Světelná reakce fotosyntézy. Chloroplasty. Absorpce světla chlorofylem – indukce přenosu elektronů. Dva fotosystémy generují protonový gradient a NADPH za vývoje kyslíku. Protonový gradient přes thylakoidní membránu pohání syntézu ATP. Pomocná barviva směrují energii do reakčních center.

Elektronová mikrofotografie chloroplastu z listu špenátu Elektronová mikrofotografie chloroplastu z listu špenátu. Sestavy thylakoidních membrán tvoří grana.

Schéma světelné reakce fotosyntézy.

CHLOROPLAST

Cyanobaktérie. Kolonie fotosyntetizujících vláken Cyanobaktérie. Kolonie fotosyntetizujících vláken. Z těchto se vyvinuly současné chloroplasty.

CHLOROFYLY

Absorpce světla vede k excitaci elektronů ze základního stavu na vyšší energetickou hladinu.

Reakční centrum Fotoindukované oddělení nábojů.

Fotosystémy. Na membránu vázané na světlo citlivé komplexy – Fotosystém I (PS I) a fotosystém II (PS II). PS I obsahuje: 13 polypeptidových řetězců, více než 60 molekul chlorofylů, chinon (vitamin K1) a tři 4FE – 4S klastry. Celková molekulová hmotnost více než 800 kd. Absorbuje světlo při vlnové délce 700 nm a kratší. PS II je menší – 10 polypeptidových řetězců, více jak 30 chlorofylů, nehemový Fe2+ a čtyři ionty Mn. Absorbuje světlo při vlnových délkách 680 nm a kratších. Fotosyntetická baktérie Rhodopseudomonas viridis obsahuje jednodušší fotosyntetické reakční centrum.

Bakteriální fotosyntetické reakční centrum. Bakteriální reakční centrum obsahuje: Čtyři polypeptidy: L (31 kd), M (36 kd) a H (28 kd) a C, což je cytochrom c-typu. U vyšších rostlin má podobnou funkci fotosystém PS II.

Bakteriochlorofyly jsou podobné chlorofylu až na další redukovaný pyrrol a malé odlišnosti, které posunují absorpční maximu k 1 000 nm. Bakteriofeofytin je název pro bakteriochlorofyl, který má dva protony namísto Mg2+. Podobně feofytin u vyšších rostlin = chlorofyl s 2 H+ namísto Mg2+.

Fotosyntéza kyslík produkujících organismů závisí na souhře dvou fotosytémů.

Cytochrom bf je na membránu vázaný komplex homologní s Q-cytochrom c oxidoreduktasou (oxidativní fosforylace). Celková reakce katalyzovaná PS II: 2 Q + 2 H2O = O2 + 2 QH2 Q = plastochinon, QH2 = plastochinol PS II extrahuje elektrony z vody za tvorby molekulárního kyslíku. K tomu jsou potřebné čtyři fotony. Speciální centrum obsahující 4 ionty Mn. Feofytin je chlorofyl, který má namísto Mg2+ 2 H+.

Struktura PS II. D1 a D2 podjednotky jsou červené a modré a vázaný cytochrom žlutý. Molekuly chlorofylu jsou zelené.

Tok elektronů PS II.

Pravděpodobné schéma vývoje kyslíku v centru Mn Mn centrum je postupně oxidováno jedním elektronem a dvě vázané molekuly vody poskytnou molekulární kyslík. Součástí centra je Tyr, Ca2+ a Cl-. Mangan byl evolučně vybrán, protože může existovat v řadě oxidačních stavů (Mn2+, Mn3+, Mn4+ a Mn5+). Dále má schopnost pevné vazby kyslíkatých sloučenin.

PS II je integrální součástí thylakoidní membrány PS II je integrální součástí thylakoidní membrány. Redukce chinonu je na straně stromatu, kdežto Mn centrum a s ním spojená oxidace vody na straně thylakoidního lumenu. Při každé redukci plastochinonu jsou vytahovány 2 protony ze stromatu. Čtyři protony uvplněné při oxidaci vody vstupují do lumen. Tato distribuje protonů vede ke tvorbě protonového gradientu přes thylakoidní membránu. Pumpování protonů je opačné jako během oxidativní fosforylace.

Cytochrom bf komplex spojuje PS II s PS I. Cytochrom bf komplex katalyzuje celou reakce „Q cyklem“. První část katalýzy: QH2 produkovaný PS II přenáší elektrony na plastocyanin (Pc), měďnatý protein v lumen thylakoidu. QH2 + 2 Pc (Cu2+) =Q + 2 Pc (Cu+) + 2 H+(do thylak.lumen). Druhá část katalýzy: Cytochrom bf redukuje druhou molekulu plastochinonu na plastochinol. Vytahuje další dva protony z jedné strany (stroma) membrány a na druhé straně je při reoxidaci plastochinolu uvolňuje do thylakoidního lumenu.

Plastocyanin. Oxidované forma je intenzívně modrá což je charakteristické pro tzv. „modré měďnaté proteiny“ nebo také typ I skupiny měďnatých proteinů.

Fotosystém PS I využívá světelnou energii ke tvorbě redukovaného ferredoxinu – silného redukčního činidla.

Celková reakce katalyzovaná PS I: Pc (Cu+) + Fdox = Pc (Cu2+) + Fdred Redukční potenciály: Pc = + 0, 37 V Fd = - 0, 45 V D Go´ = + 79, 1 kJ.mol-1 Tato reakce je poháněna 700 nm fotonem, jehož energie je 171 kJ/mol.

Tok elektronů PS I k ferredoxinu.

Struktura rostlinného ferredoxinu. Obsahuje 2Fe – 2S klastr Struktura rostlinného ferredoxinu. Obsahuje 2Fe – 2S klastr. Protein zachycuje elektrony z PS I a přenáší je na ferredoxinreduktasu.

Struktura ferredoxin-NADP+reduktasy.

Funkce ferredoxin-NADP+reduktasy Funkce ferredoxin-NADP+reduktasy. První elektron z Fdred tvoří flavinový semichinon. Enzym poté přijímá druhý elektron za tvorby FADH2, který přenáší 2 elektrony a proton na NADP+ za tvorby NADPH. Probíhá na straně stromatu – přenos protonu podporuje tvorbu protonového gradientu.

Vzniklý protonový gradient přes membránu thylakoidu je zdrojem pro tvorbu ATP Pokusy André JAGENDORFA (1966) ukázaly, že chloroplasty syntetizují ATP. První pokusy, které podpořily Mitchellovu chemiosmotickou hypotézu tvorby ATP. Membrána thylakoidu je nepropustná pro protony. Ve vnitřním prostoru thylakoidu je kyselé prostředí (pH 4). Transmembránový protonový gradient je 3, 5 jednotek pH. Protonmotívní síla (D p ) je suma dvou složek: gradient náboje a chemický gradient.

U chloroplastů je téměř celé D p tvořeno pH gradientem. Proč ? Thylakoidní membrány jsou propustné pro Cl- a Mg2+. Světlem indukovaný transport H+ je provázen buď transportem Cl- stejným směrem nebo transportem Mg2+ (1 Mg2+ za 2 H+) v protisměru. Tím je zaručena elektroneutralita a netvoří se membránový potenciál. Gradient pH 3, 5 jednotek odpovídá protonmotívní síle 0, 20 V nebo D G = - 20, 0 kJ/mol.

Jagendorgfův pokus

Chloroplastová ATPsynthasa, nebo také CF1-CFo-komplex Chloroplastová ATPsynthasa, nebo také CF1-CFo-komplex.(C – chloroplast).

Cyklická fotofosforylace Cyklická fotofosforylace. Elektrony z redukovaného ferredoxinu jsou transportovány na komplex cytochromu bf . Tvoří se protonový gradient a tím ATP. Netvoří se kyslík ani NADPH. Stav při vysoké hladině NADPH.

Stechiometrie světelné reakce fotosyntézy. Absorpce 4 fotonů PS II vede ke tvorbě jedné molekuly O2 a uvolnění 4 H+ do lumen. Dvě molekuly plastochinolu jsou oxidovány v Q cyklu komplexem cytochrom bf za uvolnění 8 H+ do lumen. Elektrony ze 4 molekul redukovaného plastocyaninu jsou přeneseny na ferredoxin při absorpci 4 fotonů. Čtyři molekuly redukovaného ferrdoxinu tvoří 2 NADPH.

Rovnice PS II: 2 H2O + 2 NADP+ + 10 H+stroma = O2 + 2 NADPH + 12 H+lumen Dvanáct protonů musí projít CFo , aby došlo ke kompletní rotaci CF1 za tvorby 3 molekul ATP. 3 ADP3- + 3 P2-i + 3 H+ + 12 H+lumen = 3 ATP3- + 3 H2O + 12 H+stroma Konečná rovnice: 2 NADP+ + 3 ADP3- + 3 Pi2- + H+ = O2 + 2 NADPH + 3 ATP4- + H2O

Herbicidy – inhibitory světelné reakce Inhibitory PS II – inhibují tok elektronů. Inhibitory PS I – přesměrují (odvádějí) z terminální části fotosystému. Inhibitory PS II - deriváty močoviny (diuron) a triazinu (atrazin). Blokují tvorbu QH2. Inhibitor PS I – paraquat (1, 1 – dimethyl-4, 4 –bipyridinium). Jako dikation akceptuje elektrony z PS I a vytvoří radikál, který reaguje s O2 za tvorby reaktivních kyslíkatých částic jako je superoxid a radikál (OH.). Tyto radikály reagují s dvojnými vazbami membránových lipidů a poškozují membránu.

Hlavní skupiny fotosyntetizujících prokaryot H2S – donor elektronů: CO2 + 2 H2S světlo (CH2O) + 2 S + H2O

Pomocné pigmenty – předávájí energii do reakčního centra Pomocné pigmenty – předávájí energii do reakčního centra. Jsou soustředěny v jeho blízkosti jako LHC – light harvesting complex) Pomocné pigmenty absorbují světlo v regionu mezi 450 až 650 nm, kde neabsorbuje chlorofyl a. Nízká hustota chlorofylu a způsobuje, že řada fotonů není absorbována. Pokusně bylo dokázáno, že k produkci jedné molekuly O2 musí být excitováno 2 500 molekul chlorofylu. Excitovaný stav speciální dvojice chlorofylů je energeticky na nižší úrovni než jednotlivé molekuly, což umožňuje reakčním centrům sbírat energii z jiných molekul.

Chlorofyl b a karotenoidy jsou jsou důležité světlosběrné molekuly přenášející energii do reakčního centra. Chlorofyl b absorbuje ve středu viditelné části spektra (mezi 450 a 500 nm). Karotenoidy (polyeny) absorbují mezi 400 a 500 nm. Karotenoidy chrání thylakoidy před fotochemickou reakcí, zvláště před poškozením kyslíkem při silném slunečním svitu.

Struktura LHC. Osm polypeptidů, každý váže tři chlorofyly (zelené), karotenoidy (červené) obklopuje reakční centrum.

Fycobillisomy zachycují světlo u kyanobaktérií a červených řas (chaluh). Mezi 470 do 650 nm – zelená a žlutá část. Čím zachycují světlo řasy nebo baktérie žijící pod vodou, kde se ve vrstvě vody zachytí velká část modré a červené části spektra ? Protein fykoerythrin obsahující fykoerthrobilin vázaný na Cys