Fotosyntéza I. Primární fotochemické procesy (na thylakoidní membráně) Tomáš Hájek Jiří Šantrůček.

Prezentace na téma: "Fotosyntéza I. Primární fotochemické procesy (na thylakoidní membráně) Tomáš Hájek Jiří Šantrůček."— Transkript prezentace:

1 Fotosyntéza I. Primární fotochemické procesy (na thylakoidní membráně) Tomáš Hájek tomas.hajek@prf.jcu.cz Jiří Šantrůček

2 Jaký je význam slova „foto-syntéza“ ? Jaký má fotosyntéza význam pro život na Zemi ? Kde k fotosyntéze dochází ? Dokážete pojmenovat vstupy a výstupy? Odkud pochází vzdušný kyslík? Na rozehřátí…

3 Obsah Přehled fotosyntézy: –Bilance: Vstupy a výstupy –Lokalizace: Chloroplast (anatomie) –Co se v chloroplastech děje? A jak se na to přišlo? –Thylakoidní membrána: primární pochody –Stroma: enzymatické (sekundární) pochody Primární pochody a struktury ve fotosyntéze: –Absorpce světelného kvanta – pigmenty –Separace náboje –Transport elektronů –Syntéza ATP, NADPH Ochrana fotosyntetického aparátu a regulace Sekundární (biochemické – enzymatické) pochody –(druhá část přednášky)

4 Co to je, když se řekne: Autotrofní: Fototrofní: Heterotrofní:

5

6 CO 2 + 2H 2 S  (CH 2 O) + 2S + H 2 O h.  anoxygenní fotos.: fotosyntetické bakterie Souhrnná rovnice fotosyntézy CO 2 + 2H 2 O  (CH 2 O) + O 2 + H 2 O h.  oxygenní fotos.: rostliny vč. řas, sinice Jean Baptiste Boussingault 1864: CO 2 /O 2  1 CO 2 + 2H 2 A  (CH 2 O) + 2A + H 2 O hh Donor elektronů fotosyntéza obecně: Van Niel 1941: oxidačně-redukční povaha Fotosyntéza je světelně závislá redox reakce

7 Chloroplast = fotosyntetická organela eukaryot

8 vnější membrána vnitřní membrána Amškrobová zrna Ththylakoid (stromatální) Ggrana Pgplastoglobuly Endosymbiotický původ Chloroplast

9 Sinice mají také thylakoidní membránu:

10 Chloroplast - fotosyntetická organela eukaryot

11 Eukaryontní buňka: Chloroplast U,K 101 Aškrobové zrno Ggrana Pgplastoglobuly Co se děje v chloroplastech? A jak se na to přišlo? Cornelius Van Niel oddělení oxidační a redukční části fotosyntézy: 2H 2 O  O 2 + 4e – + 4H + CO 2 + 4e – + 4H +  (CH 2 O) + H 2 O Robert Hill (30-tá léta 20. stol.), akceptory elektronů, na světle měřil produkci O 2 z vody: oxidační a redukční část fotosyntézy nejsou nutně spojeny Robert Emerson, William Arnold (30 až 50-tá léta 20. stol.), kvantová potřeba, Nutno asi 2500 chlorofylů na 1 fotochemický děj Daniel Arnon (ATP se produkuje na světle, CO 2 se fixuje ve tmě (oddělitelné) Melvin Calvin & …… (50-60 l. 20. stol., sled enzym. reakcí)

12 D. Walker 57 Škrobový sluneční tisk list Pelargonium, negativ obrazu... Julius von Sachs 1864: Škrob se akumuluje v listech výlučně v těch částech, které jsou osvětleny.

13 Primární fotosyntetické procesy = zachycení světelné energie na thylakoidní membráně chloroplastů

14 Musí existovat dva spřažené mechanismy přeměny světla v chloroplastu. Z čeho to vyplynulo?

15 Karikatura toku elektronů thylakoidní membránou PS IIPS I

16 Řetězce přesunu elektronů v thylakoidní membráně - Z schéma

17 Buch s.595 Elektronový transport ve fotosyntetické membráně při oxygenní fotosyntéze (Z-schéma)

18 …a zase trochu jinak

19 Membránová organizace Z-schématu ! OEC

20 Řetězce přesunu elektronů a protonů v thylakoidní membráně

21 Schéma thylakoidní membrány s vybranými základními bílkovinnými komplexy U,K 100 Stromatální část thylakoidní membrány Granální část thylakoidní membrány vnitřek tzv. lumen thylakoidu Komplexy ATP-syntázy

22 Vstupy a výstupy látek a energie v primárních procesech zy oxygenní fotosyntézy Souhrn

23 Pigmenty a antény

24 Zelenou barvu rostlin způsobuje chlorofyl. Téměř všechny fotosyntetické organismy jej obsahují. Tetrapyrolový kruh Fytol (C20)

25 Rostlina je zelená díky chlorofylu. Ale proč je chlorofyl zelený? Absorpce světla (fotonu) vede k přesunu molekuly do tzv. „excitovaného stavu“

26 Akční spektrum: závislost fotosyntézy (produkce kyslíku, rychlosti fixace CO 2 ) na kvalitě světla. Engelmannův pokus konec 19 století

27 Co se děje s molekulou chlorofylu při absorpci světla?

28 Schéma fykobilisomu sinic PE=fykoeritrin, PC=plastocyanin, AP=allofykocyanin Model antény a reakčního centra: Proč musí existovat antény?

29 Reakční centrum PSII včetně kyslík vyvíjejícího komplexu (OEC – oxygen evolving complex)

30 Struktura reakčního centra PSII u oxygenních organismů (vyšších rostlin, řas, sinic)

31 Oxidace vody 2H 2 O  O 2 + 4H + + 4e – akumulace náboje

32 Fotofosforylace, ATP-syntáza

33 pokus Jagendorfa

34 Membránová organizace Z-schématu Lumen: nízké pH (nahromaděné H + )

35 Komplex ATP-syntázy

36 Regulace, ochrana, xantofylový cyklus

37 Geranylgeranyl difosfát (20 C) Fytoen (40 C, 9 C=C) Fytoflueh (40 C, 10 C=C)  -karotén (40 C, 11 C=C) Neurosporen (40 C, 12 C=C) Lykopen (40 C, 13 C=C)  -karotén (40 C, 11 C=C 2cykly) Zeaxantin (40 C, 11 C=C, 2 cykly, 2×OH) Karotenoidy - chemismus

38

39 ! Xantofylový cyklus Antioxidanty

40 How vitamin C helps plants beat the sun

41 Dokázali byste odvodit, kolik fotonů (jednofotonových záblesků) musí chlorofyly RC fotosystémů zachytit, aby se vyvinula jedna molekula kyslíku a proces kontinuálně probíhal? Na kterých dvou místech je spojen transport elektronů s transportem a tvorbou protonového gradientu? Jak se rostlina brání nadměrné ozářenosti (na úrovni thylakoidů)? Otázky, shrnutí