1648 J.B. van Helmont pademonstravo, kad augalai auga asimiliuodami kažkokią medžiagą iš oro

Transcript

1 5 paskaita Fotosintez : šviesos reakcijos. Bendros sąvokos ir trumpa istorija. Fotosintez s aparato struktūra. Šviesą sugeriančios sistemos. Elektronų ir protonų transporto mechanizmai.

2 Fotosintez s schema

3 Fotosintez s tyrin jimų istorija 1648 J.B. van Helmont pademonstravo, kad augalai auga asimiliuodami kažkokią medžiagą iš oro 1774 J. Priestley parod, kad augalai gamina dujas, kurios gali palaikyti degimą 1777 A.L. Lavoisier atrado deguonį 1782 Ž. Senebje nustat, kad augalai šviesoje ne tik išskiria O 2, bet ir sugeria CO P.Peltje ir Ž. Kavantu iš lapų išskyr žalią pigmentą ir pavadino jį chlorofilu J.Saksas pademonstravo, kad šviesoje lapuose susidaro krakmolas

4 Fotosintez s tyrin jimų istorija 1882 T.V. Engelmann atliko pirmą bandymą, parodantį, kad fotosintez je dalyvauja chlorofilas 1948 R. Emerson pasiūl fotosintetinio vieneto sąvoką, v liau pavadintą fotosistema 1959 R. Hill ir Bendall pasiūl fotosintetinio elektronų transporto Z-schemą 1961 M. Calvin gavo Nobelio premiją už CO 2 fiksacijos kelio fotosintez s metu išaiškinimą 1978 P. Mitchell gavo Nobelio premiją už ATP sintez s mechanizmo fotosintez s ir kv pavimo metu atradimą, kurį jis pavadino chemiosmoze

5 Fotosintez s apžvalga Apibr žimas: Fotosintez tai fiziko-cheminis procesas, kurio metu fotosintetinantys organizmai organinių medžiagų sintezei naudoja šviesos energiją (foto) Šis procesas vyksta: augaluose, dumbliuose, cianobakterijose Kai kurios bakterijos taip pat gali vykdyti fotosintezę, tačiau jos metu nesusidaro deguonis. Deguonį išskiriančios fotosintez s paprasčiausia lygyb : CO 2 + 2H 2 O CH 2 O+ H 2 O+ O 2 Lygyb teigia, kad viena anglies dioksido (CO 2 ) redukuojama iki karbohidrato (CH 2 O) ir pagaminama viena deguonies molekul.

6 Vanduo šiame procese yra vandenilio donoras. Kadangi galutinis produktas yra gliukoz, tai reakcijai reik s šešių anglies dioksido molekulių: 6CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2 Izoliuoti chloroplastai šviesoje gali skaldyti vandenį ir išskirti deguonį, jei yra elektronų akceptoriai (fericianidas, benzochinonas). Šis reiškinys pavadintas Hilo reakcija. Vandens skilimas susideda iš trijų etapų: 4H 2 O 4H + + 4OH - (fotoliz ) 4OH - 2H 2 O + 4e - + O 2 2benzochinonai + 4H + + 4e - 2hidrochinonai

7 Globalin fotosintez s svarba Žalieji augalai ir dumbliai tiekia beveik visą gyviems organizmams reikalingą energiją ir organinę anglį. Fotosintez tiekia visą aerobiniams organizmams reikalingą deguonį. Iškastinis kuras buvo pagamintas iš senovinių fotosintetinančių organizmų. Fotosintez tai pats didžiausias biosintetinis procesas Žem je. Fotosintetinantys organizmai vidutiniškai per metus iš atmosferos paima 2 x g anglies, arba 200 bilijonų tonų. Tai yra apie 10% viso atmosferos CO 2. Yra panaudojama apie 0,1% per metus Žemę pasiekiančios matomos saul s šviesos. Beveik visas augalų sujungtas CO 2 gražinamas į atmosferą vykstant mikrobų, augalų ir gyvūnų metabolizmui, ir biomas s oksidavimuisi. Beje, daugiau anglies dvideginio yra gražinama į atmosferą, nei sunaudojama fotosintezei. Atmosferinio CO 2 lygis per paskutinius 100 metų pastoviai did ja.

8 Fotosintez s schema

9 Fotosintez susideda iš dviejų fazių: "Šviesos reakcijos" vyksta chloroplastų tilakoiduose. Jas sudaro šviesos absorbcija, vandens suskaldymas, deguonies formavimasis, bei didel s energijos cheminių junginių ATP ir NADPH formavimasis. 2H 2 O 4[H] + O 2 (reikalingi šviesa ir chlorofilas) "Tamsos reakcijos" vyksta stromoje. Jų metu panaudojami NADPH ir ATP CO 2 fiksacijai į angliavandenius Kalvino-Bensono cikle. CO 2 + 4[H] [CH 2 O] + H 2 O

10 Chloroplastas

11

12 Elektromagnetinis spektras

13 Elektromagnetinis spektras Šviesa elgiasi lyg būtų sudaryta iš energijos vienetų, kurie keliauja bangomis. Šie vienetai yra fotonai. Šviesos bangos ilgis nustato jos spalvą. M lynos šviesos bangos ilgis yra apie 470 nm, o raudonos apie 700 nm.

14 Chlorofilų struktūra ir sud tis Chlorofilo molekulę, kaip ir hemoglobino hemą sudaro porfirino žiedas. Chlorofilas a C 55 H 72 O 5 N 4 Mg Chlorofilas b C 55 H 70 O 6 N 4 Mg Chlorofilas tai sud tingas dikarbonin s rūgšties chlorofilino esteris, kurioje viena karboksilin grup esterifikuota metilo alkoholio liekana, o kita- alkoholio fitolo liekana. COOCH 3 MgN 4 OH 30 C 32 COOC 20H 32

15 Chlorofilas I II 4 8 IV 7 III 5 6

16 Keturi pirolo žiedai (I-IV) sujungti tarp savęs metino tilteliais, sudarydami porfirininį branduolį. Tetrapirole yra 10 išorinių anglies atomų. Pirolinių žiedų azotai koordinacin mis jungtimis sąveikauja su Mg atomu. Taip pat yra ciklopentaninis žiedas, turintis chemiškai aktyvią karbonilinę grupę ir metilintą karboksilinę grupę. Struktūra iš tetrapirolinio ir ciklopentaninio žiedo vadinama forbinu. Ketvirtame pirolo žiede yra propiono rūgštis, kuri esterine jungtimi susijungusi su poliizopreniniu neprisotintu alkoholiu fitolu (C 20 H 39 OH) Prie 1, 3, 5, 8 anglių yra metilo grup s, prie 2 vinilo, prie 4 etilo. Porfirininį žiedą sudaro devynios konjuguotų pakaitomis einančių viengubų ir dvigubų jungčių poros, su 18 delokalizuotų π-elektronų Chlorofilas b skiriasi tuo, kad vietoje metilo yra formilo grup. Chlorofilo struktūra be fitolo chlorofilidas

17 Fiziko-chemin s chlorofilų savyb s Chlorofilų sug rimo maksimumai a- raudonoje spektro dalyje nm, m lynoje nm, chlorofilo b ir nm. Chlorofilai silpnai sugeria oranžinę ir geltoną šviesą ir nesugeria žalių ir infraraudonųjų spindulių. Sug rimas melsvai violetin je spektro dalyje yra d ka konjuguotų viengubų ir dvigubų jungčių porfirino žiede. Intensyvus sug rimas raudonojoje dalyje siejamas su dvigubos jungties IV pirolo žiede hidratacija ir Mg buvimu porfirino žiede. Chlorofilų tirpalai poliariniuose tirpikliuose gali fluorescuoti ir fosforescuoti

18 Atomų ir molekulių labiau stabilūs yra tie būviai, kai valentiniai elektronai užima pačius žemiausius energetinius lygmenis ir pasiskirstę pagal Pauli principą (ne daugiau kaip du elektronai su antiparaleliniais sukiniais vienoje orbital je). Toks molekul s būvis vadinamas pagrindiniu singletiniu energetiniu lygiu (S 0 ). Kai molekul sugeria šviesos kvantą, tai jo energijos d ka elektronas pereina į aukštesnes laisvas orbitales. Jei sudirgintas elektronas išlaiko tą pačią sukinio kryptį, tai molekul būna singletin s sudirgintos būsenos (S*), jei pereinant į aukštesnę orbitalę elektrono sukinys pakeičia kryptį, tai tokia būsena vadinama tripletine (T*). Jei chlorofilo molekul sugeria raudonos šviesos kvantą, tai ji pereina į sudirgintą būseną (S* 1 ). Jei sugeria didesn s energijos m lynos šviesos kvantą, elektronas pereina į aukštesnę orbitą (S* 2 ).

19 Chlorofilo molekul s energetin s būsenos ir įvairūs sužadinto elektrono energijos panaudojimo būdai šiluma fluorescencija šiluma Energijos migracija šiluma fosforescencija Chemin energija Chemin energija

20 D ka savo struktūrinių ir Molekulinis chlorofilo modelis fiziko-cheminių savybių chlorofilo molekul gali atlikti tris svarbias funkcijas: pasirenkamai sugerti šviesos energiją; sukaupti ją elektroninio sudirginimo formoje; fotochemiškai paversti sudirgintos būsenos energiją į cheminę pirminių fotoredukuotų ir fotooksiduotų junginių energiją.

21 Fikobilinai Tai yra atviros grandin s tetrapirolai, turintys konjuguotų dvigubų ir viengubų jungčių sistemą. Sud tyje neturi Mg atomų ir kitų metalų, taip pat ir fitolo. Pirolo žiedai sujungti metino tilteliais =CH-. Trys pagrindin s grup s: fikoeritrinai raudonos spalvos baltymai su sug rimo maksimumu nuo 498 iki 568 nm; fikocianinai melsvai-m lyni baltymai su sug rimo maksimumu nuo 585 iki 630 nm; alofikocianinai m lyni baltymai su sug rimo maksimumu nuo 585 iki 650 nm. Visi šie chromoproteinai fluorescuoja, jie tirpsta vandenyje.

22 Karotinoidai riebaluose tirpstantys geltonos, oranžin s ir raudonos spalvos pigmentai. Žinoma apie 400 šios grup s pigmentų. Trys grup s: oranžiniai arba geltoni - karotinai (C 40 H 56 ); geltoni ksantofilai (C 40 H 56 O 2 ir C 40 H 56 O 4 ); karotinoidin s rūgštys karotinoidų oksidacijos produktai (C 20 H 24 O 4 ). Jų sug rimo spektrai yra dviejose zonose melsvaivioletin je ir m lynoje nuo 400 iki 500 nm. Jie gali jungtis su tripletin je būsenoje esančiais chlorofilais, apsaugodami juos nuo negrįžtamos oksidacijos.

23 ChlT* + karotinoidas Chl S0 + karotinoidast* karotinoidast* karotinoidas S0 + šiluma Taip pat gali jungtis su sudirgintu (singletiniu) deguonimi: Karotinoidas + O 2 S* karotinoidast* + O 2 KarotinoidasT* karotinoidas S0 + šiluma Molekulinis karotino modelis

24 Kai kurių augalų pigmentų absorbcijos spektrai (Purves et al., Life: The Science of Biology)

25 Fotosintez s schema

26 Šviesin fotosintez s faz Šioje faz je vyksta šviesos sug rimas chlorofilo a ir pagalbinių pigmentų (chlorofilo b, karotinoidų, fikobilinų) d ka, ir energijos transformacija į cheminę ATP ir redukuoto NAPH energiją. Visi šie procesai vyksta chemiškai aktyviose chloroplastų membranose. Į chloroplastų lamelių sud tį įeina daugiakomponentiniai baltyminiai kompleksai: šviesą surenkantis kompleksas I ir II fotosistemos citochrominis kompleksas, apimantis citochromus b6 ir f ATP-azinis kompleksas

27 Energijos migracija ir elektronų transportas Dvi fotosistemos. I fotosistemą sudaro: 13 baltyminių subdalelių, 175 chl a, 25 chl b ir karotinoidai. FS I branduolį sudaro: 6 baltymų subdalel s, apie 50 chl a ir elektronų nešiklių dalelių. Jame yra reakcinis centras 2 baltymų subdalel s ir P 700 bei anteninių pigmentų chl kompleksas. Pirminis elektronų akceptorius chl a 695 (A 1 ), antriniai akceptoriai A 2 ir A V (geležies-sieros baltymai FeS). Veikiant šviesai FS I kompleksas redukuoja feredoksiną (Fd) ir oksiduoja vandenyje tirpstantį vario turintį baltymą plastocianiną (Pc).

28 II fotosistemą sudaro: 11 baltyminių subdalelių, 200 chl a, 100 chl b, 50 karotinoidų, 2 citochromo b 559, plastochinono bei feofetino molekul s, viena molekul P 680 bei anteniniai pigmentai chl Įeina vandenį skaldantis S-sistemos baltymų kompleksas, kuris turi 4 Mn atomus, negali funkcionuoti be Cl - ir Ca 2+. FS II branduolį sudaro: 5 baltymų subdalel s, 50 chl a molekulių ir elektronų nešiklių kompleksas. Reakcinį centrą sudaro 2 baltymų subdalel s, feofetinas a ir P 680. Pirminis elektronų akceptorius: feofetinas a (Ff), perduodantis elektronus pirminiam plastochinonui, asocijuotam su FeS (QA), o v liau antriniam plastochinonui (QV). Ši fotosistema redukuoja plastochinoną (PQ) ir oksiduoja vandenį išsiskiriant O 2 ir protonams.

29 Šviesą surenkantys kompleksai I ir II (LH I, LH II) ir reakcijos centras (RC)

30 Anteniniai kompleksai ir energijos migracija pigmentin se sistemose Kiekviename reakciniame centre yra apie chlorofilo molekulių, kurių funkcijos yra sugerti šviesą ir perduoti sudirgintos būsenos energiją link reakcinio centro. Chlorofilo a molekul s ir papildomi pigmentai chlorofilas b, karotinoidai, fikobilinai įeina į anteninių ar šviesą surenkančių kompleksų (ŠSK) sud tį. Kiekviename ŠSK yra nuo 120 iki 240 molekulių chlorofilo Energijos perdavimas (migracija) per anteninių kompleksų molekules vyksta pagal indukcinio rezonanso principą (be fluorescencijos ir krūvio pernešimo). Energijos pernešimas vyksta nuo : Karotinas ( nm) chlorofilas b (650 nm) chlorofilai a ( nm) P 680 (FSII).

31 Reakciniai centrai Baltymai, kurie turi ilgabangių chlorofilų formas (P680 - FSI ir P700 FSII), santykiu viena molekul kitų chlorofilų molekulių, ir galintys vykdyti pirminį fotocheminį krūvių atskyrimą, vadinami reakciniais centrais. Pirminis krūvių atskyrimas reakciniuose centruose vyksta tarp chlorofilo molekulių ir susijęs su elektronų transportu. Pirminis elektronų donoras tai chlorofilo molekul, esanti singletin s sudirgintos (sužadintos) būsenos. Kai elektronas pašalinamas nuo molekul s, sakoma, kad ji OKSIDUOJASI. Taigi, reakcinis centras tampa fotooksiduotu. Tai yra pagrindin fotosintez s proceso dalis. FSII pirminis elektronų donoras P 680, pirminis akceptorius feofetinas FSI pirminis elektronų donoras P 700, o akceptorius monomerin chlorofilo a 695 (A 1 ) forma.

32 Neciklin ir ciklin elektronų pernaša Tam, kad fotosintez s metu būtų redukuota viena NADP + molekul, reikalingi du elektronai ir du protonai, o elektronų donoras vanduo. Fotoindukuotą vandens oksidaciją vykdo FSII, NADP + redukciją FSI. Fotosintez s šviesos faz s reakcijų seka d l panašumoį Z raidę pavadinta Z-schema Fotofosforilinimas Energijos lygių skirtumas tarp P 680 ir P 700 yra daugiau kaip 50 kj, to pilnai pakanka ADP fosforilinimui, nes didel s energijos ATP jungties dydis lygus 30,6 kj/mol (7,3 kcal). Tačiau pats energijos atsipalaidavimas cikliškai ir necikliškai pernešant elektronus dar nepaaiškina kaip vyksta fotofosforilinimas. ADP fosforilinimą aiškina chemiosmotin teorija, išvystyta anglų biochemiko P. Mitčelo ( ).

33 Teorijos esm Nuo FSII P 680 elektronus paima elektronų akceptoriai iš išorin s pus s ir perduoda oksiduotai plastochinono (PQ) formai lipiduose tirpstančiam protonų ir elektronų pernešikliui, vykdančiam laivo funkciją. Paimdamas du elektronus, 2PQ difunduoja link citochrominio komplekso ir iš stromos paima 2H +. Nuo 2PQH2 elektronai eina į pernašos grandinę: FeSR cit f Pc P 700, o H + patenka į tilakoido ertmę. Antra pora H + atsipalaiduoja ten pat, foto-skaldant vandenį. FSI elektronus iš P 700 paima akceptorius A, perduoda feredoksinui (Fd), tada NADP +, esančiam išorin je membranos pus je, ir 1H + panaudojamas NADP redukcijai.

34 Tokiu būdu, iš terp s, supančios tilakoidą, pasišalina, o vidin je tilakoido ertm je atsiranda protonai, susiformuoja elektrocheminis H+ potencialas, kuris v liau naudojamas ADP fosforilinimui. Šis procesas vadinamas necikliniu fotofosforilinimu. Esant cikliniam fotofosforilinimui, kai veikia tik FSI, elektronai nuo Fd eina į citochrominį kompleksą, naudojant plastochinoną PQ, kuris veikia kaip elektronų ir protonų pernešiklis. V liau elektronai per citochromą f ir Pc grįžta į pagrindinę energetinę būseną link P 700, protonai patenka į tilakoido ertmę.

35 Elektronų transportas tilakoidų membranoje

36

37 Pirmos (FS-I) ir antros (FS-II) fotosintetinių sistemų sąveika. Pheo - feofitinas; QA, QB- plastochinonai; Cyt citochromai, FeSR feredoksinai; A0 FNR elektronų transporto fermentai; skaičiai 1-6 rodo procesų seką (pagal Blankennship ir Prince, 1985)

38 Komponentų, dalyvaujančių šviesin je fotosintez s faz je, išsid stymas tilakoidų membranose