Fotoszintézis

1. Fotoszintézis Dr. Horváth Ferencegyetemi adjunktus SZTE Növénybiológiai Tanszék

2. Fotoszintézis: a fény energiájának hasznosítása szerves anyagok szintézisére A Napból az atmoszférát elérő energiamennyiség: 56 x 1023 J/év Ennek a fele éri el a Föld felszínét: 28 x 1023 J/év A fotoszintézisben hasznosulni képes hullámhosszok energiája ebből: 15 x 1023 J/év Az előállított szerves anyag tömege 2 x 1011 tonna/év, melynek energiatartalma: 3 x 1021 J/év A fotoszintetizáló szervezetek tehát az arra alkalmas energiának csak 0,2%-át hasznosítják.

3. fény fény redukció A fotoszintézis általános reakcióegyenlete H2D + A H2A + D Redox reakció, melyben H2D-donor, A-akceptor molekula A fotoszintetizáló szervezetek döntő többségében a donor molekula a víz, az akceptor molekula a szén-dioxid vagy más molekulák. 2n H2O + n CO2 n (CH2O) + n H2O + n O2 A reakció során tehát a víz oxidálódik, a szén-dioxid pedig redukálódik. A felszabaduló O2 a vízből képződik. redukált termék oxidáció n = 6

4. Fotoszintetizáló szervezetek Prokarióták zöld, kékes-zöld és bíbor baktériumok, Prochloron-fajok Eukarióták egysejtű algák, többsejtű zöld-, barna és vörösmoszatok, magasabbrendű növények A Föld jelenlegi légkörének O2 tartalma fotoszintetikus eredetű! „oxigén katasztrófa” – 2,4 milliárd éve

5. Levél keresztmetszet Levélér Mezofillum CO2 O2 Sztómák • A növények levele • A fotoszintézis legfőbb helyszíne

6. Mezofillum sejtjei Kloroplasztisz 5 µm Külsőmembrán Tilakoid Membránok közötti tér Lumen Gránum Sztróma Belsőmembrán 1 µm Kloroplasztisz • Organellum, melyben a fotoszintézis zajlik • Tilakoidokat és gránumokat tartalmaznak

7. A fotoszintetikus apparátus szerkezete Kloroplasztiszok lencse alakú, 3-10 µm3, 20-60 db/sejt kettős membrán határolja (6 nm vastagságúak, 10-20 nm-es résekkel) sztróma (CO2 redukciós enzimek, klp cirkuláris DNS, 70S riboszómák, keményítőszemcsék) tilakoidmembránok, összefüggő üregrendszer = lumen gránumok

8. A kloroplasztisz belső membránrendszerének elektronmikroszkópos képe sztróma sztrómatilakoid gránatilakoid keményítő szemcse a sztrómában

9. A tilakoid membránban integráns membránfehérjék találhatók pl. reakciócentrumok, antenna pigment-protein komplexek, elektron továbbító fehérjék A PS II D1 fehérjéjének szerkezete a tilakoid membránban

10. F. F. Blackman (1905-1911) Magas CO2 koncentrációnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a fény intenzitásával (alacsony fényintenzitások esetén). Magas fényintenzitásnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a CO2 koncentrációjával (alacsony CO2 koncentrációk esetén). A fotoszintézis két szakaszra bontható: „fényszakasz” és „szén-redukció”

11. nm A napfény energiakvantumok (fotonok) „esője”, melyből szemünk csak egy adott frekvenciatartományt lát.

12. A napfény energiatartalma különböző hullámhosszokon Abszorpciós spektrum: A fényenergia elnyelődése különböző hullámhosszokon

13. Fénytörő prizma Klorofill oldat Fotoelektromos cső Fehér fény Galvanométer 2 3 1 0 100 4 A rés csak a kiválasztott hullámhosszt engedi át Zöldfény Az erős sugárzás (alacsony abszorpció) azt mutatja, hogy a klorofill csak kevés zöld fényt abszorbeál 0 100 Kékfény Spektrofotometria A fény elnyelődése (abszorpciója) a vizsgálandó anyagban (pl. klorofill a molekulák), amely a fényt nem-elnyelő oldószerben van feloldva A gyenge sugárzás (magas abszorpció) azt mutatja, hogy a klorofill a legtöbb kék fényt abszorbeálja

14. Klorofilla Klorofillb A kloroplasztisz pigmentek fény abszorpciója Karotinoidok A fény hullámhossza (nm) A kloroplasztisz pigmentek abszorpciós spektruma. A fotoszintetikus pigmentek Csak az a fény válthat ki fotokémiai reakciót, amely a rendszerben elnyelődik (A fotokémia I. törvénye) bakterioklorofillok klorofillok (a, b, c, d) kísérőpigmentek fikobilinek

15. Akcióspektrum: funkció vagy reakció sebessége a fény hullámhosszának függvényében pl. oxigéntermelés sebessége, a fotoszintézis kvantumhatásfoka Theodor W. Engelmann (1883) kísérlete A prizmával alkotóelemeire bontott fehér fény kék és vörös hullámhosszú komponenseivel megvilágított régió köré gyűlnek az aerob baktériumok a fotoszintetizáló Spirogyra körül Az akcióspektrum abszorpciós spektrummal való összevetése megmutatja, hogy mely pigmentek milyen mértékben vesznek részt az adott folyamatban.

16. Klorofillok Porfirin gyűrű – négy pirrolgyűrűből áll A négy pirrolgyűrű mellett egy öttagú ciklopentanon gyűrű található Magnézium ion a porfirinváz közepén, amely savas közegben leválik, ekkor a neve: feofitin Észter kötéssel csatlakozó fitol Sok klorofill a forma van, melyek közül a P680 és P700 tud fotokémiai reakcióba lépni A többi forma fény abszorbeáló és energiaátadó

17. Kísérőpigmentek Karotinoidok 40 C-atomos poliizoprén molekulák Konjugált kettős kötések α és β-ionon gyűrűk a molekula végein b-karotin Két csoport: karotinok és oxigént tartalmazó xantofillok Sárga színűek, mert a kék tartományban abszorbeálnak Fotoprotektív hatás Energia közvetítés a klorofillok felé lutein

18. Gerjesztett állapot e– Hő Gerjesztési energia Foton (fluoreszcencia) Alapállapot Klorofillmolekula Foton A klorofill fénnyel való gerjesztése • Amikor a pigment molekula fényt abszorbeál, az alapállapotból instabil gerjesztett állapotúvá válik

19. Ha az izolált klorofillokat tartalmazó oldatot megvilágítjuk • Fluoreszkál, fényt és hőt ad le

20. Gránum SZTRÓMA Fotorendszer Foton Reakció-centrum Fénybegyűjtőkomplexek Elsődlegeselektronakceptor e– Tilakoid membrán Pigment molekulák Energia transzfer Klorofill a molekulák LUMEN (A GRÁNUM BELSEJE) Az antenna-pigmentek az elnyelt fényenergiát a reakciócentrum klorofill a felé továbbítják A fényenergia vándorlása: antenna pigmentek között: külső és belső antennák reakciócentrumok klorofill a molekulájához: energia csapdázódás II. fotokémiai rendszer: P680 I. fotokémiai rendszer: P700

21. H2O CO2 Light NADP+ ADP CALVIN CYCLE LIGHT REACTIONS ATP NADPH Electron Transport chain O2 [CH2O] (sugar) Primary acceptor Primary acceptor Fd Electron transport chain Pq e e– e H2O NADP+ + 2 H+ Cytochrome complex 2 H+ NADP+ reductase + NADPH O2 PC e– + H+ P700 e– Light P680 Light ATP Photosystem-I (PS I) Photosystem II (PS II) A két fotokémiai rendszer működésének kapcsolata

22. e– ATP e– e– NADPH e– e– e– Mill makes ATP Photon e– Photon Photosystem I Photosystem II A két fotokémiai rendszer működésének kapcsolata

23. H2O CO2 FÉNY NADP+ ADP CALVIN CIKLUS FÉNYREAKCIÓ ATP NADPH SZTRÓMA (Alacsony H+koncentráció) O2 [CH2O] (cukor) Citokrómkomplex Photosystem II Photosystem I NADP+ reduktáz Fény 2 H+ NADP+ + 2H+ Fd NADPH + H+ Pq Pc H2O 1⁄2 O2 LUMEN (Magas H+koncentráció) 2 H+ +2 H+ A Calvin-ciklus felé ATP szintáz Tilakoidmembrán SZTRÓMA (Alacsony H+koncentráció) ADP + ATP P H+ A fotoszintetikus elektrontranszportlánc Fény

24. A fotoszintetikus elektrontranszportlánc

25. Az ATP szintáz Funkciója a tilakoid membrán két oldala között kialakuló protongradiens elektrokémiai energiájának kémiai szabadenergiává alakítása. Protontranszfer: 3 proton / 1 ATP molekula (32 kJ/mol) Kötésváltoztató mechanizmus Gyenge kötődés: az aktív centrum gyengén köti az ADP-t és Pi-t Erős kötődés: az ATP molekula kialakul Nyitott konformáció: ATP leválás

26. Jelölés Magasabb [H+] Alacsonyabb [H+] Kloroplasztisz Mitokondrium KLOROPLASZTISZ SZERKEZET MITOKONDRIUM SZERKEZET H+ Diffúzió Intermembrános tér Lumen Elektron-transzportlánc Membrán ATP Szintáz Sztróma Mátrix ADP+ P ATP H+ A kemiozmózis helye a mitokondriumok és kloroplasztiszok esetében különbözik, ám a protonmozgató erőből mindkettőben ATP képződik

27. Elsődleges akceptor Elsődlegesakceptor Fd Fd NADP+ Pq NADP+ reduktáz Citokrómkomplex NADPH Pc Photosystem I ATP Photosystem II Ciklikus elektrontranszport

28. The Dark Biochemistry avagy a sötét szakasz… A CO2 asszimilációja: fixáció és redukció

29. fény 2n H2O + n CO2 n (CH2O) + n H2O + n O2 redukció redukált termék oxidáció Ha nem fotoszintetikus úton előállított ATP-t és NADPH-t adunk sötétben lévő kloroplasztiszokhoz, akkor ugyanúgy megtörténik a CO2-fixáció, mintha megvilágítottuk volna őket.

30. M. Calvin (1948-1953) tisztázta elsőként a CO2-fixáció folyamatát, azóta több alternatív utat is feltártak • A C3-as (primer termék 3-szénatomos molekula) fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus) • A C2-es fotorespirációs ciklus • A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus) • A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben Melvin Calvin, Nobel díj 1961.

31. 1. A C3-as fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus) 5 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2 D papírkromatografálva PGA- glicerinsav-3-foszfát 30 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2 D papírkromatografálva Szénben jelzett hidrogénkarbonát ion, H14CO3- adagolásával a széndioxid fixálás elsődleges termékei kimutathatók

32. H2O CO2 Bemenet Fény 3 (Egyszerre csakegy lép be) NADP+ CO2 ADP CALVINCIKLUS FÉNYREAKCIÓ ATP NADPH Rubisco O2 [CH2O] (cukor) 3 P P Rövid életidejűköztes termék P 6 3 P P Glicerinsav-3-foszfát Ribulóz-biszfoszfát(RuBP) 6 ATP 6 ADP CALVIN- CIKLUS 3 ADP 6 P P 3 ATP Glicerinsav1,3-biszfoszfát 6 NADPH 6 NADPH+ 6 P P 5 (G3P) 6 P Glicerinaldehid-3-foszfát (G3P) P 1 G3P(cukor)Kimenet Glükóz ésmás szerves vegyület I. fázis: Szén fixáció III. fázis: A CO2 akceptor RuBP regenerációja II. fázis:Redukció

33. Rubisco: a levél összes fehérje tartalmának több, mint 50%-a N-raktár, a Föld népességének minden tagjára 20 kg jut… Évente 200 milliárd tonna CO2-t fixál A fehér és szürke a nagy alegység dimereket, a narancs és kék a kis alegység dimereket mutatja.

34. RUBISCO • Ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz-oxigenáz a reakciót katalizáló enzim a kloroplasztisz sztrómájában • Kettős enzimaktivitású – karboxiláz és oxigenáz (3:1) • Kompetíció, ha mindkét szubsztrátum jelen van • CO2/O2 koncentrációk aránya hőmérséklet-függő, melegben a karboxiláz aktivitás részaránya csökken

35. Fotorespiráció Az oxigenáz reakció eredményeképp egy három szénatomos glicerinsav-foszfát és egy két szénatomos glikolsav-foszfát keletkezik. Ez utóbbi nem használódhat fel a Calvin ciklusban. A fotorespirációs ciklus során viszont a peroxiszóma és a mitokondrium segítségével a szén veszteség csökkenthető.

36. 2. A C2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus Összegezés: Minden 2 molekulaglikolsav-foszfát (2x2=4 C atom), mely a Calvin-ciklusból a RuBP oxigenálódása miatt vész el, 1 molekulaglicerinsav-3-foszfáttá (C3) + 1 molekula CO2-dá alakul. Más szóval, az oxigenálódás miatt elveszett szén 75%-át a fotorespirációs ciklus visszavezeti a Calvin-ciklusba. A fotorespirációs ciklussal viszont a CO2 fixáció teljes energiaigénye megnő.

37. A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus) Probléma: a hőmérséklet emelésével a CO2 és O2 oldhatósága megváltozik úgy, hogy a CO2/O2 arány csökken. Ezért a Rubisco oxigenáz aktivitása erősebbé válik. A sztómák is záródnak a vízvesztés megakadályozása miatt, így tovább csökken a rendelkezésre álló CO2 mennyisége.  C4 stratégia • C4-es növények jellegzetességei: • A primer fixációs termékek négy szénatomosak, pl. oxálecetsav, almasav és aszparaginsav • A négy szénatomos molekulákból 1 szénatom adódik a C3-as ciklus felé • Anatómiai különbségek

38. C3 és C4 levélszerkezet • A C4-es növények anatómiája szembeszökően különbözik a C3-as növényekétől. • Csak a C4-es növényekben találhatók fotoszintetizáló hüvelyparenchima (bundle sheath) vagy Kranz sejtek.

39. A kukoricalevél tipikus Kranz-anatómiája

40. Mezofillsejt Mezofill sejt A C4növény levélfotoszintetizálósejtek Hüvely-parenchimasejt PEP karboxiláz CO2 CO2 PEP (3 C) Oxálecetsav (4 C) ADP Levélér (szállítószövet) Almasav (4 C) ATP C4 levél felépítés Piruvát (3 C) Hüvely-parenchimasejt CO2 Sztóma CALVIN CIKLUS Cukor Szállítószövet C4levél szerkezet és a C4út • primér fixációs termék C4 sav(oxálecetsav) • foszfoenol-piruvát (PEP) karboxilálódik • a C4-es és a C3 ciklus térben elválasztódik: speciális anatómia (mezofill és hüvelyparenchima) • trópusi, szubtrópusi növényekben

41. 4. A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben CAM = Crassulacean Acid Metabolism Crassulaceae Cactaceae Euphorbiaceae Liliaceae Bromeliaceae…

42. 2 1 Ananász Cukornád CAM C4 CO2 CO2 Mezofill sejt Éjszaka CO2négy szénatomos savakba épül (szén fixálás) Szerves sav Szerves sav (b) A lépések időbeli elkülönülése. A CAM növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus ugyanabban a sejtben de eltérő időben zajlik. Hüvelyparenchima sejt Nappal (a) A lépések térbeli elkülönülése. A C4növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus eltérő sejtekben zajlik. A szerves savak-ból CO2 szabadulfel a Calvin ciklus számára CALVINCIKLUS CALVINCIKLUS Cukor Cukor A CAM útvonal hasonló a C4úthoz

43. A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben

44. Fényreakció Calvin ciklus H2O CO2 Fény NADP+ ADP + P1 RuBP Glicerinsav-3-foszfát II. Fotokémiai rendszer Elektrontranszport lánc I. Fotokémiai rendszer ATP G3P Keményítő (raktározás) NADPH Aminosavak Zsírsavak Kloroplasztisz O2 Szacharóz (export) Fényreakciók: • A tilakoid membrán molekulái működtetik • A fény energiája ATP és NADPH kémiai energiájává alakul • Vízbontás és O2kibocsájtás a légkörbe Calvin-ciklus reakciók: • Sztrómában zajlik • Az ATP és NADPH felhasználásával a CO2 G3P cukorrá alakul • Az ADP, a szervetlen foszfát és a NADP+visszatér a fényreakcióba Összefoglalás