FOTOSINTEZA Svetloba kot energija: E = h. = h.c/ (400-700 nm); E = energija; =frekvenca; = val. dolţina svetlobe; h = Plankova konstanta (6,625.10 34 J/s); c = hitrost svetlobe Enota : 1 mol s -1 m -2 = 1 E s -1 m -2 = 6,023. 10 17 fotonov s -1 m -2 = 6,023.10 17 kvantov s -1 m -2
FOTOSINTEZA - ASIMILACIJA OGLJIKA (energetika celice) RASTLINE - FOTOAVTOTROFNI ORGANIZMI višje rastline -brstnice; cianobakterije, fotosintetskoaktivne bakterije, evkariontske alge, lišaji
KEMOSINTEZA 1. Nitrifikacijske bakterije (Nitrosomonas) 2 NH 3 + 3 0 2 = 2 HNO 2 + 2 H 2 O + 158 kcal 2. Nitratne bakterije (Nitrobacter) 2 HNO 2 + 0 2 = 2 HNO 3 + 38 kcal (solitri; guano; Čile) 3. Ţveplove bakterije: 2H 2 S + O 2 H 2 0 + S 2 S 2 + 0 2 + H 2 0 2 H 2 SO 4 H 2 S + 2 0 2 H 2 SO 4 + 115kcal
ZAČETEK FOTOSINTEZE 4. Purpurne ţveplove bakterije CO 2 + 2 H 2 S(donor e -, H + ) (svetloba) CH 2 0 +H 2 O +2S Svetloba je vir energije Ţveplovodik vir elektronov in protonov Sprošča se elementarno ţveplo
Ostale oblike kemosinteze 5. Ţelezove 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
FOTOSINTEZA VIŠJIH RASTLIN, EV. ALG, CIANOBAKTERIJ 6CO 2 + 6 H 2 O(donor H +, e - ) + 675 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 2 + 2 H 2 O (h. ) CH 2 O + O 2 + H 2 O
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!)
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
Faze fotosinteze: svetlobne in temotne reakcije
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
Prikaz fotosinteznega učinka svetlobe glede na spektrani sestav
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 pomoţni pigmenti; - Emersonov efekt; PSI, PSII, "red drop"; pomen (; vzburjenje elektrona; izbitje elektrona; fluorescenca; toplota; hiperenergetsko stanje kloroplasta
Pomen fotosinteznih barvil: A) Glavna: Klorofil a (bakterioklorofil): absorbcija svetlobe in pretvorba energije fotonov v energijo elektronov B) Pomoţna (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)
Strukturne formule klorofila a, b in bakteriklorofila
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)
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 bliţini - oddaja elektrona bliţnjemu prejemniku fotokemija (Φ =št.fotokemično nastalih produktov/št. absorb. fotonov: quantum yield (fotokemični izkoristek; le reko 1)
Pomen karotenoidov Pomoţna absorbcija v modrem delu PhAR zaščita kloroplasta pred fotokemijsko oksidacijo fotoinhibicijo Pomen kemijske zgradbe karotenoidov Vloga ksantofilskega cikla odaptacija kloroplasta na svetlobno okolje
B) Fotokemične reakcije Z-shema, Hill & Bendal 1960; 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)
Model fotosistema 1- PS-I kla700
Model PS II kla 680; poleg reakcijskega centra vebuje še sistem za fotolizo vode
Shema obeh reakcijskih centrov in pridruţenih antenskih kompleksov
Razporeditev v tilakoidah: Nekatere funkcionalne enote so omejene na stromatarne tilakoide (PSI, kompleks ATP-aze), druge na granularne, zlepljene dele (PSII), tretje so enakomerno razporejene po obeh vrstah tilakoid (citohrom b 6 f kompleks) Zlepljanje in sproščanje tilakoid omogoča prilagajanje na svetlobno okolje
Porazdelitev funkcionalnih enot glede na vrste tilakoid
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 Deleţ/število PSI/PSII je odvisno od jakosti sevanja
Tok elektronov iz vode na NADP+ pojasnjuje Hil-Bendallova Z-shema;
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 (naloţenih) tilakoid. Nastanek koncentracijskega gradienta (H+!) in el. polja preko tilakoidne membrane. Kombinacija konc. gradienta in el. polja tvorita visoko energetsko stanje s teţnjo 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.
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.
Prikazana pot elektronov med PS II in PS I
Prikaz tvorbe ATP na stromatarnih tilakoidah
ATP-aza
Poenostavljen prikaz poteka ksantofilskega cikla na tilakoidnih membranah, proces, ki deluje stalno in ohranja tilakoidne membrane.
Načini tvorbe ATP V normalnih razmerah poteka neciklična fotofosforilizacija, pot elektrona iz vode na NADP + Kadar se NADPH+H ne porablja (teţave 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
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)
POVZETEK REAKCIJ IN PRODUKTI SVETLOBNE FAZE: 2H 2 O + 2 NADP + + 3 ADP + 3Pi (H 2 PO 4 ) + 8-12 FOTONOV O 2 + 2 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 ţe neciklična fosforilizacija, a v kloroplastu ne poteka le redukcija ogljika; stresne razmere!! (poraba ATP in NADPH za reparacijo, delo,..)
OGLJIKOVE REAKCIJE (TEMOTNA FAZA FOTOSINTEZE = KALVINOV CIKEL= RPP CIKEL) Povzetek reakcij: 6CO 2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12H + C 6 H 12 0 6 + 18ADP + 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
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: CO 2, O 2, 1. akceptor(r-bp,c 5 ), drugi sladkorji) Okolje (svetloba, temperatura, voda)
Faze Kalvinovega cikla Karboksilacija Redukcija Regeneracija substrata Avtokataliza
Pregled faz Kalvinovega cikla
Karboksilacija Vezava CO 2 na prvi akceptor, sladkor ribuloza bifosfat Akceptor mora biti aktiviran Problem je pomanjkanje CO 2, še posebej ob zaprtih reţah; tedaj vezava kisika, RUBISCO postane RUBISO Potek pri večini rastlin: CO 2 (C 1 ) RuBP (C 5 ) (C 6 ) 2PGK (C 3 )
Prva faza Kalvinovega cikla: karboksilacija pri C 3 rastlinah (ob zadostni preskrbi s CO 2 in oksigenacija ob pomanjkanju, kar vodi v fotorespiracijo).
FOTORESPIRACIJA Ob zaprtih reţah zmanjka CO 2 Na isti substrat se veţe kisik ob katalizi 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: C 4, CAM in C 1 tipi fotosinteze
C 4 FOTOSINTEZA Preteţno tropske trave (Poaceae, Amarantaceae, Aizoaceae, Chenopodiaceae) Preteţno zelišča, toplih, dobro osvetljenih negozdnih habitatov in na hranilih bogatih tal Dva tipa karboksilacije v listu; dimorfizem kloroplastov in asimilacijskega parenhima
Navadne celice mezofila Celice ţilnega ovoja z agranularnimi kloroplasti in delno oplutenelimi cel. stenami Prerez lista C4 rastline (npr. koruze): dimorfizem asimilacijskega parenhima
Dve prostorsko ločeni karboksilaciji pri C 4 rastlinah
Dimorfizem kloroplastov pri C 4 rastlinah: kloroplasti celic ţilnega ovoja nimajo PSII, agranularni kloroplasti.
Različni tipi C 4 fotosinteze
CAM tip fotosinteze: Crassualacean Acid Metabolism Problem odprtosti reţ pri pomanjkanju vode; Crassulaceae, Euphorbiaceae, Aizoaceae, Bromeliaceae, Chenopodiaceae,.. Odprte reţe ponoči (manjše sevanje, manjša transpiracija, vezava CO 2 iz zraka) Podnevi reţe zaprte in izraba CO 2 iz rezervoarja C 4 -kislin v vakuoli Majhna produkcija a preţivetje v zelo sušnih območjih (puščave, polpuščave, epifiti,..
Potek CAM tipa karboksilacije: časovni zamik dveh encimatskih vezav CO 2.
C 1 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!!
REDUKCIJA Pomeni redukcijo fosfoglicerata v triozo: fosfoglicerin aldehid, dihidroksi aceton fosfat Porabita se ATP in NADPH2 Reakcija pomeni energetski prag PGA + NADPH+H + + ATP + h.( (trioze fosfat; C3 spojina
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
Pregled trajanja posameznih faz Kalvinovega cikla
AVTOKATALIZA Uklanjanje C 3, C 6 spojin iz strome; sinteza škroba (asimilacijski škrob); Eksport saharoze, trioz; povezava s sintezo drugih spojin (eritroza riboza RNK; deoksiroboza(dnk; ); sek. metabolizem
Sintezni procesi v kloroplastu
Prikaz izmenjave ogljikovih spojin med plastidi in citoplazmo translokacija asimilatov
trioza CO 2 tetroze, pentoze heksoza Pool 4 metabolitov v ravnoteţju. Iz snovi A nastaja snov D. metabolični status celice določa ali nastane D ali pa se izvozi ţe vmesni produkt (B,C).
Sinteza asimilacijskega škroba v kloroplastu
Sinteza rezervnega škroba v levkoplastu
VPLIVI NA FOTOSINTEZO I. INTERNI: Stanje in vrsta rastline II. ZUNANJI: Okolje: 1. CO 2 Q= D. C.S/d; D= dif. koeficient (cm 2 s -1 ); (c= razlika v konc. CO 2 med okoljem in celico; S = povprečna debelina lista; d= dolţina 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, ţivali, prokarionti)
Interni dejavniki:rastlina Vrsta, sorta Starost Fenofaza Organ (list, steblo, plod,..) Tkiva:klorenhimi (asimilacijski parenhimi),ostala tkiva Cela rastlina Trenutne meritve; akumulirana vezava
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 (ţetveni indeks) Meritve biomase v časovnih presledkih
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
Učinki sevanja na rastline: + veliki; x majhni; o nepomembni
Tipala za meritve različnih učinkov svetlobe in primeri vrednosti sevanja
Značilnosti svetilk, ki se uporabljajo za osvetljevanje rastlin pri meritvah fotosinteze
Odboj, prepustnost in absorpcija svetlobe lista topola v odvisnosti od valovnih dolţin
Usoda energije vzbujenega klorofila a: pretvorba v fotokemično delo (ATP; NADPH2) fluorescenca, pretvorba v toploto
Prikaz poteka fluorescence klorofila na PS II; meritev kapacitete kloroplasta
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
Svetlobna saturacijska krivulja označuje začetek stresnih razmer
Sistem za pripravo zraka Komore kivete merilec Shema meritve neto fotosinteze s sistemom IRGA
Meritve velikosti fotosinteze so lahko na podlagi izmenjave CO 2 posameznih rastlin/njihovih organov-največkrat lista (slika levo) ali pa merimo izmenjavo CO 2 na ravni tipa vegetacije ( eddy covariance metoda).
Svetlobne krivulje netofotosinteze rastlin različnih funkcionalnih skupin, izmerjene pri optimalni temperaturi in ambientalni koncentraciji CO 2
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
Prikaz odvisnosti dnevnega poteka fotosinteze od radiacije pri C3 (Fagus sylvatica) In C4 rastlini (Zea mays). Izkoristek sevanja je večji pri C4 rastlini.
Vpliv vodnega reţima na potek fotosinteze
Izmenjava CO 2 pri CAM rastlinah
Letna bilanca CO 2 kalice cemprina na gozdni meji v Alpah