Bioenergetski i globalni značaj Transformacija energije: svetlosna → električna → hemijska (energija makroenergetskih jedinjenja) ⇒ sinteza organskih FOTOSINTEZA materija. VODA+SVETLOST → HEMIJSKA ENERGIJA HLOROFIL APSORBUJE SVETLOST VODA ULAZI U LIST SVETLOST Biološki smisao: korišćenje energije iz spoljašnje sredine i njeno nakupljanje u vidu stabilnih organskih jedinjenja koja zatim služe kao izvor energije za sve energetske procese živog sveta planete. CO2 ULAZI U LIST PREKO STOMA ŠEĆER NAPUŠ NAPUŠTA LIST HEMIJSKA ENERGIJA + CO2 → ORG. MAT. (Š (ŠEĆER) Bioenergetski i globalni značaj Fotosinteza je redoks proces → CO2 (osnovni supstrat) se redukuje do (CH2O)n. Fotosintetički organizmi: Eukarioti: više biljke, višećelijske i jednoćelijske alge Prokarioti: plavo - zelene alge, zelene i purpurne sumporne bakterije. Kod eukariota donor elektrona, odnosno H za redukciju CO2 je H2O; kod zelenih sumpornih bakterija donor elektrona je H2S. hν ν CO2 +2H2S → (CH2O) + H2O + 2S (Zelene sumporne bakterije) Bioenergetski i globalni značaj Fotosinteza je omogućila pojavu aerobnog disanja i kruženje C i O u prirodi. Kruženje kiseonika – ostvaruje se kroz kruženje CO2; pri usvajanju svake tone C oslobadja se 2.7 t O2. Kruženje ugljenika (CO2) fotosintetički organizmi vezuju i prevode u organska jedinjenja oko 44 milijardi tona ugljenika, od toga deo se vraća u atmosferu disanjem, a deo se vezuje na kopnu, u okeanima i morima. Intenzitet fotosinteze Produktivnost fotosinteze Tetrapiroli - hlorofili Fotosintetički pigmenti Dve grupe jedinjenja sa sposobnošću apsorpcije svetlosti: Tetrapiroli - hlorofili Izoprenoidi - karotenoidi Apsorpcija svetlosti i boja fotosintetičkih pigmenata posledica je prisustva sistema konjugovanih dvostrukih veza. Izoprenoidi - karotenoidi Fotosintetički pigmenti Više biljke sadrže: hlorofil a (C55H72O5N4Mg) i hlorofil b (C55H70O6N4Mg) Molekuli hlorofila se nalaze u membranama tilakoida vezani za proteine – hromoproteini. Hlorofil b - na trećem C-atomu II pirolovog prstena ima aldehidnu grupu (COH). Hlorofili Porfirinski prsten → četiri pirolova prstena povezana metinskim grupama ( CH ); u sredini je Mg vezan za atome N. Hlorofili su estri dikarbonske kiseline hlorofilina: H-atom u jednoj karboksilnoj grupi zamenjen je ostatkom alkohola fitola, a u drugoj ostatkom metil alkohola. Fotosintetički pigmenti Fotosintetički pigmenti Spektri apsorpcije Pigmenti Talasne dužine aporpcionih max (nm) Nalaze se u: Hlorifil a 420, 660 Više biljke i alge Hlorifil b 435, 643 Više biljke i zelene alge Hlorifil c 445, 625 Diatomeje i mrke alge Hlorifil d 450, 690 Crvene alge β-karoten 425, 450, 480 Više biljke i većina algi α-karoten 420, 440, 470 Više biljake i neke alge Lutein 425, 445, 475 Više biljke, zelene i crvene alge Violaksantin 425, 450, 475 Više biljke Fukoksantin 425, 450, 475 Diatomeje i mrke alge Fikoeritrin 490, 546, 576 Crvene alge i neke cijanobakterije Fikocianin 618 Cijanobakterije i neke crvene alge Alofikocianin 650 Cijanobakterije i crvene alge Fotosintetički pigmenti Biosinteza hlorofila - biosinteza porfirina (Sukcinil CoA+Glicin) Glutamat Glutamat-1semialdehid δ-Aminolevulinska kiselina Porfobilinogen Hidroksimetilbilin Uroporfirinogen III Mg2+ Divinilprotohlorofilid a Mg-protoporfirin monometil estar Mg-protoporfirin Protoporfirin IX Protoporfirinogen IX Koproporfirinogen III Hlorofilid a Monovinil-protohlorofilid a Hlorofil a Hlorofil b Činioci koji utiču na sadržaj hlorofila: svetlost, temperatura, Mg, N, biljna vrsta, starost i dr. Fotosintetički pigmenti Karotenoidi Postoji više od 100 različitih karotenoida karoteni i ksantofili. ksantofili Karotenidi su produkti izoprena (C5) → osam izoprenskih jedinica. Mogu biti: aciklični, monociklični, biciklični 2 molekula Acetil CoA→ →acetoacetil CoA +Acetil CoA (kondenzacija) → hidroksimetilglutarat CoA→ →(redukcija) mevalonska kiselina. Nakon fosforilacije i dekarboksilacije mevalonata nastaje aktivirani izoprenizopentil pirofosfat (IPP). Izomeracija, kondenzacija +IPP, kondenzacija +IPP, kondenzacija Fotosintetički pigmenti Karotenoidi Fiziološka uloga: - apsorbuju svetlost (Amax je od 422 do 491nm) - prenose apsorbovanu svetlost na RC PS I (II) - štite fotosisteme od oksidativne destrukcije - imaju nutritivnu vrednost (β β-karoten je provitamin A) Značaj svetlosne energije za proces fotosinteze Za životne procese biljaka najveći značaj ima integralna kratkotalasna radijacija koja se može podeliti na ultraljubičasto zračenje: λ= 300 - 390 nm (9%), vidljivi deo spektra λ = 390 - 760 nm (40%) i blisku infracrvenu radijaciju λ = 760 - 1100 nm (51%). Fotosintetički aktivna radijacija (FAR: od 390 do 710 nm). U ovom intervalu talasnih dužina apsorbuje se 70 - 90%; reflektuje 5 - 12%; propušta 5 - 8%. Iskorištena ukupna svetlosna energija od strane biljaka je 1-2%. Fotosintetički aparat – fotosintetičke jedinice Molekuli hlorofila i karotenoida u fotosintezi učestvuju u grupama: pigment - protein kompleksima. U membranama tilakoida postoje funkcionalne grupe koje PS I se sastoje od fotohemijski aktivnih centara (RC) i PS II fotohemijski neaktivnih molekula (antena pigmenti - LHC), njihov odnos je 1:180 do 1:400. Oni zajedno čine fotosintetičku jedinicu. FS I i FS II - elektronske pumpe koje rade u dve različite, a jednim delom u istoj redoks-skali. To su multimolekulski proteinsko-pigmentni kompleksi uronjeni u lipidni matriks tilakoida. Fotosintetički aparat – fotosintetičke jedinice Fotosintetički aparat organizovan je u dva fotosistema: fotosistem I (FS I, ili PS I) i fotosistem II (FS II, ili PS II). Hlorofil a ima dva oblika P700 i P680 – to su reakcioni centri (RC): P680 je reakcioni centar fotosistema II (RC PS II); P700 je reakcioni centar fotosistema I (RC PS I). LHC I (antena pigmenti) hν ν PS I → LHC II (antena pigmenti) hν ν PS II → PS I PS II Fotosintetički aparat – fotosintetičke jedinice Fotosintetički aparat – fotosintetičke jedinice Fotosistem II Fotosistem I Fotosintetički aparat – fotosintetičke jedinice LHC II – trimerna organizacija vezanih pigmenata za proteine Organizacija molekula hlorofila u kompleksima sa proteinima u PS I i PS II; LHC Mehanizam fotosinteze Svetle reakcije: apsorpcija svetlosti transport elektrona “u” i “na” tilakoidima fotofosforilacija aktivacija enzima Tamne reakcije: reakcije karboksilacija redukcija U stromi hloroplasta regeneracija sinteza produkata Mehanizam fotosinteze Apsorpcija i preobraćanje svetlosne energije Svetlosnu energiju – fotone, apsorbuju molekuli pigmenata u hloroplastima. Pigment hυ υ Pigment* U molekulima fotosintetičkih pigmenata elektroni pripadaju konjugovanim dvostrukim vezama, kreću se po - π orbitalama oko više atomskih jezgara; apsorpcijom fotona, elektroni prelaze na viši energetski nivo (π π → π* prelaz) pobudjeno singletno, ili tripletno stanje. Za fotosintezu je značajno pobudjeno singletno stanje apsorbovana svetlosna energija se zatim rezonantnim prenosom od molekula do molekula pigmenata nosi do RC. Mehanizam fotosinteze Apsorpcija i preobraćanje svetlosne energije Nakon apsorpcije crvene svetlosti S0 → S1. Nakon apsorpcije fotona plave svetlosti: S0 → (S3 →) S2 → S1; (S3 →) S2 → S1, pri ovim prelazima energija se gubi u obliku toplote ⇒ fotoni plave svetlosti nisu efikasniji od fotona crvene svetlosti iako imaju veću energiju. Pri prelazu S1 → S0 energija se emituje u različitim oblicima: - u vidu toplote (gubitak) - emisija kvanta svetlosti - fluorescencija (gubitak) - prenos ekscitona od molekula do molekula, do RC (“antena” pigmenti) - fotohemijski rad (hlorofil a koji predstavlja RC) Mehanizam fotosinteze Apsorpcija i preobraćanje svetlosne energije Nakon apsorpcije fotona, do transporta elektrona ( fotohemijske reakcije) dolazi samo kod malog broja molekula hlorofila a, to su RC (P700 i P680). Većina molekula fotosintetičkih pigmenata ima ulogu u prenosu apsorbovane (pobudne) energije (ekscitona) do RC, to su antena pigmenti (LHC I i II). Prenos pobudne energije vrši se pomoću rezonancije - uzajamnog dejstva izmedju oscilirajućih dipola (nastaju delovanjem oscilirajućeg elekrtomagnetnog polja - svetlosti) pri čemu ne dolazi do oksidoredukcionih procesa. Preklapanje spektara; mala udaljenost molekula. Mehanizam fotosinteze Transport elektrona Nakon apsorpcije svetlosti i inicijalnog pobudjivanja elektrona u fotohemijski aktivnom molekulu hlorofila a (RC) dolazi do transporta elektrona od jedinjenja do jedinjenja duž gradijenta redoks potencijala. Transport elektrona može biti: N e c i k l i č n i - “Z” shema - sumarna jednačina: 2NADP + 2H2O + 2ADP + 2Pi ⇒ 2NADPH2 + 2ATP + O2 + stvaranje protonskog gradijenta C i k l i č n i - sumarna jednačina: ADP + Pi ⇒ ATP + stvaranje protonskog gradijenta P s e u d o c i k l i č n i - Mehler-ova reakcija Mehanizam fotosinteze N e c i k l i č n i transport elektrona Transport elektrona kroz tilakoidnu membranu (duž električnog gradijenta) od vode do NADP+. Komponente elektronskog transporta su četiri membranska kompleksa: PS II: P680; Feofitin, Hinon A, Hinon B Citohrom b6f kompleks (tu su i Plastohinon i Plastocijanin) PS I: P700, A0, A1, Fx, FA/FB, Fdx ATP – sintetaza (CF1-CF0) Mehanizam fotosinteze N e c i k l i č n i transport elektrona Membranska organizacija transporta elektrona kroz tilakoidnu membranu Mehanizam fotosinteze N e c i k l i č n i transport elektrona Fotosistem II P680* Pheo QA QB Mn P680 PQ Primarni elektronski akceptor nakon apsorpcije fotona i ekscitacije elektrona u P680 je feofitin (Pheo) koji ih prenosi na dva plastohinana; prvi plastohinon (QA) je čvrsto vezan za kompleks, i može da prenosi samo jedan po jedan elektron (ima dva oblika QA i QA-). Drugi plastohinon ima tri oblika (QB, QB- i QB2-) Dva elektrona idu jedan za drugim i kada nastane redukovani QB2-, vezuju se dva protona iz strome hloroplasta, tako da nastaje QBH2. Nakon redukcije i protonizacije, QBH2 difunduje u lipidni dvosloj tilakoida i funkcioniše kao mobilni H+ prenosilac elektrona na plastohinon PS II funkcioniše kao voda-plastohinon (PQ) koji slobodno difunduje kroz oksidoreduktaza (zavisna od svetlosti) membranu i puni QB stranu hinona. Mehanizam fotosinteze N e c i k l i č n i transport elektrona Citohrom b6f kompleks transportije elektrone sa redukovanog plastohinona na oksidovani plastocijanin. Na plastohinonskom delu kompleksa gde dolazi QBH2, otpuštaju se dva protona u lumen tilakoida, a jedan elektron ide na plastocijanin (PC) preko Cyt f. Drugi elektron ide preko Cyt b6 na hinonski deo kompleksa (Qn), gde se elektron predaje oksidovanom plastohinonu i nastaje plastosemihinon jon (PQ•). U drugom stepenu drugi elektron na hinonskom delu kompleksa redukuje plastosemihinon jon (PQ• ) do PQ• •, koji uzima dva protona iz strome i ulazi ponovo u proces. Mehanizam fotosinteze N e c i k l i č n i transport elektrona Fotosistem I P700* A0 A1 Fx FA/FB Fdx PC P700 Elektroni sa Cytb6f kompleksa dolaze na plastocijanin (PC)-mobilni proteinski prenosilac elektrona koji sadrži bakar kao prostetičnu grupu. Ovi elektroni re-redukuju P700 koji je nakon apsorpcije fotona prešao u oksidovanu formu P700* i predao dalje elektrone. PS I sadrži oko 15 proteinskih subjedinica, od kojih su najznačajnije dve: PsaA i PsaB koje vezuju hlorofil a u RC i većinu prenosioca elektrona, a to su primarni akceptor A0, A1 (filohinon, vitamon K1), Fe-S centarFx. Elektroni sa PS I dolaze na 2Fe-2S Fe-S protein feredoksin, koji se nalazi na spoljašnjoj strani membrane, u stromi hloroplasta. Redukcija NADP+ odvija se iz pomoć enzima feredoksin-NADP+ reduktaze. Mehanizam fotosinteze Oksidacija vode i produkcija kiseonika se dešavaju na nivou PS II S0 Oslobañanje O2 je proces koji se odvija u stupnjevima. Kompleks koji S4 S1 razvija O2 prolazi kroz 5 oksidacionih stanja, S0 – S4, što zahteva kumulativno dejstvo 4 svetlosne S2 S3 reakcije. U mraku se kompleks nalazi u H+ → u lumen tilakoida S0 stanju. Nakon apsorpcije prva tri Rekcija oslobañanja fotona, dolazi do oduzimanja po e- → redukcija P680 kiseonika: jednog elektrona i promene stanja kompleksa: S0 u S1; S1 u S2; S2 u S3. Posle toga potreban je još jedan foton 2H2O → 4H+ + 4e- + O2 za prelaz u S4. Protoni se oslobañaju Ovu reakciju obavlja kompleks od najmanje tri izmeñu S0-S1; S1-S2 i S4-S0. Tek kad proteina vezana na unutrašnjoj strani tilakoida kompleks doñe u stanje S4 akumulirano je u njemu dovoljno za D1/D2 protein u PS II. Za jedan protein energije za oksidaciju vode. vezana su 4 atoma Mn, a neophodno je prisustvo i Cl- i Ca++. Mehanizam fotosinteze C i k l i č n i transport elektrona PS I U cikličnom transportu elektrona učestvuje samo PSI. Ekscitirani P700 predaje elektrone akceptorima A0, A1, Fx i FA/B, koji redukuju feredoksin (Fdx), meñutim Fdx ne redukuje NADP+, nego preko enzima feredoksinplastohinon oksidoreduktaze predaje elektrone plastohinonu (PQ). Ponovna oksidacija PQ se dešava preko Cyt b6f, koji redukuje potom plastocijanin (PC). Redukovani PC se oksiduje ponovo dajući elektron na P700*. Tokom oksidacije i redukcije PQ protoni se iz strome “pumpaju” u lumen tilakoida, tako da nastaje transmembranski protonski (elektrohemijski) gradijent, što omogućava sintezu ATP-a. Mehanizam fotosinteze Fotosintetička fosforilacija (fotofosforilacija) Mitchell-ova hemiosmotska teorija: Hloroplastna H+-ATP-aza kontroliše ADP fosforilaciju koja je energetski omogućena transmembranskim elektro-hemijskim protonskim gradijentom: ADP + H3PO4 → ATP + H2O Model reverzne ATPaze: region CF0 se nalazi u membrani tilakoida i gradi kanal za prolaz protona. Na Stromalnoj strani se nalazi globularni CF1 region, sastavljen od tri α i β subjedinice, sa subjedinicom γ u centru, koja svojom rotacijom menja konformaciju ostalih subjedinica. Mehanizam fotosinteze Fotosintetička fosforilacija (fotofosforilacija) Energija je obezbeñena transportom protona kroz membranu ADP + Pi → ATP Konformacione promene CF1 regiona ATPaze pri sintezi ATP: izmeñu subjedinica α i β moguća su tri položaja u kojima se nalaze ADP i Pi. To su , prvo otvoreni položaj (O) koji prima ADP i Pi. Usled rotacije se konformacija kompleksa menja, a ADP i Pi dospevaju u položaj u kome su labavo vezani (L). Najzad se formira položaj čvrstog vezivanja (T) u kome dolazi do sinteze ATP. Ovo mesto se opet otvara, ATP izlazi iz kompleksa i oslobaña ga za prijem sledećeg para ADP i Pi. Mehanizam fotosinteze Fotosintetička fosforilacija (fotofosforilacija) Tamna faza fotosinteze (Kalvinov ciklus): ciklus) karboksilacija redukcija regeneracija sinteza produkata Tamna faza fotosinteze (Kalvinov ciklus): ciklus) C3 tip fotosinteze → nakon karboksilacije i u fazi redukcije nastaju jedinjenja sa 3 C atoma: fosfoglicerat i gliceraldehid fosfat Tamna faza fotosinteze - Kalvinov ciklus Tamna faza fotosinteze - Kalvinov ciklus C3 biljke Redukcija CO2 kod C4 biljaka C4 biljke najčešće pripadaju familijama Poaceae (šećerna trska, kukuruz), Amaranthaceae, Chenopodiaceae. Anatomske razlike C3 i C4 biljaka Redukcija CO2 kod C4 biljaka Kod C4 biljaka ćelije mezofila su dobavljači CO2 za ćelije koje opkoljavaju provodne snopiće. U njima se vrši fiksacija CO2. Ggranularni hloroplast u mezofilnoj ćeliji Agranularni hloroplast u ćeliji omotač omotača provodnih sudova kod kukuruza Redukcija CO2 kod C4 biljaka Malatni tip: karboksilacija fosfoenolpiruvata uz pomoć PEP-karboksilaze → oksalacetat → (malat dehidrogenaza) malat → u ćelijama omotača provodnog snopića cepa se → piruvat + NADPH + H+ + CO2 NADPH + H+ + CO2 odlaze u Calvinov ciklus. Piruvat odlazi u hloroplaste ćelija mezofila - fosforiliše se i nastaje PEP koji odlazi u citoplazmu. Aspartatni tip: ulogu malata preuzima aspartat, a piruvata alanin; u Calvinov ciklus predaje se samo CO2 a ne i NADPH + H+. Redukcija CO2 kod CAM biljaka CAM biljke najčešće pripadaju familijama Crassulaceae, Liliaceae, Euphorbiaceae, Cactaceae, Bromeliaceae CAM put asimilacije CO2 predstavlja prilagoñavanje metabolizma biljaka ekstremno suvim staništima sa visokim dnevnim i niskim noćnim temperaturama. Stome su danju zatvorene → biljke ne mogu usvajati CO2. U toku noći - otvaranje stoma i usvajanje CO2. CO2 + PEP → oksalacetat → malat (nakuplja se u toku noći u vakuoli). U toku dana CO2 se oslobadja dekarboksilacijom malata i uključuje u Calvinov ciklus. Razlike izmeñu C4 i CAM biljaka Primarno vezivanje CO2 i uključivanje u Calvinov ciklus su kod CAM biljaka odvojeni vremenski, a kod C4 prostorno. Razlike izmeñu C3, C4 i CAM biljaka Fotorespiracija - Oksidativni fotosintetički C2 ciklus: U hloroplastima C3 biljaka u uslovima velike osvetljenosti parcijalni pritisak O2 se povećava, a koncentracija CO2 smanjuje. Tada RuBP-karboksilaza “postaje” oksigenaza → u hloroplastima nastaje fosfoglikolat → defosforilacijom nastaje glikolat. Glikolat iz hloroplasta odlazi u peroksizome gde se uz pomoć enzima glikolat oksidaze oksidiše sa O2 → glioksilat → prima amino grupu od glutamata i serina i nastaje glicin koji odlazi u mitohondrije (ili se koristi za sintezu proteina). U mitohondrijama iz 2 molekula glicina (deaminacijom i dekarboksilacijom) nastaje serin. Serin se eksportuje u peroksizome → hidroksipiruvat → glicerat. Glicerat prelazi u hloroplaste - fosforiliše se sa ATP → fosfoglicerat (ulazi u fazu regeneracije RuBP u Calvinovom ciklusu. Hloroplast Peroksizom Mitohondrija Transport asimilata Trioza fosfati se iz hloroplasta transportuju u citoplazmu gde se sintetiše saharoza. Transport kroz unutrašnju membranu hloroplasta ostvaren je preko fosfatnih translokatora. UDPG Sinteza skroba u stromi hloroplasta H+- ATP-aza i K+ kanal održavaju grdijent pH. Transport asimilata Regulacija sinteze saharoze Efekat glukoze-6-fosfata i fosfata Prelazak listova iz mraka na svetlost uslovljava povećanje koncentracije glukoze-6-fosfata i istovremeno snižava koncentraciju fosfata. Obe pojave dovode do povećane sinteze saharoze. Glikoza-6-fosfat isključuje fosforilaciju saharoza-6-fosfat-sintetaze inaktivacijom kinaze SnRK1 i stimulacijom aktivne forme saharoze-6-fosfat-sintetaze. Fosfati inaktiviraju enzim saharozu-6-fosfat-sintetazu-fosforilazu i na taj način inhibiraju aktivnost enzima saharoze-6-fosfat-sintetaze. Transport asimilata Plazma membranska ATP-aza istiskuje protone iz simplasta u apoplast floema a zatim u floem (sitaste cevi) simportni transport saharoze i difuzija kroz pore celuloznog zida sitastih cevi. Transport asimilata Transport asimilata na veća rastojanja - kroz floem (sitaste cevi, ćelije pratilice, parenhim floema). U soku floema mogu da se nalaze saharoza, glukoza, fruktoza, rafinoza, aminokiseline, amidi, nukleotidi, ATP, organske kiseline, fitohormoni, vitamini, mineralne materije i dr. Zbog toga sok floema ima visoku pH vrednost. Transport asimilata Mehanizam transporta: - gradijent osmotskog potencijala - aktivan transport iz ćelija u sitaste cevi, a zatim – - protok mase. mase - bidirekcioni transport - transport u oba pravca (preko poprečnih veza izmedju sitastih cevi). Pravac i smer transporta zavise od genotipa i faze rastenja i razvića. Transport asimilata - protok mase. mase Transport asimilata – sinteza skroba u plodu (ušće asimilata) Činioci koji utiču na fotosintezu Unutrašnji: - sadržaj hlorofila - lisna površina (LAI, LAD) - orijentacija listova - starost listova Spoljašnji: - svetlost - intenzitet (svetlosna kompenzaciona tačka; zasićujuća svetlost - saturacija); spektralni sastav - koncentracija CO2 (kompenzaciona tačka, saturaciona koncentracija) - koncentracija O2 - smanjenje koncentracije izaziva povećanje fotosinteze - Warburgov efekat - temperatura - mineralna ishrana Fotosinteza i prinos - voda
© Copyright 2024 Paperzz