Fotosyntéza

Anabolismus – syntetické, asimilační děje

• při anabolismu dochází ke tvorbě složitějších makromolekul z jednodušších
• mají endergonický charakter – je spotřebována energie (zdrojem energie pro tyto reakce je hlavně ATP)
• většina reakcí anabolismu probíhá v cytoplasmě
• po chemické stránce se jedná převážně o redukce

energie ve formě světelného záření se mění do energie chemické vazby při redukci oxidu uhličitého a jeho zabudování do organických látek

Fotosyntéza (z řeckého fós, fótos – „světlo“ a synthesis – „shrnutí“, „skládání“) nebo také fotosyntetická asimilace je biochemický proces, při kterém se využívá  energie světelného záření k syntéze energeticky bohatých oraganických sloučenin (sacharidů) z jednodouchých anorganických látek – oxidu uhličitého a vody. Uvedený proces probíhající u rostlin v chloroplastech za účasti fotosyntetizujícch barviv(hlavně chlorofylu) lze jednoduše vyjádřit rovnicí.

Fotosyntetizující organismy

Organismy, které zajišťují tvorbu energeticky bohatých organických látek pomocí fotosyntézy, se nazývají autotrofní, respektive fotoautotrofní. Patří mezi ně především zelené rostliny, některé druhy baktérií včetně sinic (Cyanobacteria), mnohé ruduchy (Rhodophyta), obrněnky (Dinophyta), skrytěnky (Cryptophyta), hnědé řasy (Phaeophyceae), krásnoočka (Euglenophyta) a zelené řasy (Chlorophyta).

Schopnost měnit energii světla na chemickou přináší těmto organismům výhody během evoluce ve vzájemné konkurenci. Prvotní fotosyntetické systémy zřejmě byly anoxygenní, tj. neprodukovaly kyslík. Stáří nejstarších fotosyntetizujících mikroorganismů se odhaduje na 3,5 miliardy let.^[2] Kyslík v zemské atmosféře se objevil až díky oxygenní fotosyntéze. První sinice, které uvolňovaly kyslík štěpením vody, se objevily přibližně před 2 miliardami let.^[3] Chloroplasty eukaryotních buněk vznikly pravděpodobně pohlcením buňky sinice, které pak žily uvnitř těchto buněk v endosymbióze a postupně se z nich staly organely. Podobným způsobem se zřejmě vyvinuly i mitochondrie u aerobních mikroorganismů. Tato teorie vzniku organel se nazývá endosymbiotická a svědčí pro ni fakt, že chloroplasty mají vlastní kruhovou DNA, stejně jako sinice.^[4]

ï  jediný proces, při němž vzniká v přírodě kyslík

ï  funguje už cca 2 miliardy let (prahory, vznik sinic)

ï  důležitá společenstva: řasy, tropické deštné lesy

Chloroplast

• Elipsoid
• Dvě dvojité ochranné membrány
• Vnitřní thylakoidální membrána
• Naskládaná „úplně“ vnitřní membrána tvoří lamely => thylakoidy
  • Dutina thylakoidů je lumen
  • Membrány thylakoidů, které se dotýkají => grana (sloupec)
  • 1Chloroplast má 10-100 Gran
    • Membrána thylakoidů je nepropustná pro protony
    • Tvořena fosfolipidy, sulfolipidy..
    • Mastné kyseliny v membráně jsou vysoce nenasycené (až 3 dvojné vazby) => membrána je fluidní
    • PSI PSII
    • Cytochromový komplex b6f a ATPsyntázy
• Výplň (kapalná) => stroma (obsahuje DNA, RNA, ribozomy, enzymy..)
• Pravděpodobně vznikl endosymbiózou

Fotosyntéza probíhá v chloroplastech eukaryotních buněk a v chromatoforech prokaryot. Chloroplasty jsou plastidy v cytoplazmě rostlin (především v listech) obsahujících asimilační barviva, ve kterých probíhá fotosyntéza. Mají dvojitou membránu, obsahují vlastní DNA a ribozomy. Obvykle jsou zeleně zbarveny díky chlorofylu. V základní plazmatické hmotě chloroplastů (stromatu) jsou malé, okrouhlé, na sebe navrstvené destičky (grana), která tvoří soubor uzavřených dvojitých lamel (thylakoidů) obsahujících fotosyntetická barviva (pigmenty).

• Základní pigmenty: chlorofyly a bakteriochlorofyly
• Doprovodné pigmenty: karotenoidy (karoteny a xanthofyly) a fykobiliny^[5]

Pigmenty

• Karotenoidy chrání fot. Aparát před vysokým ozářením vázány v PSI PSII, ve vnitřní membráně i ve vnější membráně

Chlorofyl

• Absorbují fotony v modré a červené oblasti spektra
• V zelené oblasti mají minimální absorpci => jsou zelené
• Cyklický tetrapyrol – porfyrin, jádra se značí A,B,C,D nebo I-IV
  • V centru je Mg
  • Konjugované dvojné vazby – π elektrony důležité pro absorpci fotonů
  • Na pyrolovém jádru D je zbytekalkoholu – fytolu () – hydrofobní a zakotvuje chlorofyl v membráně thylakoidu
• Váže se s proteiny nekovalentně – slouží k tomu histidinové zbytky (imidazolový kruh – pětičlenný heterocykl s dvěma N) v proteinech a Mg v chlorofylu

Ostatní pigmenty

• Karotenoidy
  • Absorbují fotony v modré a fialové oblasti, jeví se jako žluté až oranžové
  • Tetraterpeny (), lineární řetězec, konjugované dvojné vazby, na koncích cyklické struktury
  • Jsou to uhlovodíky
• Xantofyly
  • Kyslíkaté deriváty, O je vázán na koncové cykly
  • Xantofylový cyklus – violaxantin =>anteraxantin=>zeaxantin
  • Zeaxantin má schopnost měnit nadbytek  energie na teplo – disipace energie

C4 rostliiny

• v Calvinově cyklu vytváří čtyřuhlíkatou kyselinu namísto tříuhlíkaté (kterou vyrábí C3 rostliny)
• prostorové oddělené karboxylace (vázání oxidu uhličitého), odlišná anatomie listu
• vyšší nároky na množství oxidu uhličitého, slunečního záření a teploty
• nízká fotorespirace (= dýchání při fotosyntéze; čím nižší, tím větší výnos)
• vyšší produkce, nižší rychlost transpirace
• příklady C4 rostlin: kukuřice, proso, třtina

SVĚTELNÁ FÁZE

– příjem energie ze slunečního záření (z fotonu), elektron „vymrštěn“ do orbitalu s vyšší energií – „vibrace“ molekuly

Světelná fáze

„Světelná fáze“ či „primární děje“ jsou reakce závislé na světle a uskutečňují se v thylakoidech. Při nich probíhá přeměna světelné energie (fotonů) na chemickou energii (ve formě NADPH a ATP). Jako vedlejší produkt světelné fáze vzniká kyslík.

Absorpce fotonů

Excitační stavy chlorofylu a přechod mezi nimi: Pohlcením modrého světla přejde chlorofyl do druhého excitačního stavu, absorpcí červeného do prvního excitovaného stavu. Energii druhého excitovaného stavu však nedokáže využít a přechází z něj do prvního excitovaného stavu. Jeho energie může být poté vyzářena, ale většina je využita k fotochemickým reakcím.

Tok energie komplexu světlosběrné antény: Excitace (žluté kroužky) vybuzená pohlcením fotonu se přenáší mezi anténními barvivy (světle zelené kroužky), dokud se nedostane do reakčního centra (tmavě zelené kroužky) nebo je fluorescencí vyzářena (méně časté).

Zachycením světla rostlinným pigmentem začíná vlastní proces fotosyntézy, který spotřebuje energii světelného kvanta a přemění ji na energii chemické vazby. Vlnové délky viditelného světla mají hodnoty v intervalu 380–760 nm. Fotosyntéza zelených rostlin využívá světlo v rozsahu pouze 400–750 nm. Tomuto světlu se říká fotosynteticky aktivní záření (ve zkratce FAR nebo PhAR).^[7] Různá barviva absorbují různou část světelného spektra – např. chlorofyly absorbují nejvíce světlo v modrofialové a červené části spektra. Zelená část spektra se odráží, odtud tedy zelená barva chloroplastů.^[8]

Pokud molekula pigmentu absorbuje kvantum světelné energie, dostane se do prvního či do druhého excitovaného stavu (přeskok elektronu na vyšší energetickou hladinu). Získané energie se může molekula zbavit více způsoby, v případě fotosyntézy jsou nejdůležitější tyto čtyři:

1. Vnitřní přeměnou se přebytečná excitační energie přemění na kinetickou energii pohybu molekuly, tedy na teplo. Tento děj je velmi rychlý, trvá méně než 10 ps.^[9] Takto přechází chlorofyl vždy z druhého excitovaného stavu do prvního. Z toho vyplývá, že dokáže využít pouze energii odpovídající prvnímu excitovanému stavu.
2. Fluorescencí je bez užitku vyzářen foton s nižší energií než přijatý. Tento pochod je pomalejší než vnitřní přeměna, trvá okolo 10 ns.^[9] Takto způsobené ztráty běžně dosahují 3–6 % pohlcené energie.
3. Přenos excitační energie na okolní molekuly je možný díky vzájemnému překrývání molekulových orbitalů. Velká část fotosyntetických barviv (tzv. anténní barviva) slouží pouze k absorpci fotonů a přenosu excitační energie do reakčních center, rozhodujícím akceptorem (příjemcem) je chlorofyl a. Účinnost energetického přenosu z různých doplňkových barviv na chlorofyl a se pohybuje v rozmezí 20–100 %: z karotenů 70–80 %, z fykoerythrinu a fykocyaninu 70–90 %, z chlorofylu a až 100 %.^[7] Energie se z reakčního centra dále nešíří, protože je zasazen do vhodného prostředí, které snižuje energii jeho prvního excitovaného stavu a excitace je polapena.^[9]
4. Fotooxidace je zapříčiněna vypuzením slaběji vázaného elektronu z molekuly chlorofylu. Vzniká oxidovaná forma chlorofylu (Chl⁺), která má povahu kationtového volného radikálu. Vysoká energie vyexcitovaného elektronu je využita v následných chemických reakcích.

ï  absorpce světelné energie

• dva fotosystémy pigmentů v tylakoidech chloroplastů, které fungují jako „pasti“ na fotony světelného záření
• fotosystém I: karoteny → karotenoidy → chlorofyl b → různé druhy chlorofylu a → chlorofyl a1 (l = 700 nm)
• fotosystém II: xantofyly → karotenoidy → chlorofyl b → různé druhy chlorofylu a → chlorofyl a2 (λ = 680 nm)

PSII

• Jádro (core komplex)
  • Reakční centrum RCII
    • Hydrofobní proteiny, vážou asi 40 molekul chlorofylu a + beta karoten (anténní komplex jádra)
    • Tvořeno proteiny D1 a D2, na ten se vážou dvě molekuly chlorofylu a => specifický pár
    • V této pozici má chlorofyl absorpční maximum 680nm => P680 (pigment)
    • Na D1 a D2 jsou vázány 2 Feofytiny, atom Fe, dvě molekuly plastochinonu
    • Na straně lumenu je asociován s OEC
      • Oxygen evolving komplex
      • Rozkládá vodu a uvolňuje kyslík
      • Je tvořen několika hydrofilními proteiny + kofaktory: 4 Mn, ,  (Mn pomáhají přenášet elektron, Ca a Cl stabilizují komplex)
  • V jádru vázán cytochrom b559
• LHCII (light harvesting komplex) – periferní světlosběrný komplex = anténní komplex
  • Tvoří obal jádra
  • Obsahuje fotosyntetické pigmenty: karotenoidy, chlorofyly (jsou asociované se strukturními proteiny); s pigmenty jsou nekovalentně vázány =>pigmentproteinové komplexy
• Prostoupeny membránovými lipidy

Cytochromový komplex b6f

• Cytochrom je označení pro bílkoviny vázané na membrány a obsahující ve své molekule hemové skupiny, které zajišťují přenos elektronů tak, že se navázané ionty železa střídavě redukují a oxidují z Fe²⁺ na Fe³⁺ a zpátky
• Tvořen: elektronové přenašeče: cytochrom  (typu b s dvěma hemy), cytochrom f (typu c), Rieskeho protein se strukturou Fe-S
• Vazebná místa pro Plastochinony:   pro redukovaný plastochinon (leží v membránové vrstvě přilehlé k lumenu),  pro oxidovaný plastochinon (v membráně u stromatu)

PSI

• Jádro (core komplex)
  • Reakční centrum RC
    • 50 až 100 molekul chlorofylu a a Beta karoten  + proteiny reakčního centra => anténní komplex jádra;
    • Karoteny mají funkci především ochrannou a strukturní
    • Tvořeno: Heterodimer hydrofobních proteinů psaA a PsaB, na stromatální straně má hydrofilní podjednotky PsaC a PsaD a na straně lumenu hydrofilní podjednotka PsaF. V jádru jsou ještě další podjednotky
    • Na PsaA a PsaB se váže dimer chlorofylu a = specifický pár
      • V tomto postavení má chlorofyl a absorpční maximum 700nm => P700
    • První akceptor elektronu: chlorofyl a ()
    • Přenašeče: Fylochinon () = vitamin K1, centrum Fe-S
    • Další dvě Fe-S centra má podjednotka PsaC
    • PsaD interaguje s mobilním ferredoxinem
    • PsaF interaguje s plastocyaninem (donor elektronu P700)
• LHCI (light harvesting complex) – periferní světlosběrný komplex = anténní komplex
  • Tvoří obal jádra
  • Obsahuje fotosyntetické pigmenty: karotenoidy, chlorofyly (jsou asociované se strukturními proteiny); s pigmenty jsou nekovalentně vázány =>pigmentproteinové komplexy
• Prostoupeny membránovými lipidy

ATPsyntáza

• 9 různých podjednotek
• Dvě hlavní části:  a
  • je integrální membránový protein, slouží jako kanál pro protony
    • Podjednotky I,II,III,IV
  • – katalytická část, hydrofilní hlava – vykukuje do stromatu
    • Podjednotky alfa, beta, gama, delta, epsilon
  • Tři vazebná místa pro nukleotid – 3 konformační stavy
  • Open Loose Tight

Mobilní molekuly

• Plastochinon PQ – přenašeč elektronu v membráně thylakoidu, je silně hydrofobní a proto je držena v membráně
  • – semiplastochinol – když probehne oxidace na obou atomech kyslíku
• Plastocyanin PC – malý hydrofobní protein, obsahuje dva atomy Cu, přenáší jeden elektron
  • Oxidovaný se váže k cytochromovému komplexu (na straně lumenu)
  • Redukovaný se váže k PSI
• Ferredoxin – malé proteiny, obsahují jedno nebo dvě Fe-S centra, přenášejí elektron

Přenos elektronu fotosyntetickým aparátem

• Karotenoidy absorbovanou energii přenesou na chlorofyly (z modré a fialové oblasti spektra)
• Chlorofyly absorbují ze dvou oblastí spektra – modré+fialové a v červené
  • Dva typy excitovaných stavů – modrý má vyšší E
• Energie se mezi pigmenty přenáší Indukční resonancí (Försterův přenos energie)
  • Potřeba minimální vzdálenosti molekul, správná prostorová orientace
  • To zajišťuje anténní komplexy a jádra fotosystémů
  • Energie se přenáší až s 95% účinností
• Směrem k reakčnímu centru množství energie potřebné k excitaci pigmentu postupně klesá (vlnová délka absorpčního maxima stoupá) => na periferii LHC je více chlorofylu b, v reakčním centru je chlorofyl a, ten je excitovaný nižší energií. => zajištění jednosměrného přenosu energie do RC
• V RC se mění energie záření na energii redoxních reakcí
• V RC: chlorofyl a se excituje –> uvolní elektron –> chlorofyl a se oxiduje, první elektronový akceptor se redukuje
• Oxidovaný chlorofyl a přijme elektron od příslušného donoru a může se dále excitovat

Necyklický přenos elektronu:

• Z PSII je přenášen elektron Plastochinonem (PQ) na cytochromový komplex, pak Plastocyaninem (PC) na PSI.
• Energie ze všech pigmentů PSII je přenesena do RCII, předána jedné molekule chlorofylu a => excitace => chlorofyl (změní se redoxní potenciál – stane se negativním: z +1,1V na -0,6V) => elektron přejde na molekulu feofytinu(má vyšší afinitu k  než molekula chlorofylu) => oddělení náboje = předání elektronu z chlorofylu a (donor) na Feofytin(akceptor) => chlorofyl a se oxiduje na chlorofyl , feofytin se redukuje na
  • Energie elektromagnetického záření se mění na fotochemickou, dojde k uvolnění elektronu, poté je to energie oxidačně redukčních reakcí
  • Chlorofyl a + hv –> chlorofyl   (excitace)
  • Chlorofyl  + feofytin –> chlorofyl  +  (fotochemická reakce)

• Elektron putuje:
  • Feofytin => Fe => Plastochinon , ta je vázaná na D2 (má klednější redoxní potenciál než feofytin),   se redukuje na  –> elektron je transportován na (vázaný na D1) –> redukovaný semichinon , ten přijme další elektron od feofytinu – vznik , poté přijme ještě 2  ze stromatu – plastochinol   => uvolní se do membrány (je slabě vázán), na jeho vazbné místo naskočí další molekula PQ které jsou v přebytku a mají vyšší afinitu k vaz.místu (vytěsní ) => putuje k cytochromovému komplexu  => váže se na místo  (na thylakoidální straně membrány), jeden elektron => Rieskeho protein => cytochrom f => plastocyanin PC
  • druhý elektron redukuje cytochrom  (Low potential) na  (High potential) =>  elektron z cyt. redukuje PQ na semichinon  => elektron z dalšího  to redukuje na => +2 protony ze stromatu => => ta se uvolní, vazebné místo  obsadí další molekula PQ =>  se naváže na  , protony jsou uvolněny do lumenu. Celý proces se opakuje. => Q cyklus
• Plastocyanin je donorem elektronu pro PSI (přenáší elektron z cytochrom.komplexu na PSI)
• Podobně jako v PSII, energie z pigmentů v LHCI je přenesena do RCI => excitace chlorofylu a ze specifického páru (P700) => uvolní se elektron =>akceptorová molekula chlorofylu a (); oxidovaný chlorofyl přijme elektron z plastocyaninu => Chlorofyl a přejde do základního stavu
• Redukovaný chlorofyl a  => předá elektron do RCI => akceptor  Fylochinon (vitamin K1) => elektron na  (Fe-S, PsaC a další podjednotky , ) => elektron se v membráně posune z oblasti blízko lumenu do oblasti blíže stromatu => z centra  => ferredoxin (mobilní molekula) => uvolnění do stromatu (v redukovaném stavu)

Cyklický přenos elektronu

Elektron se vrací na cytochromový komplex , projde Q cyklem a vrací se (nese ho plastocyanin) na specifický pár chlorofylu v RCI. Není to úplně do detailů probádané.

Zpět k přenosu elektronu

• Ferredoxin  je silné redukční činidlo, ve stromatu redukuje NADP+
• FNR – ferredoxin-NADP+reduktáza => NADPH +
  • Jsou potřeba dva elektrony a jeden protom
  • NADPH je velmi důležité v sekundární fázi fotosyntézy
  • Vzniká pouze při necyklickém přenosu elektronu
• Ferredoxin také poskytuje elektrony pro redukci nitritového aniontu  na kation amonný; pro redukci síranového aniontu.

Zpět k vodě a OEC (PSII)

• Oxidovaný chlorofyl a v RCII musí přijmout jeden elektron aby se dostal do základního stavu=> fotolýza vody v OEC
  • Elektrony z  H₂O se dočasně vážou => kumulace náboje, díky manganovému klastru (4 atomy Mn stabilizovány díky proteinům OEC, Ca2+ a Cl-)
  • Elektrony jsou transportovány přes zbytek tyrozinu (na proteinu D1) na chlorofyl a v RCII
  • Manganový klastr reaguje s dvěma molekulami vody (odebere 4e a 2 ) =>  +  to se uvolní do lumenu
  • Díky kumulaci je zabráněno vzniku kyslíkových radikálů
  • zůstavají v lumenu

Syntéza ATP

• Přip.: membrána thylakoidu je nepropustná pro protony
• Při rozkladu vody a při transportu elektronu plastochinonem se vytvoří rozdíl v koncentraci protonů => rozdíl pH => rozdíl náboje => vznik gradientu a náboje na membráně => vytvoření potenciální protonmotorické síly => využito k syntéze ATP z ADP a Pi (Phosphate inorganic – anion kyseliny fosforečné)
• Fotofosforylace, katalyzovaná ATPsyntázou:
• Dvě hlavní části:  a
  • je integrální membránový protein, slouží jako kanál pro protony
    • Podjednotky I,II,III,IV
  • – katalytická část, hydrofilní hlava – vykukuje do stromatu
  • Tři vazebná místa pro nukleotid – 3 konformační stavy
  • Open Loose Tight
  • O => L => T => O => …
  • O  – naváže se ADP a Pi
  • L – ADP a Pi volně vázány
  • T – nukleotid je pevně vázán => ATP
  • O – ATP se uvolní (do stromatu)
  • Konformační změny jsou způsobeny podjednotkou gama – rotuje (díky proudu protonů)
• Ve stromatu vodíky tvoří s OH- vodu