Fotosyntéza I. Primární fotochemické procesy na thylakoidní membráně Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012 Fotosyntéza I. Primární fotochemické procesy na thylakoidní membráně Tomáš Hájek tomas.hajek@prf.jcu.cz Jiří Šantrůček

Máte na to !? 1/ Jaký je význam slova „foto-syntéza“ ? 2/ Jaký má fotosyntéza význam pro život na Zemi ? 3/ Dokážete pojmenovat vstupy a výstupy ? Odkud pochází kyslík? 4/ Kde k fotosyntéze dochází ? Pochod, kterým jsou autotrofní rostliny, řasy a někteří prokaryonti schopni energii slunce svázat do chemických vazeb se nazývá fotosyntéza (syntéza světlem). Pro naprostou většinu života na Zemi je prvotní energií zářivá energie slunce. Fotosyntéza je primárně zodpovědná za existenci veškeré organické hmoty, fosilních paliv a za podporu heterotrofního života na Zemi. Kromě toho jako vedlejší produkt „může“ fotosyntéza za přítomnost kyslíku v atmosféře nutného pro respirační aktivitu organismů (přesto lze kyslík považovat za odpadní produkt fotosyntézy, který působí ve fotosyntetickém aparátu na světle toxicky…) Fotosyntéza zahrnuje komplex reakcí a dějů provázejících zachycení sluneční energie, štěpení kyslíku, transport elektronů a produkci ATP a NADPH – to vše na membránách uvnitř chloroplastů (thylakoidech). Dále pak enzymové procesy fixace CO2 z atmosféry a jeho primární přeměny v cukry – ve stromatu (polotekuté fázi) choroplastů. Chloroplasty jsou zelené buněčné organely v buňkách listové tkáně nazývané mezofyl.

cukry O2 foton CO2 ATP, NADPH H2O Fotosyntéza – zjednodušená časoprostorová škála Fotosyntéza zahrnuje komplex reakcí a dějů provázejících zachycení sluneční energie (fotonu), štěpení vody na kyslík a protony, transport elektronů a produkci ATP a NADPH – to vše na membránách uvnitř chloroplastů (thylakoidech). Dále pak enzymové procesy fixace CO2 z atmosféry a jeho primární přeměny v cukry – ve stromatu (polotekuté fázi) choroplastů. Chloroplasty jsou zelené buněčné organely v buňkách listové tkáně nazývané mezofyl. O2 foton (400-700 nm) CO2 ATP, NADPH H2O Passioura, Plants in Action

Obsah Přehled fotosyntézy: Bilance: vstupy a výstupy Místo činu: Chloroplast (anatomie) Co se v chloroplastech děje? A jak se na to přišlo? Thylakoidní membrána, primární procesy Enzymatické (sekundární) pochody ve stromatu: příště… Primární pochody a struktury ve fotosyntéze: Absorpce světelného kvanta – pigmenty Separace náboje Transport elektronů Syntéza ATP, NADPH Ochrana fotosyntetického aparátu a regulace pochodů při fotosyntéze

Co to je, když se řekne: Autotrofní: Fototrofní: Heterotrofní: Budeme mluvit o autotrofních (z řečtiny „živících se sami“) organismech tj. takových, kteří využívají jako jediný zdroj uhlíku CO2 z atmosféry (opakem jsou heterotrofní). A o organismech fototrofních, kteří jako zdroj energie umí využívat světlo (zářivou energii o vlnové délce cca 400-700 nm). 5

Přeskočme pro tuto chvíli počátky vývoje poznání fotosyntézy od 16 do konce 18 století, kdy už učení lidé věděli, že rostlina potřebuje vodu, mění složení atmosféry, potřebuje k tomu světlo, že vyděluje kyslík a pohlcuje CO2.

Souhrnná rovnice fotosyntézy CO2 + 2H2O  (CH2O) + O2 + H2O h. oxygenní fotos.: vyšší i nižšší rostliny, řasy sinice Jean Baptiste Boussingault 1864: CO2/O2 1 CO2 + 2H2S  (CH2O) + 2S + H2O h. anoxygenní fotos.: fotosyntetické bakterie Po pečlivých manometrickým měřeních francouze Jean Baptiste Boussingaulta (1864) bylo možné zjistit, že množství O2 a CO2, které rostlina vyměňuje s atmosférou jsou stejná. Zjistil také, že redukční stav fixovaného CO2 je totožný s uhlovodíky – cukry – tj. že na jeden uhlík se kombinuje kyslík a vodík v poměru 1:2. Proto bylo možné napsat rovnici fotosyntézy jak ji známe dnes. O dalších 80 let později: Nizozemský chemik-mikrobiolog Van Niel při práci s purpurovými a zelenými bakteriemi (v USA, Univerzita Stanford, kam odešel po PhD) zjistil, že vodík z jakékoli oxidovatelné sloučeniny může redukovat CO2. Tedy, že fotosyntéza je světlelně závislá redox reakce. CO2 + 2H2A  (CH2O) + 2A + H2O h Donor elektronů fotos. obecně: Van Niel 1941: oxidačně-redukční povaha Fotosyntéza je světelně závislá redox reakce

Místo činu

Chloroplast = fotosyntetická organela eukaryot vnější membrána vnitřní membrána Chloroplast = fotosyntetická organela eukaryot Am = škrobová zrna Th = thylakoid (stromatální) G = grana Pg = plastoglobuly Endosymbiotický původ

Chloroplast - fotosyntetická organela eukaryot

Eukaryontní buňka: chloroplast A = škrobové zrno, G = grana Pg = plastoglobuly Co se děje v chloroplastech? A jak se na to přišlo? Cornelius Van Niel oddělení oxidační a redukční části fotosyntézy: 2H2OO2+4e-+4H+ CO2+4e- +4H+(CH2O)+H2O Robert Hill (30-tá léta 20. stol.), akceptory elektronů, na světle měřil produkci O2 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, CO2 se fixuje ve tmě (oddělitelné) Melvin Calvin & …… (50-60 l. 20. stol., sled enzym. reakcí) Co se děje v chloroplastech? A jak se na to přišlo? Začátky: Joseph Priestley - produkce kyslíku (1771), Jan Ingenhousz - světlo (1779). V druhé polovině 19. století se už znala bilanční rovnice fotosyntézy. C. Van Niel (mikrobiolog, Stanfordská univ., USA) fotosyntéza je světlem poháněná redoxní reakce, ve které vodík z oxidovatelné sloučeniny redukuje oxid uhličitý na buněčný materiál. To, že fixace CO2 a produkce kyslíku nejsou nutně spojeny ukázal už ve 30-tých letech Robert Hill, který dodával různé i anorganické akceptory elektronů (Fe 3+ soli) a na světle měřil produkci O2 z vody (tzv. Hillova reakce). Tak se dodnes měří aktivita komplexů na thylakoidních membránách, které se účastní zachycení světelné energie a štěpení vody. Mezi léty 1932-1955 Robert Emerson a jeho student William Arnold ukázali kolik je třeba molekul chlorofylu pro jednu fotochemickou událost (překvapivě ne 1 ale 2500). Kvantová potřeba pro vydělení kyslíku (spor s Otto Warburgem). Emersonovo zvýšení produkce O2 při současném červeném a dlouhém červeném světle. Daniel Arnon (1954) Izolované chloroplasty jsou sto vázat CO2 a vytvářet z něj cukry (použil izotopově značený 14CO2). Ukázalo se také, že celý tento proces se skládá ze dvou relativně nezávislých pochodů: 1) na světle se produkuje ATP (energie), NADPH (látka schopná redukce) a kyslík a 2) i bez světla pak může proběhnout fixace CO2. Brzy poté se zjistilo, že fixace CO2 probíhá cyklickou enzymatickou cestou nazvanou po objevitelích Calvinův nebo Calvin-Benson-Basshamův cyklus nebo také cyklus fotosyntetické redukce uhlíku (photosynthetic carbon reduction cycle, PCR). Objeveno Melvin Calvin-em, James Bassham-em a Andrew Benson-em na kalifornské univerzitě v Berkeley U,K 101

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

Primární fotosyntetické procesy = zachycení světelné energie na thylakoidní membráně chloroplastů Primární fotosyntetické procesy bývaly označovány jako „světelná fáze fotosyntézy“ zatímco sekundární děje jako „temnostní fáze fotosyntézy“ (protože zde nedochází k zachytávání světelné energie. Zde se snažíme toto označení raději nepoužívat, protože je zavádějící (sekundární děje probíhají většinou na světle a světlo zde bývá nezbytné pro aktivaci některých enzymů).

Musí existovat dva spřažené mechanismy přeměny světla v chloroplastu. Z čeho to vyplynulo? Experimentální efekt ukazující, že musí existovat dva spolupracující mechanismy – tzv. fotosystémy – z nichž každý „pracuje“ při trochu jiné vlnové délce světla (první při dlouhém červeném světle – far red, druhý při krátkém červeném, red). Rychlost fotosyntézy při společné funkci obou (pík vpravo) je více než dvojnásobkem každého zvlášť.

Karikatura toku elektronů thylakidní membránou Karikatura, která znázorňuje jak se vytváří rozdíl elektrochemického potenciálu na thylakoidní membráně chloroplastu. Dopad a absorpce fotonů (dodání energie z vnějšího prostředí) reakčními centry PS II a PS I a jejich anténami jsou znázorněny v podobě „skřítků s kladivem“, kteří vyrazí elektron na vyšší hladinu energie. Ten jde potom samospádem dolů (a přitom někde i roztáčí „kolo“ a žene tak další procesy jako transport protonů přes membránu) což je analogie membránových přenašečů elektronů a končí zachycen v koši – analogie vysoce-energetických redukovaných sloučenin (NADPH) využitelných při fixaci CO2 v Calvin-Bensonově cyklu ve stromatu thylakoidů. PS II PS I

Řetězce přesunu elektronů v thylakoidní membráně - Z schéma Jiné (vědečtější než předchozí) schéma téhož – tzv. Z-schéma přenosu elektronu v thylakoidní membráně se škálami redox potenciálu a volné energie. P680 a P700 jsou reakční centra PS II a PS I napojená na své antény (světlosběrné komplexy). Označení podél dráhy elektronu (plastochinon, cytochrom b6f, plastocyanin, feredoxin (FD)) jsou názvy přenašečů elektronů v nebo na povrchu thylakoidní membrány.

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

…a zase trochu jinak Zde je již patrné, že se z vody nevyužije pouze elektron (který nakonec dá vzniknout NADPH nutné pro fixaci CO2), ale i protony. Ty, spolu s protony, které elektron při své cestě membránou „přečerpá“ ze stromatu chloroplastu dovnitř tylakoidu (viz cytochrom b6/f) pak slouží jako hnací síla pro syntézu ATP, které poslouží jako zdroj energie pro fixaci CO2.

Membránová organizace Z-schématu ! Zde je již patrné, že se z vody nevyužije pouze elektron (který nakonec dá vzniknout NADPH nutné pro fixaci CO2), ale i protony. Ty, spolu s protony, které elektron při své cestě membránou „přečerpá“ ze stromatu chloroplastu dovnitř tylakoidu (viz cytochrom b6/f) pak slouží jako hnací síla pro syntézu ATP, které poslouží jako zdroj energie pro fixaci CO2. OEC

Řetězce přesunu elektronů a protonů v thylakoidní membráně Ještě realističtější schéma prostorového uspořádání chlorofyl-proteinových a proteinových komplexů v thylakoidní membráně chloroplastů včetně kyslík vyvíjejícího komplexu (ZY) v blízkosti P680 centra PS II a protonové ATP-ázy.

schéma thylakoidní membrány s vybranými základními bílkovinnými komplexy Stromatální část thylakoidní membrány K oběma fázím fotosyntézy, dříve zvaným světelná a temnotní, dochází v různých částech chloroplastu. V membránách thylakoidů jsou komplexy bílkovin nazývané fotosystém dva (PS II) a fotosystém jedna (PS I) v jejichž reakčních centrech se mění energie světla (tj. fotonů zachytávaných molekulami chlorofylu na jiných membránových chlorofyl-bílkovinných komplexech, tzv. anténách nebo světlosběrných komplexech - light harvesting complex LHC a předávaných do reakčního centra PS II nebo PS I) na elektrochemickou energii separovaného náboje. PS II a PS I musí spolupracovat - jsou součástí řetězce transportu elektronů, který přesouvá elektrony z lumenu (vnitřku thylakoidů), kde se produkují při štěpení vody na části PS II zvané kyslík vyvíjející komplex, na vodorozpustnou redox- sloučeninu NADP+ vně thylakoidů. V lumenu chloroplastů se na světle hromadí protony (H+) z rozštěpené vody. Gradientu protonů mezi vnitřkem a vnějškem thylakoidu využívá v thylakoidní membráně umístěná ATP-áza k syntéze ATP. Tento bílkovinný v membráně umístěný komplex ATP-ázy se také nazývá „spřažovací faktor“ (angl. coupling factor). Za zmínku stojí, že PS II a jeho LHC (LHC2) jsou umístěny v thylakoidních membránách nahloučených v granech, zatímco PS I a LHC I je thylakoidech mimo grana (viz obr.). Granální část thylakoidní membrány vnitřek tzv. lumen thylakoidu Komplexy ATP-syntázy U,K 100

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

Pigmenty a antény

Zelenou barvu rostlin způsobuje chlorofyl Zelenou barvu rostlin způsobuje chlorofyl. Téměř všechny fotosyntetické organismy jej obsahují. Tetrapyrolový kruh Rostliny, řasy a sinice (cyanobacteria) syntetizují světlo absorbující pigment = chlorofyl. Anaerobní fotosyntetické bakterie produkují variantu chlorofylu, které se říká bakteriochlorofyl. Molekula chlorofylu je složena z tetrapyrolového kruhu (porfyrinu), struktury kterou lze nalézt také v hemoglobinu a v cytochromech. Ale chlorofyl váže v centru tetrapyrolového kruhu hořčík (Mg), zatímco v hemu je atom železa. Navíc v chlorofylu je na jeden kruh vázán dlouhý (C20) hydrofóbní řetěz – tzv. fytol, který jej ukotvuje v membráně thylakoidu. Syntéza chlorofylu v rostlinách a hemu u živočichů mají společné prekurzory – glutamovou kyselinu, z které se syntetizuje kyselina d-aminolevulová (ALA). Předposlední krok syntézy chlorofylu – redukce protochlorofylidu na chlorofyl vyžaduje u většiny rostlinných druhů světlo. Výjimkou jsou nahosemené a výtrusné cévnaté rostliny,řasy a fotosyntetické bakterie, které mohou syntetizovat chlorofyl i ve tmě. Poslední krok v syntéze chlorofylu je esterifikace fytolového ocasu. Chlorofyl b se syntetizuje z chlorofylu a oxygenázou, která převádí metylovou skupinu na druhém kruhu na formylovou. Fytol (C20)

Rostlina je zelená díky chlorofylu. Ale proč je chlorofyl zelený? Absorpce světla (fotonu) vede k přesunu molekuly do tzv. „excitovaného stavu“ Malé změny v substituentech na pyrolech způsobují významné změny v absorpci záření (světla) – viz absorpční spektra chorofylu a a b na horním obrázku. Chlorofyl je zelený proto, že absorbuje světlo vlnové délky 430 nm (modré) a 680 nm (červené) více než zelené (kolem 530 nm). Zelené světlo se tedy odráží a my ho vnímáme jako listovou zeleň.

závislost fotosyntézy (produkce kyslíku, rychlosti fixace CO2) Akční spektrum = závislost fotosyntézy (produkce kyslíku, rychlosti fixace CO2) na kvalitě světla. První akční spektra měřená Engelmannem koncem 19 století. Vláknitou řasu Spirogyra se spirálním chloroplastem a v suspensi s bakteriemi vyžadujícími kyslík a pohybujícími se za ním ozářil spektrem. U modré a červené je kumulace bakterií. Engelmannův pokus konec 19 století

Co se děje s molekulou chlorofylu při absorpci světla? Modré světlo může excitovat chlorofyl do vyššího energetického stavu než červené světlo. Deexcitace se děje: teplem nebo fluorescencí nebo fotochemií neboli rezonančním transportem Fluorescence chlorofylu je vždy v „délevlnnější“ červené oblasti (zákon o zachování energie). Co se děje s molekulou chlorofylu při absorpci světla? Existuje tzv. základní stav molekuly (ground state) a excitovaný stav chlorofylu ve dvou stupních. Ten s nižší energií se nazývá první excitovaný singletní stav (hladina) a ten s vyšší druhý excitovaný singletní stav (singletní znamená, že elektrony ve valenční slupce mají opačnou rotaci – spin). Excitované singletní stavy mají velmi krátkou dobu života (řádově pikosekundy tj. 10-12 s) , po jejichž uplynutí mají tendenci se vrátit do základního stavu. Foton červeného světla má nižší energii, která stačí jen na excitaci do prvního singletního stavu. Do druhého excitačního stavu může molekulu chlorofylu excitovat modré světlo. Návrat do základního stavu musí být provázen disipací (rozptýlením) přebytečné energie. V zásadě existují tři formy disipace: tepelná, zářivá tj. tzv. fluorescence nebo fotochemická – tj. rezonanční přenos energie (excitonu) na jinou sousední molekulu chlorofylu. Fotochemický přenos v rostlinách dominuje ale jsou situace, kdy vzrůstá fluorescence a teplotní disipace. Fotochemickému přenosu napomáhá uspořádání molekul chlorofylu do tzv. světlosběrných komplexů – antén. Energetický rozdíl excitovaného a základního stavu (Ee-Eg) se dá spočítat z Planckovy konstanty h (6,626 x 10-34 J s), rychlosti světla c (3,0 x 108 m s-1) a vlnové délky světla l (400-700 x 10-9 m).

Proč musí existovat antény? Představte si, že každý z vás zde sedících stavíte dům, každý si najmete si partu dělníků, jeřáb … Máte ale jen jedno auto na dovoz cihel a ještě takové, které uveze jen dvě cihly. Za takové situace bude každý z vás čekat třeba týden na další dvě cihly a přitom budete živit a platit partu stavařů a stroje kolem. V takové nějaké situaci by bylo reakční centrum PS pokud by neexistovaly antény. Chlorofylové antény rostlin (vpravo nahoře): Anténní chlorofyly (s vyšším podílem chl. b) sbírají energii absorbovaných fotonů a předávají ji na speciální pár molekul chlorofylů v reakčním centru fotosystému. Vysokoenergetický elektron pak odchází do elektron-transportního řetězce. Jsou umístěny v thylakoidní membráně. Nechlorofylové antény (fykobilisomy) sinic a červených řas (vlevo dole) obsahují fykobilinové pigmenty kovalentně vázané na proteiny a tvoří tyčovité struktury. Světlo kratších vlnových délek se absorbuje na periferii fykobilisomů fykoerytrinem (PE) a energie se přenáší na PS II v thylakoidech vnitřními pigmenty, které také absorbují světlo o delší vlnové délce, fykocyaninem (PC) a alofykocyaninem (AP). Fykobilisomy jsou umístěny na vnějším povrchu thylakoidní membrány. Pro resonanční přenos energie v anténách je důležité těsné sousedství molekul chl. Účinnost přenosu se zmenšuje s 6-tou mocninou vzdálenosti molekul. Jde o přenos rezonancí většinou s účinnosti přes 99%. Ke každému reakčnímu centru je v anténě vázáno zhruba 250 molekul chlorofylu. Schéma fykobilisomu sinic PE=fykoeritrin, PC=plastocyanin, AP=allofykocyanin Model antény a reakčního centra

Reakční centrum PSII včetně kyslík vyvíjejícího komplexu (OEC)

Struktura reakčního centra PSII u oxygenních organismů Struktura reakčního centra PSII u oxygenních organismů (vyšších rostlin, řas, sinic) Struktura reakčního centra PS II – schéma. V reakčním centru jsou dva hlavní proteinové podjednotky D1 a D2. Elektrony se přenášejí z P680 (speciální pár molekul chlorofylu) na pheofytin (Pheo) a pak na molekuly plastochinonů QA a QB. P680+ kation je redukován elektronem z vody, který přešel na Z (tj. tyrosin obsahující část proteinu D1). Spodní část ukazuje manganový klastr, který oxiduje (štěpí) vodu. CP43 a CP47 jsou proteiny, které váží chlorofyl a. D1 podjednotka je náchylná k poškození nadměrnou ozářeností (silným světlem) a proto má rychlý obrat syntézy a degradace.

Oxidace vody akumulace náboje 2H2O  O2+4H+ + 4e- Přenos energie na P680 u vyšších rostlin vede k oxidaci P680 a tím k produkci silného oxidantu, který je sto oxidovat vodu a uvolnit přitom molekulární kyslík (O2). (redox potenciál přechodu P680/P680* musí být větší než +820 mV – viz Z-schéma, protože to minimálně je třeba k rozštěpení vody). Oxidace vody ale není přímý proces. Vyžaduje kumulaci náboje. To bylo potvrzeno experimentálně pomocí krátkých jednofotonových záblesků. První dva záblesky nevyvolaly téměř žádnou produkci kyslíku (viz graf vlevo). Ta byla maximální až při třetím záblesku a pak při každém čtvrtém. Po velkém počtu záblesků se produkce kyslíku ustálí na nějaké stálé hodnotě. Zařízení na kumulaci náboje vypadá asi tak jak je namalované ve schématu vpravo. Stav S1 je charakteristický pro temnotně adaptovaný chloroplast. Teprve stav S4 je dost silný oxidant a je schopen oxidovat vodu (uvolnit 4 elektrony a dva protony) a vrátit se do stavu S0. Po absorpci dalšího kvanta fotonu pak přejde do stavu S1. Při experimentu může dojít k „minutí“ P680, dvojité excitaci nebo k relaxaci zpět na S0. To vše způsobí, že po mnoha excitacích je produkce kyslíku ustálená a nevykazuje čtyřdobou periodicitu. Oxidace vody vyžaduje jako kofaktor v proteinovém klastru mangan (Mn), anion chloru (Cl-) a vápenaté kationty (Ca2+). Detaily struktury klastru se zatím neznají. temnotně adaptovaný stav

Fotofosforylace, ATP-syntáza

Pokus Jagendorfa a spol Pokus Jagendorfa a spol. (uvedeno v Taiz a Zeiger), který ukazuje, že delta pH přes thylakoidní membránu je hnací silou pro syntézu ATP z ADP a P: 1) vyrovnat pH v chloroplastech v pufru o pH=4; 2) přenést do media s pH=8. Tím dojde k tomu, že uvnitř thylakoidů je pH=4 a vně pH=8. 3/ přidat ADP+P, měřit syntézu ATP. Toto byl názorný příklad, který potvrdil platnost Michelovy chemiosmotické teorie. pokus Jagendorfa

Membránová organizace Z-schématu Pro oživení paměti: Vedle obou fotosystémů, světlosběrných antén a elektrontransportního řetězce je v thylakoidní membráně další významný proteinový komplex, protonová ATP-syntáza. Ta využívá gradientu protonů mezi lumenem thylakoidů a stromatem k fosforylaci ADP na ATP. Má dvě základní části, membránovou CF0 a vyčnívající do stromatu CF1. Lumen: nízké pH (nahromaděné H+)

Komplex ATP-syntázy ATP-syntáza využívá gradientu protonů mezi lumenem thylakoidů a stromatem k fosforylaci ADP na ATP. Má dvě základní části, membránovou CF0 a vyčnívající do stromatu CF1. Membránová část je ze tří podjednotek přičemž podjednotka III se několikrát opakuje. Vnější část se skládá z 5 podjednotek označených písmeny řecké abecedy a zajišťuje syntézu ATP. Roli přitom hraje rotující gama podjednotka. Membránová část CF0 umožňuje tok protonů čímž se dodává tzv. proton motorická síla, umožňující rotaci podjednotky gama.

Regulace, ochrana, xantofylový cyklus

Karotenoidy - chemismus Geranylgeranyl difosfát (20 C) Fytoen (40 C, 9 C=C) Fytoflueh (40 C, 10 C=C) -karotén (40 C, 11 C=C) Chlorofyly slouží jako fotosyntetické pigmenty ve většině autotrofních fotosyntetických organismu na Zemi. Ale ve všech bez výjimky jsou obsaženy karotenoidy. Mají dvě podskupiny, karotény, které obsahují systém dvojitých vazeb mezi uhlíky v rovinném řetězci a vodík. U beta a alfa karoténu jsou na koncích rovinného řetězce šetiuhlíkaté kruhy. Hydroxylací karoténů vznikají členové druhé podskupiny - xantofyly, které mají kyslík (OH skupiny) v cyklech na koncích rovinného řetězce. Obě mají 40 uhlíků v řetězci a základní stavební jednotkou je isoprén. Příkladem xantofylů je zeaxantin nebo violaxantin. Desaturací jednoduchých vazeb na dvojné v uhlíkovém řetězci se mění absorpční vlastnosti - karotény se stávají barevnými (obr.). Maxima absorpce karotenoidů je mezi 400-500 nm, v oblasti, kde chlorofyly absorbují jen slabě. Proto karotenoidy slouží jako přídatné pigmenty v anténách. Karotenoidy hrají také roli v ochraně fotosyntetického aparátu před fotopoškozením - fotoinhibicí - při nadměrné ozářenosti (vysokém světle). Je to proto, že karotenoidy jsou sto přebírat excitační energii z tripletního chlorofylu a zabrání tak vzniku kyslíkových radikálů (singletního kyslíku), který jinak poškozuje fotosyntetický aparát (např. poškozuje D1 protein PS II). Při nadbytku světla se mění (deepoxiduje) violaxanthin přes antheraxanthin na zeaxantin, který je hlavně aktivní v disipaci nadměrné energie. V deepoxidační reakci se uvolňuje voda. Při poklesu světla se syntetizuje zpět violaxanthin. Toto se nazývá xantofylový cyklus. 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)

Schéma xantofylového cyklu, mechanismu, jímž se rostliny zbavují přebytečné excitační energie při nadměrné ozářenosti, která by mohla fotosyntetický aparát poškodit. Při nízké ozářenosti je v tylakoidní membráně přítomen pouze Violaxantin. Při větší ozářenosti a tím větším okyselení lumen tylakoidů dojde k přeměně Violaxantinu až na Zeaxantin, který má schopnost odebírat excitovaný elektron chlorofylu a jeho excitační energii zneškodnit přeměnou na teplo. Jinak by se totiž mohlo stát, že by jeho přebytečná energie, která se nestíhá využít ve fotosyntéze, mohla realizovat v tvorbě kyslíkových radikálů, které by pak mohly neřízeně oxidovat a tedy ničit ostatní buněčné struktury (typicky D1 podjednotku PSII). Když intenzita světla poklesne, poklesne i pH v lumen tylakoidlů a Zeaxantin se zase přemění na jinak neaktivní Violaxantin. Ještě k těm kyslíkovým radikálům – je to z našeho pohledu tak trochu paradox, ale produkce kyslíku rostlinám přináší mnoho problémů, od snížení účinnosti fotosyntézy (viz fotorespirace v další přednášce) po riziko poškození kyslíkovými radikály (přesněji řečeno reaktivními formami kyslíku). Kyslík je v podstatě odpad ze štěpení vody, ze které si rostlina vzala jen elektrony a protony. Xantofylový cyklus se nejefektivnějším (nejpružněji reagujícím) mechanismem, kterým se rostlina brání nadměrné excitaci. Dalším, již pomalejším mechanismem je především regulace obsahu chlorofylu v listech (na slunci je potřeba méně chlorofylu než ve stínu; rostlina se na dané podmínky musí aklimatizovat).

! Xantofylový cyklus Antioxidanty Pigmenty xanthofylového cyklu předchází tvorbě toxických produktů – reaktivních forem kyslíku – tím, že velkou část nevyužitelné excitované energie přemění na neškodné teplo. Antioxidanty

Otázky, shrnutí 1) Dokázali byste odvodit, kolik fotonů (jednofotonových záblesků) musí chlorofyly RC fotosystémů zachytit, aby se vyvinula jedna molekula kyslíku a proces kontinuálně probíhal? 2) Na kterých dvou místech je spojen transport elektronů s transportem a tvorbou protonového gradientu? 3) Jak se rostlina brání nadměrné ozářenosti (na úrovni thylakoidů)?