Fotosyntesen/fotofosforylering

1. Fotosyntesen/fotofosforylering Winnie Eskild, IMBV 2004

2. Fotosyntesen • Fotosyntesen foregår i planter, alger og visse bakterier • Denne prosessen utnytter sollysets energi til å danne ATP og NADPH • Med ATP og NADPH og tilgang på CO2 og H2O kan disse organismer syntetisere karbohydrater, proteiner, lipider og andre forbindelser • CO2 og H2O lys O2 + (CH2O)

3. Fotosyntesen omfatter to prosesser • En lysavhengig prosess • Cellen ”omdanner” lysenergi til metabolsk energi i form av ATP og NADPH • En lysuavhengig prosess • Cellen bruker ATP og NADPH til å omdanne CO2 og H2O til organiske forbindelser

4. Fotosyntesen foregår i kloroplasten Kloroplasten tilsvarer mitokondriet Omgitt av dobbelmembran som er permeabel for små molekyler og ioner (< 5 kDa) Den lysavhengige delen av foto-syntesen foregår i thylakoidene Thylakoidene er flate membran-omkransete vesikler Proteinene som er ansvarlige for den lysavhengige prosessen er integrerte i thylakoidmembranen Membranen er ikke permeabel for andre forbindelser enn de som har spesialiserte transportører

5. Fotosyntesen foregår i kloroplasten • Thylakoidene ligger samlet i grupper som kalles grana • Det indre rommet i kloroplasten kalles stroma • Den lysuavhengige prosessen foregår i stroma

6. Den lysavhengige prosessen • Den lysavhengige prosessen har mye til felles med elektrontransportkjeden i mitokondriet • Nettoreaksjonen er: 2 H2O +2 NADP+ 2 NADPH + 2 H+ + O2 • Viktig forskjell: Her overføres elektronene fra H2O til NADP+ • H2O er en svært dårlig elektrondonor • 1/2 O2 + 2 H+ + 2é H2O E’o = 0,82V • NADP+ + H+ + 2é NADPH E’o = - 0,324V • Uten hjelp ville elektronene vandre fra NADPH til O2 • Energien fra sollyset brukes her til å aktivere H2O molekylet slik at det kan fungere som elektrondonor • Lysenergien fanges inn av fotosystemer i thylakoidmembranen

7. Lysabsorberende forbindelser Lysabsorberende pigmenter: • Klorofyll a • Klorofyll b • Karotenoider (-karoten) • Fykobiliner (fykoerytrin) De fire typene absorberer tilsammen lys i hele det synlige spetrum: 300-750 nm Varierende absorbsjonsmaksima utnytter lysenergien i hele spektret, f.eks. fykocyanin stjeler ikke solenergi fra -karoten

8. Klorofyll a og b • Plane, polysykliske strukturer som likner protoporfyrin • Fire substituerte pyrrolringer og en ikke-pyrrolring • Konjugerte dobbelbindinger og sentralt Mg-atom • Fytol sidekjede koplet til den reduserte pyrrolringen b a

9. Fykobiliner • Konjugerte dobbelbindinger • Utstrakt tetrapyrrol, ingen sentralt Mg

10. Karotenoider • Konjugerte dobbelbindinger • Absorberer lys • Gir organismen farge

11. Fotosystemene - To typer: fotosystem I og II

12. Fotoreaksjonssentret • Består av et stort antall pigmenter organisert omkring et fotoreaksjonssenter • Mengde og type fargepigmenter varierer • Lys eksiterer antennemolekylene • Fotoner overføres via andre antennemolekyler til fotoreaksjonssentret

13. Fotosystemene • To typer: fotosystem I og II • Består av et stort antall pigmenter organisert omkring et fotoreaksjonssenter • Mengde og type fargepigmenter varierer • Lysenergi omdannes til kjemisk energi i fotoreaksjonssentret • Fotoreaksjonssentret : et proteinkompleks av klorofyller og quinoner • Pigmentene kalles lyssamlende molekyler eller antennemolekyler • Alle pigmentene er bundet til membranintegrerte proteiner, f.eks CAB (= klorofyll a/b bindende proteiner) • Lysenergi (fotoner) fanges av antennemolekylene og overføres til foto-reaksjonssentret

14. Fotoreaksjonssentret • Lys eksiterer antennemolekylene • Fotoner overføres via andre antennemolekyler til fotoreaksjonssentret • Eksitasjon av et klorofyllmolekyle i foto-reaksjonssentret medfører løsrivelse av en elektron • Elektronen overføres til en elektronakseptor i kloroplastens elektrontransportkjede

15. Fotoreaksjonssentret • Elektronakseptoren får herved en negativ ladning • Klorofyllmolekylet som avga en elektron har nå fått en positiv ladning • Den positive ladningen neutraliseres med en elektron fra en elektrondonor • Lyseksitasjon har nå skapt en ladnings-gradient og starter en redokskjedereaksjon

16. Lysenergi er altså brukt til å skape en ladningsgradient • Ladningsgradienten starter en serie med redoksreaksjoner • Energien fra denne elektronoverføring brukes til å danne ATP og NADPH

17. Fotosystem II Fotoreaksjonssentret P680 har like mye klorofyll a og b Tallet 680 angir absorbsjons-maksimum Fotosystem I Fotoreaksjonssentret P700 har mye mere klorofyll a enn b Tallet 700 angir absorbsjons-maksimum Høyere organismer har to fotosystemer

18. Fotosystem II • Fra fotoreaksjonssentret overføres en elektron via feofytin og plasto-quinon a til plastoquinon b (PQb) • Det overføres en elektron om gangen og for hver elektron tar PQb opp en proton fra stroma • PQb + 2 H+ + 2 é => PQbH2 • Fotoreaksjonsentret kan gi fra inntil 4 elektroner • Et Mn-senter i P680 er é-donor • Ved høye oksidasjonstrinn har Mn-sentret tilstrekkelig oksidasjonskraft til å oksidere 2 H2O • 2 H2O => 4 H+ + 4 é + O2

19. Plastoquinon • Pastoquinonene er svært like ubiquinon • Plastoquinonene er små, hydrofobe molekyler • Plastoquinonene tar imot og gir fra seg én elektron om gangen • PQa er fast bundet til PSII • PQb er fritt bevegelig i membranen

20. Cytokrom b6f • PQbH2 kan bevege seg i membranen • Det bringer elektronene til cytokrom b6f komplekset • Herfra overføres elektronene til plastocyanin • Samtidig pumpes 4 H+ inn i thylakoiden (motsatt retning i forh. til mitokondriet) • Det dannes en H+-gradient med en 1000 ganges forskjell i konsentrasjon over thylakoidmembranen( DpH = 3) • pH i stroma er ca 8 mens thylakoidlumen har pH 5

21. Fotosystem I • Fotoreaksjonssentret P700 får overført fotoner (eksiteres) fra antenne-molekylene • En elektron rives løs og overføres til elektronakseptoren Ao (en type klorofyllmolekyle, likner feofytin) • Elektronen føres herfra til A1 (fyllo-quinon) videre til et Fe-S protein og deretter til ferredoksin også med Fe-S senter • Ferredoksin er løst bundet til membranen og vandrer til enzymkomplekset ferredoksin-NADP+ oksidoreduktase • Dette enzymet overfører elektronene til NADP+ som blir til NADPH • P700 får é fra plastocyanin

22. Fotosystem I og II • Fotosystem I og II samarbeider • Kalles Z-systemet • Nettoreaksjon: 2 H2O + 2 NADP+ + 8 fotoner => O2 + 2 NADPH + 2 H+ • 4 elektroner må overføres for å få dannet 2 NADPH og dette krever 8 fotoner, 4 i hvert system • Som for mitokondrienes elektrontransport-kjede mangler vi ennå å få dannet ATP • Vi har fått dannet NADPH og en kraftig H+-gradient • P680, feofytin og PQa samt P700, Ao, A1 og Fe-S proteinet sitter tett assosiert => svært rask elektronoverføring

23. Z-systemet H+ pumpes inn i thylakoiden

24. Vannsplitningskomplekset • Elektronkilden i oksygendannende fotosyntese er H2O • Det kreves 8 fotoner får å spalte 2 H2O og få dannet O2 • 4 é hentes ut fra P680 en av gangen mens de må hentes ut fra de 2 H2O samtidig • En tyrosinsidekjede er é-donor og får erstattet é fra Mn-komplekset

25. Nettoreaksjon: 2 H2O + 8 fotoner + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi -> O2 + 3 ATP + 2 NADPH • Det trengs 8 fotoner for å sende 4 é gjennom PSI og PSII, 4 til hvert system • Fire é fører til reduksjon av 2 NADP+ til 2NADPH • Fire é fører til innpumping av 12 H+ • Vannsplittingskomplekset pumper 4 H+ • Cytokrom b6f pumper 8 H+ • Innpumping av 12 H+ fører til syntese av ca 3 ATP

26. ATP-syntasen ATP-syntasen består av CFo og CF1 som i mitokondriene CFo tillater H+ å passere gjennom membranen fra thylakoidens indre rom til stroma Protongradienten er motsatt mitokondrienes med høy H+-konsentrasjon inne og lavere i stroma (1000X). Thylakoid-volumet er ikke stort.

27. ATP-syntasen Ladningsgradienten er mindre her enn for mitokondrier, den betyr også mindre G = RT lnC2/C1 + ZF = 2,3 RT lnpH + ZF CF1 danner ATP ved hjelp av protondrivkraften ATP syntese foregår i stroma, derfor ingen behov for transportsystem

28. ATP-syntasen • For hver 4 é som passerer gjennom systemet pumpes det ut ca 12 H+ • Fire H+ kommer fra H2O splittingen og 8 fra cytokrom b6f • DG = 2,3 RT ln DpH + ZFDY = -17 kJ/mol •  DY bidrar ikke her fordi overføring av motioner utjevner ladningsgradienten • Overføring av 12 H+ tilsvarer en DG på - 200 kJ/mol • ATP utbyttet er ca 3 ATP

29. Regulering av ATP og NADPH syntesen • Syklisk fotofosforylering • Syklisk elektron overføring tillater kloroplasten å redusere produksjonen av NADPH samtidig som ATP syntesen forblir uendret • Elektroner fra P700 føres frem til ferrodoksin men derfra sendes de tilbake til cytokrom b6f komplekset • Elektronene vandrer i en syklus som kun fører til dannelse av ATP • Her dannes ingen O2 • ADP + Pi lys ATP + H2O • Karbonfiksering krever ATP og NADPH i forholdet 3:2

30. Regulering av PSI og PSII I kraftig sollys absorberer PSII mere energi enn PSI Herved produseres mere PQH2 enn PSI kan ta imot PSII-aktiviteten reduseres ved å flytte LHCII bort fra PSII Høyt nivå av PQH2 fører til aktivering av kinase som fosforylerer Thr på LHCII. Denne dissosierer fra PSII og beveger seg ut av grana-området

31. Mitokondriet vs. kloroplasten • Mitokondriet: H+ pumpes ut. ATP-syntesen foregår på den alkaliske side av indre membran, dvs inne i matriks. Transportsystemer nødvendig. ATP-syntesen drives av protongradient • Kloroplast: H+ pumpes inn. ATP-syntesen foregår på den alkaliske siden av membranen, dvs i stroma. Transportsystemer ikke nødvendig. ATP-syntesen drives av protongradient