FOTOSYNTEZA I

I. Rzeczy, które należy wiedzieć, aby łatwiej zrozumieć, jak to wszystko działa

Pojęcia do przypomnienia:

1)     stopień utlenienia

2)     utlenienie, redukcja, reakcje redoks,

3)     potencjał redoks – wyraża zdolność układu redoks do oddania lub przyjęcia elektronu. W przypadku dwóch układów redoks o różnych potencjałach znajdujących się w bezpośrednim kontakcie elektrony będą przenoszone z układu o niższym potencjale na układ o wyższym, wartość potencjału podaje się względem standardowej elektrody wodorowej, jednostka [V].

4)     łańcuch transportu elektronów – to w istocie szereg sprzężonych ze sobą reakcji redoks, zachodzących w określonej kolejności (za to, by ta kolejność była stała odpowiadają: wartości potencjałów redoks, odległości pomiędzy kolejnymi kofaktorami, rozpoznawanie się cząsteczek, ich orientacja przestrzenna),

5)     potencjał elektrochemiczny – składa się na niego gradient stężeń i różnica ładunków

6)     gradient pH

7)     układ wiązań sprzężonych

8)     kofaktor i grupa prostetyczna

II. Tytułem wstępu

Fotosynteza:

Energia światła przekształcana w energię chemiczną. Energia świetlna wykorzystywana do produkcji biomasy – podstawa produkcji biomasy na powierzchni ziemi.

Dwutlenek węgla + woda + światło ® materia organiczna + tlen

Sumaryczna reakcja fotosyntezy:

6 CO2 + 6 H2O + światło ® C6H12O6 + 6 O2

DG = 2868 kJ/mol glikozy

Reakcja silnie endoergiczna, w normalnych warunkach stała równowagi reakcji rzędu 10-500

Zbilansowane równanie fotosyntezy:

CO2 + H2O ® (CH2O) + O2

Uogólnione równanie (uwzględnia też fotosyntezę anoksygeniczną)

CO2 + 2H2A ® (CH2O) + 2A + H2O

Dwa odrębne procesy (zobacz też poniżej – faza jasna i ciemna)

2H2A ® 2A + 4e- + 4H+

CO2 + 4H+ + 4e- ® (CH2O) + H2O

Wydajność fotosyntezy - nie jest to system idealny:

-          nie całe spektrum promieniowania słonecznego może być wykorzystane. To, jakie długości fali są wykorzystywane zależy od właściwości spektralnych barwników fotosyntetycznych

-          nie całe zdolne do wykorzystania światło jest absorbowane przez liść tylko pewien (dość niewielki) jego procent

-          transport energii wzbudzenia z anten do RC – bardzo wydajny, ale i tutaj straty.

-          transport elektronów też nie jest idealny, kolejne straty energii.

-          spore straty „przy przejściu” i w obrębie fazy ciemnej – niedoskonałość enzymów.

Tylko 5% docierającej do rośliny energii świetlnej jest zużywane do syntezy węglowodanów.

1)     Kto? czyli organizmy przeprowadzające fotosyntezę

Eukaryota

- rośliny

- niektóre pierwotniaki

Prokaryota

- sinice

- zielone bakterie siarkowe

- zielone bakterie nitkowate

- purpurowe bakterie siarkowe

- purpurowe bakterie bezsiarkowe

- heliobakterie

2)     Gdzie?  Organelle i subkomórkowe struktury związane z fotosyntezą

- chloroplasty roślin i pierwotniaków

- tylakoidy sinic (są to po prostu spłaszczone pęcherzyki, w ich błonach występują fotoukłady)

- chromatofory bakterii purpurowych (też systemy pęcherzyków o różnych kształtach)

- chlorosomy bakterii zielonych (pałeczkowate struktury otoczone błoną i przylegające jedną stroną do błony komórkowej – to w zasadzie ogromne struktury antenowe)

3)     Jak?

Dwa typy fotosyntezy ze względu na używane donory elektronów do fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów i powstające produkty uboczne.

- anoksygeniczna – jako donory elektronów wykorzystuje głównie związki siarki lub proste związki organiczne, nie generuje tlenu. Przeprowadzają ją bakterie purpurowe, zielone i heliobakterie. Posiadają one pojedynczy fotoukład (więcej w temacie „fotosynteza bakteryjna”) – bakterie purpurowe mają fotoukłady typu PS II, zaś zielone i heliobakterie – typu PS I.

- oksygeniczna – donorem elektronów od łańcucha jest woda, dlatego ten rodzaj fotosyntezy generuje tlen. Występuje u roślin, niektórych pierwotniaków i sinic. Potrzebne są dwa fotoukłady – bo różnica potencjałów redoks pomiędzy H2O skąd elektrony są zabierane a NADP+, na który są przenoszone jest duża i trzeba aż dwóch „skoków” energii (patrz schemat Z).

Pojawienie się fotosyntezy oksygenicznej (sinice) miało ogromne znaczenie dla ewolucji życia.

Wykorzystywanie ogólnodostępnej przecież wody jest wygodne. Dzięki fotosyntezie oksygenicznej w atmosferze pojawił się tlen, co umożliwiło późniejsze upowszechnienie się oddychania tlenowego, które jest procesem dostarczającym dużo więcej energii niż oddychanie beztlenowe. Ponadto dla ówcześnie występujących organizmów tlen był trucizną – organizmy przeprowadzające f. oksygeniczną spowodowały ogromne wymieranie i wytruły sobie konkurencję (do czasu oczywiście).

Warto pamiętać, że tlen jest dość aktywny i łatwo przechodzi w różne tzw. reaktywne formy (ROS – reactive oxygen species) (np. H2O2, · OH – rodnik hydroksylowy, O2-· - anionorodnik ponadtlenkowy, 1O2 – tlen singletowy) mogące uszkadzać a nawet zabijać komórki (np. uważa się, że ROS odgrywają istotną rolę w procesach starzenia), zatem odkąd pojawił się w atmosferze konieczna stała się obecność wielu systemów chroniących komórki przed nim. Zwłaszcza łańcuchy transportu elektronów są potencjalnym miejscem tworzenia ROS, są też łatwo przez ROS uszkadzane i wymagają stałej ochrony.

Dwie fazy fotosyntezy:

- faza jasna – zachodzi w niej absorpcja światła, transport elektronów przez łańcuch fotosyntetyczny, generowanie siły redukcyjnej (NADPH) i ATP. To tutaj (w przypadku f. oksygenicznej) dochodzi do utleniania wody i generowania tlenu (pamiętajmy, że tlen jest produktem ubocznym fotosyntezy). Niejako „na końcu” fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów redukowany jest NADP+ do NADPH, który jest później wykorzystywany w fazie ciemnej. Transportowi elektronów w błonie towarzyszy też generowanie gradientu protonów w poprzek błony. Gradient ten jest formą magazynowania energii (może być np. wykorzystywany do transportu jonów czy metabolitów) ale – co najważniejsze „napędza” syntezę ATP. Powstające w fazie jasnej ATP jest wykorzystywane w fazie ciemnej lub do innych celów.

- faza ciemna – w niej zachodzi asymilacja CO2 – polegająca na jego redukcji i przyłączeniu do cukrów. Tutaj wykorzystywane są NADPH i ATP generowane w fazie jasnej.

Każdy organizm fotosyntetyzujący musi mieć obydwie fazy oczywiście. Rośliny zielone asymilują węgiel w cyklu Calvina-Bensona, natomiast u bakterii strategie wiązania węgla mogą być bardziej zróżnicowane (zobacz temat „Fotosynteza bakteryjna”).

Faza jasna - główne etapy:

- absorpcja światła i przekazanie energii wzbudzenia barwników fotosyntetycznych do RC.

- wzbudzenie chlorofilu w RC i rozdział ładunków: „wybicie” elektronu z cząsteczki wzbudzonego chlorofilu i przekazanie na pierwotny akceptor protonów

- transport elektronów przez kolejne kompleksy i przenośniki zakończony redukcją NADP+ do NADPH, towarzyszy mu generowanie gradientu protonów w poprzek błony. Jednocześnie wybijane z PS II elektrony są zastępowane przez elektrony pochodzące z utleniania wody, które prowadzi do produkcji tlenu.

- generowanie ATP.

Faza ciemna - główne etapy:

- karboksylacja – czyli przyłączenie CO2 do rybulozo-1,5-bisfosforanu – tworzy grupę COOH

- redukcja – redukcja grupy COOH do gr CHO, powstaje aldehyd fosfoglicerynowy

- regeneracja – odtwarzanie rybulozo-1,5-bisfosforanu – szereg przemian cukrów.

Co nieco o wydajności jeszcze:

Do redukcji NADP elektronem pochodzącym z wody trzeba 1,2 V

Do redukcji 1 cz CO2 – 4,8 V (bo 4 elektronowa)

Na mol glukozy 2868 kJ

Na 1 cz CO2 : 9-10 fotonów. Tylko ok. 27% energii tych pochłoniętych fotonów zużywane do redukcji węgla.

III. Chloroplasty

1) Rodzaje plastydów i budowa chloroplastów

Plastydy:

-          formy niedojrzałe: proplastydy, etioplasty (u roślin okrytonasiennych rosnących w ciemności)

-          chloroplasty

-          chromoplasty – zabarwione żółto, pomarańczowo, czerwono, zawierają karotenoidy, w owocach, korzeniu marchwi,

-          leukoplasty (bezbarwne, główna rola – gromadzenie materiałów zapasowych), elajoplasty (magazynują tłuszcze), amyloplasty (magazynują skrobię w tkankach zapasowych: bielmie, liścieniach, korzeniach, bulwach).

Chloroplasty: kształt najczęściej dyskoidalny, średnica 4-10 mm, grubość ok. 1 mm, zwykle w komórce po kilkadziesiąt, w zależności od gatunku, czy warunków środowiskowych – ich liczba 1-100 (ale np. chloroplasty glonów często występują w komórce w niedużej liczbie,  mogą mieć różne kształty vide Chlorella).

Chloroplast:

-          osłonka

a)      błona zewnętrzna (obie błony różnią się składem i strukturą)

b)     błona wewnętrzna 

-          stroma – tu zachodzą reakcje fazy ciemnej, rozpuszczone są wszystkie potrzebne do niej enzymy

-          tylakoidy – w ich błonach znajdują się kompleksy białkowo-barwnikowe odpowiedzialne za fazę jasną fotosyntezy, wnętrze tylakoidów nazywane jest światłem tylakoidów lub lumenem.

a)      tylakoidy gran (upakowane w stosy)

b)     tylakoidy stromy (układy pęcherzyków nie upakowane w stosy, niejako „łączące” grupy tylakoidów gran)

Oprócz tego w stromie występują też ziarna skrobi asymilacyjnej oraz plastoglobule – „grudki” zmagazynowanych lipidów oraz rybosomy 70 S (typu prokariotycznego)

Świetlna (jasna) faza fotosyntezy polega na przemianie energii świetlnej na chemiczną, zmagazynowaną w formie ATP oraz NADPH (tzw. siła redukcyjna, NADPH jest silnym reduktorem),. Jej  produktem ubocznym w przypadku fotosyntezy oksygenicznej jest O2,.

Ciemna faza fotosyntezy – w stromie, wytworzone w fazie jasnej ATP i NADPH są wykorzystywane do redukcji CO2 i jego wbudowywania w związki organiczne. 

2) Pochodzenie chloroplastów – endosymbioza sinic – bo też dwa fotoukłady, chl a i b, fotosynteza oksygeniczna, homologia niektórych białek sinicowych i chloroplastowych.

Z czasem – transfer części genów do jądra, uzależnienie metaboliczne.

Zdarza się, że wtórny endosymbiont zachowuje własne jądro i mitochondria.

Ciekawostka: wtórna endosymbioza:

3) Genom chloroplastowy:

Chloroplast zawiera swój własny materiał genetyczny w postaci kolistego dwuniciowego DNA, nie nawiniętego na histony

Pewien stopień autonomii genetycznej – geny potrzebne do dekodowania plastydowego DNA (własny aparat replikacji i syntezy białka),  geny związane z fotosyntezą. Przykłady białek kodowanych przez genom chloroplastowy: podjednostki syntazy ATP, część białek uczestniczących w fotosyntetycznym transporcie elektronów (bywa tak, że w obrębie jednego kompleksu część podjednostek jest kodowana przez genom chloroplastowy, a część przez jądrowy, bardzo często w genomie chloroplastowym kodowane są podjednostki tworzące rdzeń fotoukładów), duża podjednostka Rubisco (mała podjednostka jest kodowana w genomie jądrowym).

Plastydowy aparat syntezy białka:

Rybosomy typu 70 S podobne do bakteryjnych, N-formylometionina jako aminokwas inicjujący (podobnie jest u prokaryota, eukaryota wykorzystują metioninę) Genom chloroplastowy zawiera geny plastydowego rRNA i tRNA oraz syntetaz aminoacylo-tRNA)

W pojedynczym chloroplaście 200-300 identycznych kopii DNA w grupach 5-20 cząsteczek, zazwyczaj połączone z wewnętrzną błoną osłonki lub z błoną tylakoidów. 120-160 tys pz (niektóre – do 200 tys), rejon genów powtórzonych – 22-26 tys pz, koduje około 120 białek.

4)     Transport białek do chloroplastów

Dotyczy białek kodowanych w genomie jądrowym, jest to transport potranslacyjny, białka te powstają na wolnych rybosomach w cytoplazmie, zawierają tzw. peptyd tranzytowy (sygnałowy) lub inaczej – sekwencję skierowującą (sygnalną), jest to sekwencja aa (aminokwasów), która stanowi sygnał o docelowej lokalizacji białka i jest rozpoznawana przez inne białka/kompleksy białkowe odpowiedzialne za transport. Białko zawierające odpowiednią sekwencję skierowującą jest holowane do kompleksu transportującego (zwanego translokonem) w błonie osłonki) następnie jest rozwijane i „przepychane” przez osłonkę (na koszt energii ATP), ponownie zwijane w stromie, sekwencja sygnałowa może być odcinana (nie jest tak we wszystkich przypadkach). W rozwijaniu, ponownym zwijaniu i holowaniu transportowanego białka uczestniczą białka opiekuńcze z grupy białek hsp (heat shock protein – bo ich ekspresja wzrasta w odpowiedzi na szok cieplny, hsp pomagają w poprawnym zwijaniu i agregacji białek oraz „naprawianiu” białek niepoprawnie zwiniętych) głównie Hsp70 i Hsp 60.

W chloroplastach wiele przedziałów: osłonki, przestrzeń międzybłonowa (pomiędzy osłonkami), stroma, błony tylakoidów, lumen. Konieczne są całe układy sygnałów. Transport etapami.

Przykład z Rubisco: składa się z 8 podj dużych (50-55 kDa) syntetyzowanych w chloroplaście  i 8 małych (12-15 kDa) syntetyzowanych w jądrze, peptyd sygnałowy 46-57 aa. W transporcie i ponownym zwijaniu małej podjednostki uczestniczy Hsp 70. Po dotarciu do stromy – odcięcie peptydu sygnałowego, w fałdowaniu dużych podjednostek bierze udział Hsp 60.

IV. Błony i barwniki fotosyntetyczne

1) Budowa i funkcja błon fotosyntetycznych:

Występowanie chlorofili i bakteriochlorofili:

Rośliny wyższe, zielenice:  chl a, b

Brunatnice: chl a i c

Krasnorosty: chl a i d

Sinice:  chl a 

Zielone bakterie nitkowate: bchl (bakteriochlorofil) a, c, d

Zielone bakterie siarkowe: bchl a, c, d, e,

Purpurowe bakterie siarkowe i niesiarkowe (bezsiarkowe): bchl a lub b

Heliobakterie: bchl g

Inne barwniki:

Karotenoidy – rośliny wyższe, zielenice, brunatnice (maskują kolor chlorofilu), krasnorosty, bakterie purpurowe (maskują kolor bakteriochlorofilu), zielone, sinice,

Fikobiliny – sinice, krasnorosty.

Molekularna organizacja tylakoidów:

Stosunkowo duży udział białek w błonach tylakoidów (55-65 %)

Lipidy błon tylakoidów – 75% z nich to monogalaktozylodiacyloglicerol (MGDG) i digalaktozylodiacyloglicerol (DGDG), ich ogony tłuzczowe zawierają głównie nienasycone kwasy tł. Np. linolowy, linolenowy, prawdopodobnie obecność MGDG sprzyja formowaniu stosów pęcherzyków.

Nierównomierne rozmieszczenie kompleksów biorących udział w fotosyntetycznym transporcie elektronów:

-          PS II występuje głównie w tylakoidach gran

-          PS I i syntaza ATP – głównie w tylakoidach stromy oraz w eksponowanych do stromy częściach tylakoidów gran (względy przestrzenne – mają dużą część „sterczącą nad błonę”, która potrzebuje wolnej przestrzeni)

-          Kompleksy cytochromów b6f – mniej więcej równomiernie.

5)     Barwniki fotosyntetyczne

Ich rolą jest absorpcja energii świetlnej a następnie jej przekazywanie (barwniki antenowe) lub wykorzystanie do reakcji fotochemicznych (chl i bchl w RC). Są także barwniki pełniące funkcje ochronne w sytuacji nadmiaru światła.

Widmo czynnościowe fotosyntezy – zależność intensywności fotosyntezy od długości fali.

...