Modul: Fotosyntéza Primární (světelná) fáze fotosyntézy

1. Modul: Fotosyntéza • Primární (světelná) fáze fotosyntézy • Fotosyntetický aparát, světlosběrné antény a fotosystémy • Elektronotransportní řetězce a tvorba NADPH • Protonový transport a syntéza ATP v chloroplastech • Sekundární(temnostní) fáze fotosyntézy • Calvinův cyklus a C3 rostliny • C4 a CAM rostliny • Tvorba sacharozy a škrobu • Inovace studia botaniky prostřednictvím e-learningu CZ.1.07/2.2.00/07.0004

2. 6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + 6H2O + 6O2 versus CO2 + H2O = (CHOH) + O2 1.Nejdůležitější proces na Zemi – tvorba O2 = modrá planeta, zásoby fosilních paliv, život na Zemi 2.Jediný spojník s vesmírem, umožňuje transformovat energie světelného kvanta v chemickou energii uloženou v sacharidech 2,83 MJ Fotosyntéza slouží jako primární zdroj org. molekul a jako zdroj atmosferického O2

3. Rozdělení: 1. Světelná fáze fotosyntézy - fotolýza (štěpení) vody + elektrontransportní reakce primární pochody fotosyntézy (fotochemická část), tvorba ATP + NADPH 2. Temnostní fáze fotosyntézy • fáze fixace CO2 a tvorby sacharidů sekundární pochody fotosyntézy(syntetická část), spotřebují se produkty primární fáze (ATP, NADPH)

4. Fotosyntéza probíhá zejména v listech Vnější povrch - je dán tvarem listu – plochý orgán, uzpůsobený k maximální absorbci světelného záření a k maximálnímu zkrácení transportních drah (výměna plynů). Povrch koule a listu o stejném objemu 4,85 : 100 ! Vnitřní povrch - probíhá v mezofylu, hraničí s intercelulárami (tvoří 20-50% objemu listu) - je 10-20x větší než jeho vnější povrch Využití dopadajícího záření – (anatomická stavba, obsah pigmentu, sklon listu k záření, fyz. adaptace) 20% propouští, 25% odráží, 55% absorbuje (90-95 % se ztrácí v podobě tepla)

5. Světlo je elektromagnetické záření Má vlnovou i částicovou povahu. Světlo patří mezi elektromagnetické vlnění a pohybuje se světelnou rychlostí (3 x 108 m.s-1). Má k sobě kolmé složky (elektrickou a magnetickou) určité vlnové délky (l)a frekvence (n). Světlo má i částicový charakter (foton) nesoucí určitou energii (světelné kvantum, E = hn).

6. Slunce produkuje elektromagnetické záření všeho druhu

7. Světlo je základním motorem fotosyntézy Fyziologický účinné záření 320 – 800 nm Viditelné záření 360 – 760 nm Fotosynteticky účinné záření 400 – 700 nm Spektrum viditelného záření UV Infračervené

8. CHLOROFYLY – absorbují v modré a červené oblasti zelené světlo (550 nm) se odráží, rostliny vidíme zeleně

9. Absorbce fotonu Chla + hn = Chla* - modré a červené světlo excituje chlorofyl různou energií (modré – kratší l, n, E; červené - delší l, n, E) Chlorofyl excitovaný modrým světlem je nestabilní a okamžitě odevzává část E kololí ve formě tepla a sestupuje na nižší excitační hladinu. Chlorofyl může z nižší excitační hladiny vykonat 4 dráhy: 1)Remituje foton → fluorescence (ztráta E, emise světla o l aE, ztráta cca 10%). 2)Návrat na původní stabilní hladinu doprovázený výdejem tepla. 3)Přenos energie fotonu na jinou molekulu, např. další molekulu barviva,… 4)Fotochemická reakce – foton vyvolá fotochemickou reakci → z molekuly chlorofylu se uvolní elektron (e-)

10. Chloroplastová barviva - zelené chlorofyly a + b, karotenoidy, xanthofyly, karoteny (všechna jsou vázána na bílkoviny)

11. Chloroplastová barviva - zelené chlorofyly a + b, c + d u prvoků a cyanobakterií – absorbují v různých oblastech viditelného světla

12. Chlorofyly– v každém chloroplastu je asi 600 miliónů molekul chlorofylu. • porfyrinový systém sestavený ze 4 pyrolových kruhů spojených methinovými skupinami. Uprostřed je dvoumocný Mg2+ (vitamin B12, hemoglobin). • fytol alkohol s 20-ti uhlíky – podmiňuje rozpustnost v tucích. Chla - methylová skupina, Chlb - aldehydická skupina. - absorbcí světelných kvant v modré a červené oblasti dochází k excitaci chlorofylu a předání elektronu s energií na akceptory (oxidačně-redukční reakce).

13. Chloroplasty • organely v nichž probíhá fotosyntéza • zelená tělíska o průměru 5-10 µm • tvar - vřetenovitý, bochníčkovitý, thylakoidy a grana • počet 10-10000 • dvě dvojité membrány – mezi stroma, uvnitř thylakoidu je lumen • stroma obsahuje enzymy Calvinova cyklu, plastidovou DNA, mRNA, ribosomy, škrobová zrna, lipidy, aj. • stroma – průběh sekundárních procesů fotosyntézy, translace, transkripce.

14. Ve stromatu se nachází membránový thylakoidní systém – 2 typy thylakoidů 1) granální – silně zploštělé kruhovité měchýřky, (PSI , PSII) 2) intergranální – zploštělé trubky probíhající stromatem – spojnice mezi grany (PSI) V lipidické dvojvrstvě thylakoidní membrány jsou přítomny bílkoviny a jejich komplexy s dalšími látkami (chlorofyly). Lumen – vnitřní prostor thylakoidů, vyplněný roztokem solí, (prim. reakce fotosyntézy

15. Vnější membrána Vnitřní membrána Mezimembr. prostor Stroma Stromatální lamely PS I. Thylakoidy Grana PS II. Thylakoidní membrána a lumen thylakoidu

16. H+ Proteinové komplexy tyhalkoidní membrány ADP Pi ATP Stroma ATP Syntasa H+ NADP+ NADPH+H H+ FNR Cytochrom b6f Fd P700 PSI Plastochinon PQ P680 PSII Elektroch. potenciál PQH2 e- e- e- PC H+ H2O O2 4H+ 2H+ Lumen

17. Organizace gran – obsahuje integrální membránové proteiny LHCII trimer LHCI dimer ATP ATP Cyt b6f ATP Cyt b6f PSI PSII PSI PSI Cyt b6f PSII PSII Cyt b6f PSII PSII Cyt b6f PSII PSII Cyt b6f PSII PSII Cyt b6f PSII PSII Cyt b6f PSI Cyt b6f PSI PSII ATP ATP ATP LHCI dimer LHCI dimer

18. Zachycovací centra – LHC – light harvesting complex (světlosběrný komplex): past na fotony 1)Předávají fotony na chlorofyly reakčního centra – anténní komplex zásobuje reakční centrum dostatkem fotonů. 2)Jsou tvořena komplexem barviv. Zajišťují absorpci a resonanční molekulární přenos fotonu do reakčního centra až na aktivní chlorofyl. Reakční centra: u PSI je absorpční maximum 700 nm, u PSII je absorpční maximum 680 nm. Základem LHC je protein procházející membránou, na kterém jsou zavěšeny jednotlivé molekuly barviv. 3) V LHC probíhá přenos energie excitovaného chlorofylu na sousední molekulu v membráně (2500 Chl/O2). V této molekule se resonancí excituje elektron, který je předán v rámci PSI nebo PSII na další akceptorové molekuly, většinou také barviva. 4)Hillova reakce (1937) na světle redukují izolované thylakoidy Fe3+ na Fe2+ (4Fe3+ + 2H2O → 4Fe2+ + O2 + 4H+). Akceptory elektronů mohou být různé látky. Prokázal, že O2 je uvolňován z vody a ne z CO2.

19. Struktura anténního systému ve spojení s reakčním centrem fotosyntézy Sluneční záření Listová barviva Akceptor e- xantofyl Chlorofyl b Chlorofyl a Reakční centrum P680 karoten Donor e- Vysoký Gradient excitační energie Nízký

20. Organizace anténního systému (rozdílné u různých organizmů) • Dodává energii do reakčního centra fotosyntézy (fotosyntetizující bakterie 20-30 molekul bakteriochlorofylu, vyšší rostliny 200-300 mol Chl, některé bakterie až několik tisíc) • Transfer energie fluorescenční rezonancí (FRET) – příklad ladící vidličky, vysoce efektivní přenos (95-99%). Přenos možný pouze z Chlb (650 nm)→ Chla (670 nm); Chlb má větší E, stejně tak karotenoidy, fycoerythrobiliny, xanthofily; E se ztrácí ve formě tepla • Tento přenos energie umožňuje směřování toku energie fotonu do reakčního centra → Chla (680 a 720 nm) • Molekuly chlorofylů jsou zavěšeny na LHC proteinech.

21. Elektrontransportní řetězce a mechanizmy transportu elektronů • základem elektrontransportních řetězců v thylakoidní membráně jsou fotosystémy (PSII – produkuje silné oxidans → oxiduje H2O; , PSI – produkuje silné reduktans → tvorba NADPH + H+) • řada za sebou zapojených a podle redoxního potenciálu vzestupně seřazených redoxních systémů • předávání elektronů mezi PSII a PSI pomocí dalších redox systémů: cytochrom b6f, plastocyanin, feredoxin, … • zigzag(Z)-schéma – zaručuje vytlačení elektronu na energetickou hladinu s vysokým redox potenciálem (-1.5 V)

22. Z-schéma fotosyntézy P 700* A0-1 FeS x,a,b P 680* Fd FNR NADPH PheoA Cytochrom b6f komplex Qa Cyt b Qb Cyt b 2H2O O2+4H+ Q FeSr Cyt f O2-vyvíjející komplex PC P700 Světlo Yz P680 Světlo

23. Fotochemická fáze fotosyntézy– Oddělená fotochemická centra PSI (700 nm) a PSII (680 nm) – aktivace 2 rozdílnými světelnými kvanty. Necyklický transport elektronů – • Fotosystém PSII – V reakčním centru PSII dojde k excitaci Chla a následnému přenosu e- na pigmentový akceptor (Chla se stane silným oxidans!) a dál proběhne přenos elektronu s vysokým energetickým potenciálem na další oxido-redukční přenašeče (většinou pigmenty – pheofytin A, plastocinony Qa a Qb). Donorem e- je H2O a konečným akceptorem je NADP+. • Oxidativní štěpení vody (fotolýza) – chlorofyl a přitáhne z OEC e- a zoxiduje se, donorem elektronu je voda. Z H2O jsou postupně stahovány 4H+ do lumenu, 4e- na Chla a O2uniká do atmosféry. V OEC 4-krát Mn2+, který prochází S-stavy (S0, S1,S2,S3,S4) a v posledním kroku dochází k uvolnění O2.Spotřeba 5 světelných kvant (vysoká účinnost!) Potřebný je i Cl- a Ca2+.

24. Transport z PS II na PS I - transport e- z PSII na pheofytin a pak na plastochinon QA a QB, přechod z jedno na dvou-elektronový transport: 2 e- a 2 H+ z vnější na vnitřní stranu thylakoidní membrány (člunkování plasto/hydro/chinonu). Plastohydrochinon, který vzniká se odpojí od reakčního centra. • navázání na cytochrom b6f-komplex = předá se e- na plastocyanin, uvolnění 2H+ do lumenu • plastocyanin (mobilní protein) – přenos do reakčního centra PSI (P700), migruje v lumenu po thylakoidní membráně

25. Transfer elektronů v cytochromu B6F – lineární elektronový transport na PSI (FESR – Rieske protein) Stroma Cytochrom b6f Q Thylakoidní membrána Qs e- Cyt b PSII Cyt b QH2 e- e- PSI P700 Q FeSr e- e- PC Cyt f 2H+ e- Plastocyanin Lumen

26. Transfer elektronů v cytochromu B6F a Q cyklus (e- se vrací přes Cyt b6 na plastochinon) Stroma 2H+ Cytochrom b6f Qs Thylakoidní membrána e- Cyt b QH2 PSII Cyt b QH2 e- e- PSI P700 Q FeSr e- e- PC Cyt f 2H+ e- Plastocyanin Lumen

27. Lineární transport elektronů a tvorba NADPH PS II 2H+ Svět. záření PQ 2e- P680 LHC PQ PQ H2 OEC Cyt H2O 1/2O2+2H+ 2H+ NADP+ PC P700 2e- Fd (FNR) Lumen thylakoidu LHC NADPH Svět. záření 2H+ Thyl. membrána PSI ATP syntasa Elektroch. potenciál Stroma ADP+P+ O2 2H+ ATP

28. Transport el. z PSI na NADP+ - exitace PSI fotonem (700nm), uvolněn e- (silné reduktans) + přijímá e- z plastocianinu (mobilní protein obsahující Cu2+) - přenos 2 e- na Fd lokalizovaný na vnější straně thylakoidní membrány, přes FeS centra - působením Fd-NADP reduktasy (FNR) přenos e- na NADP+ + H+ ze stromatu - vzniká NADPH + H+

29. Transport elektronů z plastocyaninu (PC) na PSI a tvorba NADPH P 700* A0-1 FeSx,a,b P 680* Fd FNR NADPH PheoA Cytochrom b6f komplex Qa Cyt b Qb Cyt b 2H2O O2+4H+ Q FeSr Cyt f O2-vyvíjející komplex PC P700 Světlo Yz P680 Světlo

30. Cyklický transport elektronů Působením zářivé energie v PS I (P700) je tok elektronů veden z feredoxinu zpět na plastochinon a dál na cytochromový komplex za účelem posílení tvorby plastohydrochinonu. - posílení transportu 2H+ do lumenu - posílení tvorby ATP na úkor NADPH

31. PS II 2H+ Svět. záření Cyklický transport PQ 2e- P680 LHC PQ PQ H2 OEC Cyt b H2O 1/2O2+2H+ 2H+ PC P 700 2e- Fd (FNR) Lumen thylakoidu LHC Svět. záření 2H+ Thyl. membrána PS I Elektroch. potenciál Stroma ATP syntasa ADP+P+ O2 2H+ ATP

32. Fotofosforylace – tvorba ATP Na thylakoidní membráně se vytváří gradient protonů (H+) – v lumenu se zvyšuje koncentrace H+ vlivem fotolýzy H2O a člunkováním plastohydrochinonu . Zpětný tok protonů z lumenu do stromatu pohání enzymatickou syntézu ATP (fosforylace) pomocí ATP-syntasy (ADP + P → ATP). Vznik gradientu - oxidační rozklad vody – fotolýza - pumpování protonů při necyklickém přenosu - posílení toku H+ při cyklickém přenosu - vazbou H+ na NADP+ při jeho redukci ve stromatu ATP-syntasa: dvě části CFo – hydrofobní komplex bílkovin prostupující membránou, tvoří „cestu“ pro pohyb protonů; CFo rotuje v púrůběhusyntézy ATP, 3ATP/otáčka, 14H+/3 ATP. CF1 – hydrofilní proteiny na povrchu membrány (trčí do stromatu) obsahující vazebná místa pro ADP a anorganický fosfát; 3 kopie a a b polpetidů, + g, d, e. ATP-syntasa se točí!!, nanomotor poháněný H+

34. H+ Stroma ADP Pi ATP ATP syntasa H+ NADP+ NADPH+H H+ FNR Cytochrom b6f Fd P700 PS I Plastochinon PQ P680 PSII Elektroch. potenciál PQH2 e- e- e- PC H+ H2O O2 4H+ 2H+ Lumen

35. Primární fáze fotosyntézy - shrnutí 1)Primární fáze slouží ke tvorbě ATP a NADPH, odpadním produktem je O2 2) Energie na tvorbu ATP a NADPH pochází z energie fotonů, které jsou zachyceny antenními systémy a předány do reakčních center fotosystémů I a II. PSI a PSII umožní přeměnu energie fotonu v chemickou energii elektronu uvolněného z chlorofylu a po jeho excitaci. 3)Klíčový je přenos uvolněného elektronu elektrontransportními řetězci v rámci Z-schématu, zvýšení jeho redox potenciálu a tvorba protonomorického napětí (zajištují integrální proteiny thylakoidní membrány PSII+LHCII, PSI +LHCI, Cyt b6f, ATP-asa). 4)Cyklický a necyklický transport elektronu umožňuje rostlinám měnit poměr mezi produkovaným ATP a NADPH.