FOTOSINTEZA - ASIMILACIJA OGLJIKA (energetika celice

Transcript

1 FOTOSINTEZA Svetloba kot energija: E = h. = h.c/λ ( nm); E = energija; =frekvenca; λ = val. dolžina svetlobe; h = Plankova konstanta (6, J/s); c = hitrost svetlobe Enota : 1μmol s -1 m -2 = 1 μe s -1 m -2 = 6, fotonov s -1 m -2 = 6, kvantov s -1 m -2

2 FOTOSINTEZA - ASIMILACIJA OGLJIKA (energetika celice RASTLINE - AVTOTROFNI ORGANIZMI višje rastline -brstnice; cianobakterije, fotosintetskoaktivne bakterije, evkariontske alge, lišaji

3 KEMOSINTEZA 1. Nitrifikacijske bakterije (Nitrosomonas) 2 NH = 2 HNO H 2 O kcal 2. Nitratne bakterije (Nitrobacter) 2 HNO = 2 HNO kcal (solitri; guano; Čile) 3. Žveplove bakterije: 2H 2 S + O 2 H S 2 S H H 2 SO 4 H 2 S H 2 SO kcal

4 ZAČETEK FOTOSINTEZE 4. Purpurne žveplove bakterije CO H 2 S(donor e-, H+) (svetloba) CH 2 0 +H 2 O +2S Svetloba je vir energije Žveplovodik vir elektronov in protonov Sprošča se elementarno žveplo

5 Ostale oblike kemosinteze 5. Železove bakterije (Crenothrix, Leptothrix) FeCO 3 (Fe ++ ) (Fe 2 (CO 3 ) 3 Fe(OH) 3 (Fe +++ ) 6. Metanove bakterije (Bacillus methanicus) CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O

6 FOTOSINTEZA VIŠJIH RASTLIN, EV. ALG, CIANOBAKTERIJ 6CO H 2 O(donor H +, e - ) kcal (klorofil, h() C 6 H 12 O 6 + 6O 2 n H 2 O + n CO 2 (h. ) (CH 2 O)n + no 2 ; endergon proces! (Go = + n. 477KJ (+ n. 114 KCAL); n=6 1. 2H 2 O + 2A (h. ) 2AH 2 + O 2 2. CO 2 + 2AH 2 CH 2 O +H 2 O + 2A 1+2( CO H 2 O (h. ) CH 2 O + O 2 + H 2 O

7 BISTVO FOTOSINTEZE: pretvorba svetlobne energije v kemijsko oksidacija vode (fotoliza); sprošča se kisik redukcija ogljik.dioksida; nastanek org. spojin (sladkorji, amino kisline, maščobe) PQ (fotosintetski količnik) = O 2 /CO 2 = 1 (samo v idealnih razmerah!)

8 FAZE FOTOSINTEZE I. SVETLOBNA FAZA: pretvorba svetlobne energije v kemično: ATP; fotoliza vode: NADPH 2 (2e -, 2H + ); nastanek kisika: O 2 - Poteka na tilakoidnih membranah kloroplasta - II. TEMOTNA FAZA: redukcija CO 2 : nastanek sladkorjev, aminokislin, maščob,.. -poteka v stromi kloroplasta

9 Faze fotosinteze: svetlobne in temotne reakcije

10 I. SVETLOBNA FAZA FOTOSINTEZE Pomen svetlobe za rastline: vir energije regulator rasti in razvoja (fitokromi, kriptokromi) toplotni učinek svetloba kot stres (preveč, premalo,..) Učinki so odvisni od spektralnega sestava, jakosti sevanja in trajanja sevanja

11 Prikaz fotosinteznega učinka svetlobe glede na spektrani sestav

12 a) Fotofizikalne reakcije: - absorbcija svetlobne energije:e = h. ; fotoni; kvanti; molekule klorofila; ant. kompleksi, reakcijski centri - prenos energije do reakcijskih centrov; PSI (700nm), PSII (680nm) - ekscitacija in deekscitacija molekul klorofila a; glavni in pomožni pigmenti; - Emersonov efekt; PSI, PSII, "red drop"; pomen (; vzburjenje elektrona; izbitje elektrona; fluorescenca; toplota; hiperenergetsko stanje kloroplasta

13 Pomen fotosinteznih barvil: A) Glavna: Klorofil a (bakterioklorofil): absorbcija svetlobe in pretvorba energije fotonov v energijo elektronov B) Pomožna (antenski pigmenti): pomoč pri absorbciji svetlobe (spektralni sestav; okolje!): klorofil b (c, d, e), karotenoidi, fikobilini);zaščita kloroplasta v stresnih razmerah: karotenoidi (karoteni ksantofili; ksantofilski cikel)

14 Strukturne formule klorofila a, b in bakteriklorofila

15 Potek sinteze korofila iz glutaminske kisline; razlike med kritosemenkami in ostalimi Rastlinami (potreba po svetlobi!)

16 FOTOSINTEZNI UČINEK SVETLOBE PhAR(phtosynthetic active radiation): 400 (380) 700 (710) nm Učinek je odvisen od spektralne sestave (=energetske vsebnosti sevanja: E=hν=hc/λ (npr. 1 mol fotonov modre svetlobe -490 nm- ima energijo 240 kj, 1 mol rdeče svetlobe z val. dol 700 nm pa le 170kJ(1E)

17 Učinek svetlobe na pigmentih: - absorbcija svetlobe in pretvorba pigmenta (kl a) iz osnovnega (E g ) v vzbujeno, ekscitirano stanje (E e ): E e - E g = hc/λ; osnovno (graund state) 1.vzbujeno (singlet)- 2. vzbujeno (triplet) nadaljna usoda: - sprememba v toploto - oddaja svetlobe dalj. val. dol. (fluorescenca) - prenos na drugo molekulo v bližini - oddaja elektrona bližnjemu prejemniku fotokemija (Φ =št.fotokemično nastalih produktov/št. absorb. fotonov: quantum yield (fotokemični izkoristek; le reko 1)

18 Prikaz absobcijskega spektra posameznih pigmentov v odvisnosti od valovne dolžine

19 Pomen karotenoidov Pomožna absorbcija v modrem delu PhAR zaščita kloroplasta pred fotokemijsko oksidacijo fotoinhibicijo Pomen kemijske zgradbe karotenoidov Vloga ksantofilskega cikla odaptacija kloroplasta na svetlobno okolje

20 Prikaz sinteze karotenoidov iz izoprena (fitoena) in pigmenti ksantofilskega cikla

21 B) Fotokemične reakcije Z-shema, Hill & Bendal izbitje elektronov v reakcijskih centrih (PSI, PSII); fotoliza vode (PSII) - vektorski transport elektronov iz vode ( pomoč PSI, PSII) preko prenašalcev na končne prenašalce (NADP+; O) in poraba v temotni fazi (CO 2, NO 3-, SO 4 --,...; Z - shema); - vektorski transport protonov H + iz strome v notranji lumen tilakoidnih membran; - fotofosforilizacija (tvorba ATP; ADP + Pi(ADP)

22 Funkcionalna organizacija tilakoid Fotosintezna barvila (klorofili, karotenoidi) so vezana v reakcijske centre (PSI 700, PSII 680) in njim priključene žetvene komplekse (LHC-I, LHC-II) V reakcijskih centrih je samo kl a, v antenah poleg kl a še kl b, feofitin, karotenoidi in prijemniki elektronov Vsi klorofili so vezani na beljakovine, večji del tilakoidnih beljakovin so del LHC kompleksov Za funkcioniranje je pomembna prostorska in topografska organizacija tilakoid (bližina pomeni prenos energije; odklaplanje in priklapljanje LHC na PS Pri rdečih algah in cianobakterijah so fikobilini (fikoeritrin in fikocian) organizirani v vodotopne LHC imenovane fikobilisome)

23 Model fotosistema 1- PS-I kla700

24 Model PS II kla 680; poleg reakcijskega centra vsebuje še sistem za fotolizo vode

25 Prostorska in topografska orientacija sestavin v reakcijskih centrih je pomembna za prenos energije primer PS I

26 Shema obeh reakcijskih centrov in pridruženih antenskih kompleksov

27 Shema fikobilisomov, ki nadomeščajo LHC v PS II rdečih alg in cianobakterij. Omogočajo absorbcijo zelene svetlobe.

28 Razporeditev v tilakoidah: Nekatere funkcionalne enote so omejene na stromatarne tilakoide (PSI, kompleks ATP-aze), druge na granularne, zleplejen dele (PSII), tretje so enakomerno razporejene po obeh vrstah tilakoid (citohrom b 6 f kompleks) Zlepljanje in sproščanje tilakoid omogoča prilagajanje na svetlobno okolje

29 Porazdelitev funkcionalnih enot glede na vrste tilakoid

30 PSI in PSII tvorita funkcionalno enoto Samo fotosintetsko aktivne bakterije in cianobakterije imajo 1 PS Evkariontske alge in vse višje rastline imajo PS I in PSII, ki delujeta v navezi Delež/število PSI/PSII je odvisno od jakosti sevanja

31 Tok elektronov iz vode na NADP+ pojasnjuje Hil-Bendallova Z-shema; Tok elektronov istočasno spremlja tok protonov v lumen tilakoid

32 Tvorba ATP- fotofosforilizacija Teorije nastanka ATP: kemijska hipoteza (Arnon et al. 1954, Slater 1954) kemoosmotska hipoteza (Mitchell 1966, Nobel 1978): Fotofosforilizacija poteka na intaktnih (topografsko celih) tilakoidah, ki so relativno nepropustne za H+ in OH- ione. Vir e- in H+ je voda. Prenos e- iz vode (fotoliza vode!, PSII) na prejemnike je vektorski - preko prenašalcev, vezanih za oba PS v tilakoidni membrani. Prenos e- je istočasno spremljan s prenosom H+ iz strome kloroplasta v notranji lumen zlepljenih (naloženih) tilakoid. Nastanek koncentracijskega gradienta (H+!) in el. polja preko tilakoidne membrane. Kombinacija konc. gradienta in el. polja tvorita visoko energetsko stanje s težnjo po izmetu protonov (H+) iz notranjega lumna tilakoid. V tilakoidah obstaja vektorsko vezana ATP sintetaza (F1-Fo kompleks; integralni, transmembranski protein), ki na račun energije elektrokemijskega potenciala in gradienta protonov sintetizira ATP iz ADP in Pi.

33 Kaj potrjuje hipotezo? - poskusi na izoliranih in intaktnih tilakoid. membranah (meritve fluorescence, sproščanje O2, meritve ph, toplote, količine ATP, NADPH+H,...) - analize tilakoidnih membran z el. mikroskopom in biokemične analize sestave proteinov v tilaoidnih membranah.

34 Prikazana pot elektronov med PS II in PS I

35 Prikaz tvorbe ATP na stromatarnih tilakoidah

36 ATP-aza

37 Poenostavljen prikaz poteka ksantofilskega cikla na tilakoidnih membranah

38 Načini tvorbe ATP V normalnih razmerah poteka neciklična fotofosforilizacija, pot elektrona iz vode na NADP+ Kadar se NADPH+H ne porablja (težave v Kalvinovem ciklu) steče na PS I ciklična fotofosforilizacija, tvori se samo ATP Ob popolni redukciji PS I lahko sprejme elektron kisik Maehlerjeva reakcijapsevdociklična fosforilizacija

39 Povzetek - ciklična: PSI; pot e - : PSI PSI (kl a 700nm); - neciklična: PSII; pot e - : H 2 O PSII PSI NADP + : fotoliza vode: 2H 2 O (Mn ++ ) O 2 + 4H + +4e - ; prenos e - na NADP + ; PSII (Mn -protein!); Kok et al. 1970; (H 2 O + NADP + + h. 1/2O 2 + NADPH + H + ) - pseudociklična : PSII,PSI; pot e - : H 2 O e - iz H 2 O PSII PSI O O 2 (2H + + O 2 + 2e - H 2 O 2 (katalaza) H 2 O + 1/2O 2 ); Edwards & Walker 1983; "Mehlerjeva"reakcija)

40 POVZETEK REAKCIJ IN PRODUKTI SVETLOBNE FAZE: 2H 2 O + 2 NADP ADP + 3Pi (H 2 PO 4 ) FOTONOV O NADPH + 2H + + 3ATP + 3H 2 O; 1 molekula H 2 O 1/2O 2 + NADPH +H + + 1,5 ATP; za redukcijo 1CO 2 potrebujemo: 3 ATP + 2 NADPH +H + zadošča že neciklična fosforilizacija, a v kloroplastu ne poteka le redukcija ogljika; stresne razmere!! (poraba ATP in NADPH za reparacijo, delo,..)

41 TEMOTNA FAZA FOTOSINTEZE = KALVINOV CIKEL= RPP CIKEL Povzetek reakcij: 6CO ATP + 12 NADPH + 12H + C 6 H ADP + 18 Pi + 12NADP+ Proces ne poteka v temi Sodelujejo številni encimi-temperaturna občutljivost Tvorijo se različni c-skeleti, ki se usmerjajo glede na potrebe rastline

42 Regulacija Kalvinovega cikla Encimatska 13 encimov, 3 le v kloroplastu (RUBISCO, sedoheptoloze- 1,7-bifosfataza, fosforibulokinaza) Stanje reducentov in energije (ATP, NADPH) Metabolitna (snovi, ki vzstopajo in izstopajo: CO2, O2, 1. akceptor(r-bp,c5), drugi sladkorji) Okolje (svetloba, temperatura, voda)

43 Faze Kalvinovega cikla Karboksilacija Redukcija Regeneracija substrata Avtokataliza

44 Pregled faz Kalvinovega cikla

45 Karboksilacija Vezava CO 2 na prvi akceptor, sladkor ribuloza bifosfat Akceptor mopra biti aktiviran Problem je pomanjkanje CO2, še posebej ob zaprtih režah; tedaj vezava kisika, RUBISCO postane RUBISO Potek pri večini rastlin: CO 2 (C 1 ) RuBP (C 5 ) (C 6 ) 2PGK (C 3 )

46 Prva faza Kalvinovega cikla: karboksilacija pri C3 rastlinah

47 FOTORESPIRACIJA Ob zaprtih režah zmanka CO2 Na isti substrat se veže kisik ob katalizaciji istega encima: O 2 (C 0 ) + RuBP (C 5 ) (C 5 ) 1PG (C 3 )+1PG (C 2, fosfoglikolat) Fosfoglikolat se presnavlja v peroksisomih, ob sodelovanju klooroplastov in mitohondrijev fotorespiracija (pomen: stres, povezava metabolizma C in N) Rešitve: C4, CAM in C1 tipi fotosinteze

48 C4 FOTOSINTEZA Pretežno tropske trave (Poaceae, Amarantaceae, Aizoaceae, Chenopodiaceae) Pretežno zerlišča, bogatih, dobro osvetljenih in na hranilih bogatih tal Dva tipa karboksilacije v listu; dimorfizem kloroplastov in asimilacijskega parenhima

49 Prerez lista C4 rastline: dimorfizem asimilacijskega parenhima

50 Dve prostorsko ločeni karboksilaciji pri C4 rastlinah

51 Dimorfizem kloroplastov pri C4 rastlinah: kloroplasti celic žilnega ovoja nimajo PSII

52 Različni tipi C4 fotosinteze

53 CAM tip fotosinteze: Crassualacean Acid Metabolism Problem odprtosti rež pri pomanjkanju vode; Crassulaceae, Euphorbiaceae, Aizoaceae,Bromeliaceae, Chenopodiaceae,.. Odprte reže ponoči (manjše sevanje, manjša transpiracija, vezava CO 2 iz zraka) Podnevi reže zaprte in izraba CO 2 iz rezervoarja C 4 -kislin v vakuoli Majhna produkcija a preživetje v zelo sušnih območjih (puščave, polpuščave, epifiti,..

54 Potek CAM tipa karboksilacije: časovni zamik dveh encimatskih vezav CO2.

55 C1 tip vezave Vodne rastline- makrofiti Slaba topnost CO 2, visoke temperature V membrani epiderma je bil odkrit način privzema CO 2 po reakciji: CO 2 (C 1 ) + H 2 O (C 0 ) H 2 CO 3 H + +HCO 3 - Rastlina sprejme bikarbonat; splošni način pasiranja membran pri vseh rastlinah!!

56 REDUKCIJA Pomeni redukcijo fosfoglicerata v triozo: fofoglicerin aldehid, dihidroksi aceton fosfat Porabita se ATP in NADPH2 Reakcija pomeni energetski prag PGA + NADPH+H + + ATP + h.( (trioze fosfat; C3 spojina

57 Regeneracija akceptorja- RuBP 6 C 5 (ribuloza bifosfat) + 6 C 1 (CO 2 ) 12 C 3 6C 5, 1C 6!! feedback regulacija; ker CO 2 pogosto primankuje, je vedno dovolj RuBP, da Kalvinov cikel normalno teče Dokazano z izotopi ogljika

58 Pregled trajanja posameznih faz Kalvinovega cikla

59 AVTOKATALIZA - uklanjanje C3, C6 spojin iz strome; sinteza škroba (asimilacijski škrob); eksport saharoze, trioz; povezava s sintezo drugih spojin (eritroza riboza RNK; deoksiroboza(dnk; ); sek. metabolizem

60 Sintezni procesi v kloroplastu

61 Prikaz izmenjave ogljikovih spojin med plastidi in citoplazmo translokacija asimilatov

62 Pool 4 metabolitov v ravnotežju. Iz snovi A nastaja snov D. metabolični status celice Določa ali nastane D ali pa se izvozi že vmesni produkt (B,C).

63 Izmenjava metabolitov med plastidi in okolico

64 Sinteza asimilacijskega škroba v kloroplastu

65 Sinteza rezervnega škroba v levkoplastu

66 VPLIVI NA FOTOSINTEZO I. INTERNI: Stanje in vrsta rastline II. ZUNANJI: Okolje: 1. [CO 2 ] Q= D. ΔC.S/d; D= dif. koeficient (cm 2 s -1 ); (c= razlika v konc. CO 2 med okoljem in celico; S = povprečna debelina lista; d= dolžina poti za CO 2 H 2 O/CO 2 ; prevodnost, upornost; r s, r a, ri 2. [O 2 ] FOTORESPIRACIJA; DIHANJE 3. SVETLOBA; 4. TEMPERATURA 5.VODA; 6. MINERALNA PREHRANA 7. BIOTIČNI DEJAVNIKI OKOLJA: Herbivori; paraziti (glive, živali, prokarionti)

67 Interni dejavniki:rastlina Vrsta, sorta Starost Fenofaza Organ (list, steblo, plod,..) Tkiva:klorenhimi (asimilacijski parenhimi),ostala tkiva Cela rastlina Trenutne meritve; akumulirana vezava

68 Načini meritve fotosinteze PQ = O 2 /CO 2 = 1 (idealne razmere) Vodni ekosistemi: meritve sproščanja O 2 Kopenski ekosistemi: meritve vezave CO 2 Meritve fluorescence (oddane svetlobe) Meritve pridelka (žetveni indeks) Meritve biomase v časovnih presledkih

69 Pomen svetlobe pri meritvah fotosinteze: Multipli vplivi svetlobe, odvisni od jakosti in spektralnega sestava Tipala za meritve učinkov svetlobe (kvantna-fotosinteza, radiacijska-energija celotnega spektra, meritve osvetlitve) Meritve fluorescence

70 Učinki sevanja na rastline: + veliki; x majhni; o nepomembni

71 Tipala za meritve različnih učinkov svetlobe in primeri vrednosti sevanja

72 Značilnosti svetilk, ki se uporabljajo za osvetljevanje rastlin pri meritvah fotosinteze

73 Odboj, prepustnost in absorbcija svetlobe lista topola v odvisnosti od valovnih dolžin

74 Usoda energije vzbujenega klorofila a: pretvorba v fotokemično delo (ATP; NADPH2 Fluorescenca, pretvorba v toploto

75 Prikaz poteka fluorescence klorofila na PS II; meritev kapacitete kloroplasta

76 Meritve izmenjave CO 2 IRGA metode (Infra Red Gas Analysis) Meritve fotosinteze v kopenskih ekosistemih Meritve neto fotosinteze: P n =P g -R (P n =neto fotosinteze, P g =bruto fotosinteza,r= dihanje) Kardinalne točke neto fotosinteze: spodnja kompenzacijska, saturacijska, zgornja kompenzacijska (minimum, optimum, pesimum) Spreminjanje vplivnih dejavnikov in meritve fotosinteze; standarne razmere Svetlobna, CO 2 saturacijska krivulja,.. Odprti in zaprti IRGA sistemi; absolutni in diferencialni način meritev; meritve spremljajočih parametrov

77 Sistem za pripravo zraka Komore kivete merilec Shema meritve neto fotosinteze s sistemom IRGA

78 Svetlobne krivulje neto fotosinteze rastlin različnih funkcionalnih skupin, izmerjene pri optimalni temperaturi in ambientalni koncentraciji CO 2

79 Shematski prikaz dnevnega spreminjanja izmenjave CO 2 v odvisnosti od jakosti Sevanja; C4 rastline imajo veliko večji izkoristek svetlobe kot C3 rastline; skiofiti učinkovito izkoriščajo svetlobo šibkih jakosti

80 Prikaz odvisnosti dnevnega poteka fotosinteze od radiacije pri C3 (Fagus sylvatica) In C4 rastlini (Zea mays). Izkoristek sevanja je večji pri C4 rastlini.

81 Vpliv vodnega režima na potek fotosinteze

82 Izmenjava CO 2 pri CAM rastlinah

83 Letna bilanca CO 2 kalice cemprina na gozdni meji v Alpah