću se po - π orbitalama oko više atomskih jezgara; apsorpcijom fotona, elektroni prelaze na viši energetski nivo (π π* prelaz) - pobudjeno singletno, ili tripletno stanje. Za fotosintezu je značajno pobudjeno singletno stanje - apsorbovana svetlosna energija se zatim rezonantnim prenosom od molekula do molekula pigmenata nosi do RC.

19 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Apsorpcija i preobraćanje anje svetlosne energije Nakon apsorpcije crvene svetlosti S 0 S 1. Nakon apsorpcije fotona plave svetlosti: S 0 (S 3 ) S 2 S 1 ; (S 3 ) S 2 S 1, pri ovim prelazima energija se gubi u obliku toplote fotoni plave svetlosti nisu efikasniji od fotona crvene svetlosti iako imaju veću energiju. Pri prelazu S 1 S 0 energija se emituje u različitim oblicima: - u vidu toplote (gubitak) - emisija kvanta svetlosti - fluorescencija (gubitak) - prenos ekscitona od molekula do molekula, do RC ( antena pigmenti) - fotohemijski rad (hlorofil a koji predstavlja RC)

20 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Apsorpcija i preobraćanje anje svetlosne energije Nakon apsorpcije fotona, do transporta elektrona ( fotohemijske reakcije) dolazi samo kod malog broja molekula hlorofila a, to su RC (P 700 i P 680 ). Većina molekula fotosintetičkih pigmenata ima ulogu u prenosu apsorbovane (pobudne) energije (ekscitona) do RC, to su antena pigmenti (LHC I i II). Prenos pobudne energije vrši se pomoću rezonancije - uzajamnog dejstva izmedju oscilirajućih dipola (nastaju delovanjem oscilirajućeg elekrtomagnetnog polja - svetlosti) pri čemu ne dolazi do oksidoredukcionih procesa. Preklapanje spektara; mala udaljenost molekula.

21 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Transport elektrona Nakon apsorpcije svetlosti i inicijalnog pobudjivanja elektrona u fotohemijski aktivnom molekulu hlorofila a (RC) dolazi do transporta elektrona od jedinjenja do jedinjenja duž gradijenta redoks potencijala. Transport elektrona može e biti: N e c i k l i č n i - Z shema - sumarna jednačina: 2NADP + 2H 2 O + 2ADP + 2Pi 2NADPH 2 + 2ATP + O 2 + stvaranje protonskog gradijenta C i k l i č n i - sumarna jednačina: ADP + Pi ATP + stvaranje protonskog gradijenta P s e u d o c i k l i č n i - Mehler-ova reakcija

22 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e N e c i k l i č n i transport elektrona Transport elektrona kroz tilakoidnu membranu (duž električnog gradijenta) od vode do NADP +. Komponente elektronskog transporta su četiri membranska kompleksa: PS II: P680; Feofitin, Hinon A, Hinon B Citohrom b 6 f kompleks (tu su i Plastohinon i Plastocijanin) PS I: P700, A0, A1, Fx, FA/FB, Fdx ATP sintetaza (CF1-CF0)

23 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e N e c i k l i č n i transport elektrona Membranska organizacija transportt ransporta elektrona kroz tilakoidnu membranu

24 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e N e c i k l i č n i transport elektrona H + Mn Fotosistem II P680* P680 Pheo QA QB PQ PS II funkcioniše e kao voda-plastohinon oksidoreduktaza (zavisna od svetlosti) Primarni elektronski akceptor nakon apsorpcije fotona i ekscitacije elektrona u P680P je feofitin (Pheo) koji ih prenosi na dva plastohinana; prvi plastohinon (QA) je čvrsto vezan za kompleks, i može da prenosi samo jedan po jedan elektron (ima dva oblika QAQ i QAQ - ). Drugi plastohinon ima tri oblika (QB,, QBQ - i QBQ 2 - ) Dva elektrona idu jedan za drugim i kada nastane redukovani QBQ 2 -, vezuju se dva protona iz strome hloroplasta, tako da nastaje QBHQ 2. Nakon redukcije i protonizacije, QBH 2 difunduje u lipidni dvosloj tilakoida i funkcioniše e kao mobilni prenosilac elektrona na plastohinon (PQ) koji slobodno difunduje kroz membranu i puni QBQ stranu hinona.

25 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e N e c i k l i č n i transport elektrona Citohrom b 6 f kompleks transportije elektrone sa redukovanog plastohinona na oksidovani plastocijanin. Na plastohinonskom delu kompleksa gde dolazi QBHQ 2, otpuštaju taju se dva protona u lumen tilakoida, a jedan elektron ide na plastocijanin (PC) preko Cyt f. Drugi elektron ide preko Cyt b6 na hinonski deo kompleksa (Qn), gde se elektron predaje oksidovanom plastohinonu i nastaje plastosemihinon jon (PQ ). U drugom stepenu drugi elektron na hinonskom delu kompleksa redukuje plastosemihinon jon (PQ ) do PQ, koji uzima dva protona iz strome i ulazi ponovo u proces.

26 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e N e c i k l i č n i transport elektrona Fotosistem I P700* A 0 A 1 F x F A/F /FB F dx Elektroni sa Cytb 6 f kompleksa dolaze na plastocijanin (PC)-mobilni proteinski prenosilac elektrona koji sadrži i bakar kao prostetičnu grupu. Ovi elektroni re-redukuju redukuju P700P koji je nakon apsorpcije fotona prešao u oksidovanu formu P700P 700* * i predao dalje elektrone. PC P700 PS I sadrži i oko 15 proteinskih subjedinica, od kojih su najznačajnije ajnije dve: PsaA i PsaB koje vezuju hlorofil a u RC i većinu prenosioca elektrona, a to su primarni akceptor A 0, A 1 (filohinon, vitamon K1), Fe-S S centarf x. Elektroni sa PS I dolaze na 2Fe-2S 2S Fe-S S protein feredoksin,, koji se nalazi na spoljašnjoj strani membrane, u stromi hloroplasta. Redukcija NADP + odvija se iz pomoć enzima feredoksin-nadp + reduktaze.

27 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Oksidacija vode i produkcija kiseonika se dešavaju na nivou PS II S 4 S 3 Rekcija oslobañanja kiseonika: 2H 2 O 4H + + 4e - + O 2 S 0 Ovu reakciju obavlja kompleks od najmanje tri proteina vezana na unutrašnjoj njoj strani tilakoida za D1/D2 protein u PS II. Za jedan protein vezana su 4 atoma Mn,, a neophodno je prisustvo i Cl - i Ca ++. S 2 S 1 Oslobañanje O 2 je proces koji se odvija u stupnjevima. Kompleks koji razvija O 2 prolazi kroz 5 oksidacionih stanja, S 0 S 4, što zahteva kumulativno dejstvo 4 svetlosne reakcije. U mraku se kompleks nalazi u u lumen tilakoida S 0 stanju. Nakon apsorpcije prva tri redukcija P680 fotona, dolazi do oduzimanja po jednog elektrona i promene stanja kompleksa: S 0 u S 1 ; S 1 u S 2 ; S 2 u S 3. Posle toga potreban je još jedan foton za prelaz u S 4. Protoni P se oslobañaju izmeñu S 0 -S 1 ; S 1 -S 2 i S 4 -S 0. Tek T kad kompleks doñe u stanje S 4 akumulirano je u njemu dovoljno energije za oksidaciju vode. H + u lumen tilakoida e - redukcija P

28 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e C i k l i č n i transport elektrona PS I U cikličnom transportu elektrona učestvuje u samo PSI. Ekscitirani P700P predaje elektrone akceptorima A 0, A 1, F x i FA/B, F, koji redukuju feredoksin (Fdx dx), meñutim FdxF ne redukuje NADP +, nego preko enzima feredoksin- plastohinon oksidoreduktaze predaje elektrone plastohinonu (PQ). Ponovna oksidacija PQ se dešava preko Cyt b 6 f, koji redukuje potom plastocijanin (PC). Redukovani PC se oksiduje ponovo dajući elektron na P700*. Tokom oksidacije i redukcije PQ protoni se iz strome pumpaju u lumen tilakoida, tako da nastaje transmembranski protonski (elektrohemijski) gradijent, što omogućava sintezu ATP-a.

29 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Fotosintetička fosforilacija (fotofosforilacija) Mitchell-ova hemiosmotska teorija: Hloroplastna H + -ATP-aza kontroliše ADP fosforilaciju koja je energetski omogućena transmembranskim elektro-hemijskim protonskim gradijentom: ADP + H 3 PO 4 ATP + H 2 O Model reverzne ATPaze: region CF 0 se nalazi u membrani tilakoida i gradi kanal za prolaz protona. Na Stromalnoj strani se nalazi globularni CF 1 region, sastavljen od tri α i β subjedinice, sa subjedinicom γ u centru, koja svojom rotacijom menja konformaciju ostalih subjedinica.

30 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Fotosintetička fosforilacija (fotofosforilacija) Energija je obezbeñena transportom protona kroz membranu ADP + P i ATP Konformacione promene CF 1 regiona ATPaze pri sintezi ATP: : izmeñu i subjedinica α i β moguća a su tri položaja u kojima se nalaze ADP i P i. To su, prvo otvoreni položaj (O) koji prima ADP i P i. Usled rotacije se konformacija kompleksa menja, a ADP i P i dospevaju u položaj u kome su labavo vezani (L). Najzad se formira položaj čvrstog vezivanja (T) u kome dolazi do sinteze ATP. Ovo mesto se opet otvara, ATP izlazi i iz kompleksa i oslobaña ga za prijem sledećeg eg para ADP i P i.

31 M e h a n i z a m f o t o s i n t e z e Fotosintetička fosforilacija (fotofosforilacija)

32

33

34

35

36

37 Tamna faza fotosinteze (Kalvinov ciklus): karboksilacija redukcija regeneracija sinteza produkata

38 Tamna faza fotosinteze (Kalvinov ciklus): C 3 tip fotosinteze nakon karboksilacije i u fazi redukcije nastaju jedinjenja sa 3 C atoma: fosfoglicerat i gliceraldehid fosfat

39

40 Tamna faza fotosinteze - Kalvinov ciklus

41 Tamna faza fotosinteze - Kalvinov ciklus C 3 biljke

42 C 4 biljke najčešće pripadaju familijama Poaceae (šećerna trska, kukuruz), Amaranthaceae, Chenopodiaceae. Redukcija CO 2 kod C 4 biljaka Anatomske razlike C 3 i C 4 biljaka

43 Redukcija CO 2 kod C 4 biljaka Kod C 4 biljaka ćelije mezofila su dobavljači CO 2 za ćelije koje opkoljavaju provodne snopiće. U njima se vrši fiksacija CO 2. Ggranularni hloroplast u mezofilnoj ćeliji Agranularni hloroplast u ćeliji omotača a provodnih sudova kod kukuruza

44 Redukcija CO 2 kod C 4 biljaka Malatni tip: karboksilacija fosfoenolpiruvata uz pomoć PEP-karboksilaze oksalacetat (malat dehidrogenaza) malat u ćelijama omotača provodnog snopića cepa se piruvat + NADPH + H + + CO 2 NADPH + H + + CO 2 odlaze u Calvinov ciklus. Piruvat odlazi u hloroplaste ćelija mezofila - fosforiliše se i nastaje PEP koji odlazi u citoplazmu. Aspartatni tip: ulogu malata preuzima aspartat, a piruvata alanin; u Calvinov ciklus predaje se samo CO 2 a ne i NADPH + H +.

45 Redukcija CO 2 kod CAM biljaka CAM biljke najčešće pripadaju familijama Crassulaceae, Liliaceae, Euphorbiaceae, Cactaceae, Bromeliaceae CAM put asimilacije CO 2 predstavlja prilagoñavanje metabolizma biljaka ekstremno suvim staništima sa visokim dnevnim i niskim noćnim temperaturama. Stome su danju zatvorene biljke ne mogu usvajati CO 2. U toku noći - otvaranje stoma i usvajanje CO 2. CO 2 + PEP oksalacetat malat (nakuplja se u toku noći u vakuoli). U toku dana CO 2 se oslobadja dekarboksilacijom malata i uključuje u Calvinov ciklus.

46 Razlike izmeñu C 4 i CAM biljaka Primarno vezivanje CO 2 i uključivanje u Calvinov ciklus su kod CAM biljaka odvojeni vremenski, a kod C 4 prostorno.

47 Razlike izmeñu C 3, C 4 i CAM biljaka

48 Fotorespiracija - Oksidativni fotosintetički C 2 ciklus: U hloroplastima C 3 biljaka u uslovima velike osvetljenosti parcijalni pritisak O 2 se povećava, a koncentracija CO 2 smanjuje. Tada RuBP-karboksilaza postaje oksigenaza u hloroplastima nastaje fosfoglikolat defosforilacijom nastaje glikolat. Glikolat iz hloroplasta odlazi u peroksizome gde se uz pomoć enzima glikolat oksidaze oksidiše sa O 2 glioksilat prima amino grupu od glutamata i serina i nastaje glicin koji odlazi u mitohondrije (ili se koristi za sintezu proteina). U mitohondrijama iz 2 molekula glicina (deaminacijom i dekarboksilacijom) nastaje serin. Serin se eksportuje u peroksizome hidroksipiruvat glicerat. Glicerat prelazi u hloroplaste - fosforiliše se sa ATP fosfoglicerat (ulazi u fazu regeneracije RuBP u Calvinovom ciklusu. Peroksizom Hloroplast Mitohondrija

49 Transport asimilata Trioza fosfati se iz hloroplasta transportuju u citoplazmu gde se sintetiše saharoza. Transport kroz unutrašnju membranu hloroplasta ostvaren je preko fosfatnih translokatora. UDPG Sinteza skroba u stromi hloroplasta H + - ATP-aza i K + kanal održavaju grdijent ph.

50 Transport asimilata

51 Regulacija sinteze saharoze Efekat glukoze-6-fosfata i fosfata Prelazak listova iz mraka na svetlost uslovljava povećanje koncentracije glukoze-6-fosfata i istovremeno snižava koncentraciju fosfata. Obe pojave dovode do povećane sinteze saharoze. Glikoza-6-fosfat isključuje fosforilaciju saharoza-6-fosfat-sintetaze inaktivacijom kinaze SnRK1 i stimulacijom aktivne forme saharoze-6-fosfat-sintetaze. Fosfati inaktiviraju enzim saharozu-6-fosfat-sintetazu-fosforilazu i na taj način inhibiraju aktivnost enzima saharoze-6-fosfat-sintetaze.

52 Transport asimilata Plazma membranska ATP-aza istiskuje protone iz simplasta u apoplast floema a zatim u floem (sitaste cevi) - simportni transport saharoze i difuzija kroz pore celuloznog zida sitastih cevi.

53 Transport asimilata Transport asimilata na veća rastojanja - kroz floem (sitaste cevi, ćelije pratilice, parenhim floema). U soku floema mogu da se nalaze saharoza, glukoza, fruktoza, rafinoza, aminokiseline, amidi, nukleotidi, ATP, organske kiseline, fitohormoni, vitamini, mineralne materije i dr. Zbog toga sok floema ima visoku ph vrednost.

54 Transport asimilata Mehanizam transporta: - gradijent osmotskog potencijala - aktivan transport iz ćelija u sitaste cevi, a zatim - protok mase. - bidirekcioni transport - transport u oba pravca (preko poprečnih veza izmedju sitastih cevi). Pravac i smer transporta zavise od genotipa i faze rastenja i razvića.

55 Transport asimilata - protok mase.

56 Transport asimilata sinteza skroba u plodu (ušće asimilata)

57 Činioci koji utiču na fotosintezu Unutrašnji nji: Spoljašnji nji: - sadržaj hlorofila - lisna površina (LAI, LAD) - orijentacija listova - starost listova - svetlost - intenzitet (svetlosna kompenzaciona tačka; zasićujuća svetlost - saturacija); spektralni sastav - koncentracija CO 2 (kompenzaciona tačka, saturaciona koncentracija) - koncentracija O 2 - smanjenje koncentracije izaziva povećanje fotosinteze - Warburgov efekat - temperatura - mineralna ishrana - voda Fotosinteza i prinos