slajd 2/19

Sens fazy jasnej: transformacja energetyczna:

energia kwantu światła energia wiązania w ATP

Siła asymilacyjna: ATP, NADPH

W błonach tylakoidów umieszczone są elementy odpowiadające za transport elektronów inicjowany absorpcją energii świetlnej. Prowadzi on do generowania gradientu potencjału chemicznego (różne ładunki po obu stronach błony)

Na łańcuch transportujący elektrony (e^-) składają się:

• integralne (nieruchome) składniki błon

• PS II

• kompleks cytochromów b₆f

• PS I

• reduktaza NADP (przenosi e^- na NADP, redukując go do NADPH)

• elementy ruchome - funkcjonują pomiędzy integralnymi

• plastochinon - penetruje błonę w poprzek, odbiera e^- z PS II ze stromy, oddaje na stronie lamelarnej; transportuje także protony ze stromy do światła tylakoidu

• plastocyjanina - ślizga się po powierzchni wewnątrz tylakoidu

• ferredoksyna - związana od strony stromy, ślizga się po powierzchni błony

Po wybiciu elektronu z PS II powstaje „dziura”. Musi ona zostać zapełniona, dlatego istnieje układ enzymatyczny rozkładający wodę. Posiada on centrum manganowe (4Mn)

2 H₂O 4 H⁺ +O₂ (e^- do stromy, H⁺ do lumen)

W świetle tylakoidów gromadzą się protony. Ich gradient wykorzystywany jest przez syntazę ATP, która wyrzuca protony do stromy, a energię uzyskaną z wyrównywania potencjału elektrochemicznego wykorzystuje do utworzenia ATP.

slajd 3/19

Spontaniczne przekazywanie e^- jest możliwe, gdy akceptory mają potencjał redoks niższy od donora.

Cząsteczka chlorofilu a musi dostać odpowiednią porcję energii. Pobudzenie jednej cząsteczki nie wystarczy - potrzebny cały system anten, barwników otaczających koncentrycznie specjalną parę cząsteczek chlorofilu. Najbardziej zewnętrznie położone są karotenoidy, bliżej inne cząsteczki chlorofilu b i a. Takie uporządkowanie umożliwia przekazywanie energii. Zaburzenia struktury doprowadzają do rozpraszania światła, wskutek czego cząsteczki w centrum reakcji fotochemicznej nie ulegają wzbudzeniu.

slajd 4/19

Barwników antenowych (LHC) wokół PS II jest dużo więcej.

Monomer LHC zawiera trzy transmembranowe helisy, które wiążą 12 cząsteczek chlorofilu a i b oraz karotenoidy. Monomery łącza się w trimery zasocjowane z rdzeniem PS II poprzez monomery LHC6. Trimeryczne układy mogą dysocjować od fotosystemu II i przesuwać się w kierunku fotosystemu I (wyrównanie energii, by nie tworzyły się rodniki)

System LHC I jest na stałe zasocjowany z PS I

slajd 5/19

Energia absorbowana przez barwniki antenowe przekazywana jest na parę cząsteczek chlorofilu a w centrum aktywnym fotosystemu.

Następuje wzbudzenie chlorofilu a i przekazanie elektronu na kolejny akceptor znajdujący się przy stromalnej powierzchni tylakoidu (w PS II jest to związany plastochinon).

Wtedy ładunek błony po stronie stromalnej jest ujemny, a po stronie lumen dodatni. Separacja ładunku jest nieodwracalna.

Akceptor z dodatkowym elektronem (plastochinon) staje się silnym reduktorem i łatwo oddaje e^- następnej cząsteczce. Pozytywnie naładowana cząsteczka chlorofilu a (która oddała e^- na plastochinon) jest silnym utleniaczem i chętnie odbiera elektron z donora po stronie lumen.

slajd 6/19

Strukturalny model fotosystemu II roślin wyższych i glonów:

• polipeptydy rdzeniowe - zaangażowane w reakcje fotochemiczne

D1,D2 - na nich wszystkie elementy transportujące elektrony w obrębie PS II

• bezpośrednio z nimi zasocjowane są anteny wewnętrzne (C i B) z nimi połączone są cząsteczki chlorofilu a

• polipeptydy tworzące system barwników antenowych (na slajdzie zielone)

w pewnych warunkach LHC 1,2,3 mogą dysocjować i przesuwać się w kierunku PS I

• polipeptydy E i F (fioletowe) - funkcja we właściwym przekazywaniu elektronów, zawierają cytochrom b₅₅₀

• system rozkładający wodę - 5 polipeptydów od strony stromy (białe)

slajd 7/19

Transport elektronów w obrębie fotosystemu II

a) wybicie e^- z P680

↓

przekazanie na pierwszy akceptor związany z D1, czyli cząsteczkę feofityny (chlorofil bez magnezu)

↓

plastochinon związany w miejscu Q_A polipeptydu D1 (może przyjmować tylko 1e^-, nie ma możliwości przejścia w formę chinolową)

↓

plastochinon w miejscu Q_B na D1 (przechodzi w plastosemichinon)

b) dziura elektronowa w P680

↓

wyciąganie elektronu z tyrozyny zlokalizowanej w miejscu Z na D1

↓

tyrozyna poprzez centrum manganowe wyciąga 4e^- z H₂O (by zabrać 4e^- konieczna jest czterokrotna inicjacja reakcji, czyli aktywacja P680)

wyciągnięcie e^- z wody powoduje rozpad na 4H⁺ i O₂ (jednoczesny rozkład 2 cząsteczek H₂O)

centrum rozkładające wodę - 4 atomy manganu - sprzęga usuwanie 4e^- z wody z przekazywaniem e^- na P680; swoisty akumulator

slajd 8/19

Fotooksydacja H₂O (tzw. schemat S)

Centrum rozkładające wodę występuje w stanie podstawowym S₀ i czterech stanach utlenienia S₁ - S₄

utlenienie P680 powoduje wyciągnięcie elektronu z Mn (Mn³⁺ Mn⁴⁺) i tym samym przejście układu za stanu S₀ w stan S₁

ta sama sytuacja powtarza się, aż zostaną utlenione wszystkie 4 atomy magnezu, a układ przejdzie w stan S₄

kiedy układ osiąga najwyższy stan utlenienia, następuje rozkład wody. 4e z tego rozkładu redukują wszystkie atomy Mn; tlen i protony uwalniane są do lumen

przeprowadzono doświadczenie: zawiesinę chloroplastów naświetlano pojedynczymi kwantami światła czerwonego - maksymalne wydzielenie tlenu następowało po czterokrotnym naświetlaniu.

slajd 9/19

plastochinon w miejscu Q_B pozostaje w formie semichinonowej (patrz slajd 7/19) i czeka na drugi elektron (konieczne drugie wzbudzenie P680)

elektron trafia na plastosemichinon, jednocześnie następuje spontaniczne przyłączenie dwóch protonów (pochodzących ze stromy), co powoduje przejście w plastochinol (czyli pełną redukcję)

plastochinol zostaje uwolniony z miejsca Q_B

slajd 10/19

plastochinol (PQH₂) dysocjuje w kierunku kompleksu cytochromu b₆f

wiązany jest od strony lumen w miejscu Q_p - tam następuje utlenienie (jedna reakcja - jednoczesne pozbawienie cząsteczki dwóch elektronów i dwóch protonów)

istnieją dwa akceptory elektronowe:

• 1 elektron trafia na żelazo białka Riskiego (znajduje się ono po stronie lumen, symbol RFeS - układ aktywny przedstawiony na slajdzie), z niego na cytochrom f i potem na plastocyjaninę (PC), wiązaną przez kompleks po stronie lumen

• 2 elektron wiązany jest przez żelazo cytochromu b, następuje zmiana potencjału redoks cytochromu i przekazanie elektronu na plastochinon związany w miejscu Q_n (plastochinon przechodzi w plastosemichinon i pozostaje na miejscu Q_n)

następnym razem (po kolejnej aktywacji P680) plastochinol znów trafia do miejsca Q_p , następuje utlenienie i przekazanie elektronów na akceptory:

• 1 elektron - jak wyżej (plastocyjanina może przyjąć elektron po pozbyciu się poprzedniego)

• 2 elektron wędruje przez cytochrom b na plastosemichinon, tworzy się plastochinol, który znów może być utleniony na cytochromie b₆f

za każdym „obrotem” kompleksu do lumen trafiają 2 H⁺ - plastochinol funkcjonuje jako pompa protonowa (zakwasza wnętrze tylakoidów)

slajd 11/19

plastocyjanina uwolniona z kompleksu cytochromu b₆f wędruje do PS I, gdzie zostaje związana przez polipeptyd F.

oddaje e^- na centrum reakcji fotochemicznej (P700 odbiera elektron od plastocyjaniny tylko po uprzednim wzbudzeniu, w wyniku którego powstaje dziura elektronowa)

e^- z P700 jest przenoszony na cząsteczkę chlorofilu a w miejscu A₀ na polipeptydzie B →

→ potem zgodnie z potencjałem redoks na filochinon (wit. K) w miejscu A₁ →

→ na żelazo centrum żelazowo-siarkowego (F_X) na polipeptydzie A →

→ na żelazo centrów żelazowo-siarkowych (F_A i F_B) na polipeptydzie C → na ferredoksynę

budowa PS I:

• polipeptydy rdzeniowe A-E tutaj wszystkie elementy transportujące,

D i E są zaangażowane w wiązanie ferredoksyny

• polipeptyd F wiązanie plastocyjaniny po stronie lumenarnej

• pozostałe polipeptydy wiążą barwniki antenowe (czyli są antenami); /jasnozielone na slajdzie to anteny zewnętrzne tworzące układ LHC II/

slajd 13/19

LHC II pozostaje w luźnym związku z PS II. Podczas transportu elektronów następuje fosforylacja LHC II na skutek aktywacji kinazy przez plastochinol (PQH₂). Zmienia to na tyle strukturę LHC II, że następuje uwolnienie systemu antenowego z PS II i migracja do lamelli intergranalnych, w pobliże PS I.

„Aktywowany” jest transport elektronów na ferredoksynę i potem NADP⁺. Plastochinol jest utleniany do plastochinonu (PQ). Wysokie stężenie PQ sprzyja defosforylacji LHC II (na skutek aktywacji fosfatazy) i powrotowi kompleksu do tylakoidów granalnych.

W ten sposób LHC II zapewnia równomierną dystrybucję energii pomiędzy dwa fotosystemy. Zapewnia to sprawny transport elektronów i maksymalną produkcję siły asymilacyjnej.

Jeśli wzbudzenie PS II i PS I jest niewspółmierne, może dochodzić do tworzenia niebezpiecznych rodników tlenowych.

slajd 14/19

elektrony z ferredoksyny przekazywane są na reduktazę NADP, następuje także przyłączenie protonu do NADP i powstaje NADPH, element siły asymilacyjnej

transportowi elektronów z wody na NADP⁺ towarzyszy transport protonów ze stromy do lumen i gromadzenie ładunków dodatnich w świetle tylakoidów. To generuje potencjał elektrochemiczny, który stanowi pierwotną siłę protomotoryczną wykorzystywaną przez czynnik sprzęgający (syntazę ATP)

slajd 15/19

gdy pula utlenionych nukleotydów (NADP⁺) jest niewielka, elektrony z ferredoksyny powracają na plastochinon (dzięki enzymowi - oksydo-reduktazie ferredoksyna-plastochinon), a ten przekazuje je na cytochrom b₆f - następuje cykliczny obrót elektronów

znaczenie cyklicznego transportu:

1. nie dochodzi do wytwarzania wolnych rodników w obrębie chloroplastu

2. w poprzek błony tworzony jest gradient protonowy wykorzystywany przez syntazę ATP do syntezy ATP

slajd 17/19

Syntaza ATP:

• ok. 500 kDa

• podobna do V-ATPazy

• podjednostki syntazy tworzą dwa oddzielne sektory - CF₀ i CF₁

• CF₀ - sektor błonowy, funkcjonujący jako kanał protonowy, zbudowany z czterech podjednostek (I, II, III, IV)

• 6-8 kopii polipeptydu III tworzy transmembranowy kanał, przez który w sposób spontaniczny płyną protony

• podjednostki I, II, IV tworzą element stabilizujący całe białko - stabilizator (stator), wzmacniany przez jeden z polipeptydów sektora CF₁

• CF₁ - pozabłonowy, łatwo spowodować jego dysocjację, zawiera centra katalityczne odpowiadające za syntezę ATP, składa się z pięciu podjednostek (α, β, γ, δ, ε)

• α (3x) - podjednostki katalityczne (transformują energię zgromadzoną w formie gradientu potencjału w energię wiązania chemicznego - tworzenie ATP)

• β (3x) - podjednostki regulatorowe

• γ - przenosi na podjednostki α efekty wywołane przepływem protonów przez CF₀ (przepływ H⁺→ rotacja CF₀→ rotacja podjednostki γ→ zmiana położenia w stosunku do α)

slajd 18/19

Mechanizm syntezy ATP zaproponowany przez Paula Boyera zakłada, że energia uwalniana podczas transportu H⁺ przez CF₀ nie jest bezpośrednio wykorzystywana do syntezy wiązania wysokoenergetycznego w ATP, ale do zmian konformacyjnych centrów katalitycznych enzymu, umożliwiających uwalnianie związanej cząsteczki ATP.

CF₁ zawiera trzy centra wiążące nukleotydy, każde z nich może występować w trzech odmiennych konformacjach:

• otwartej (O) - właściwie brak wiązania nukleotydu, bardzo słabe powinowactwo

• luźnej (L) - wiązanie ADP i P_i, średnie powinowactwo

• zamkniętej (T) - wiązanie ATP, wysokie powinowactwo

Zmiany konformacyjne indukowane przepływem protonu przez CF₀ powodują rotację podjednostki γ i wewnętrzną konwersję (zmianę) strukturalną centrów katalitycznych, zmieniającą ich powinowactwo do substratów.

• O L (umożliwia związanie ADP i P_i)

• L T (zbliżenie miejsc związania ADP i P_i , odwodnienie i synteza wiązania

wysokoenergetycznego prowadząca do powstania ATP)

• T O (uwolnienie ATP)

Uwaga! Sama synteza ATP nie wymaga energii, następuje zmiana konformacyjna powodująca zbliżenie ADP i P_i

slajd 19/19

Produkty fazy jasnej fotosyntezy to tzw. siła asymilacyjna:

ATP (adenozyno-5'-trifosforan) - potencjalnie niesie energię

NADPH (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) - nie jest związkiem wysokoenergetycznym, ale to równoważnik redukcyjny (redukcja węgla nieorganicznego i włączanie do związków organicznych)

WYKŁAD: FAZA JASNA FOTOSYNTEZY - 5 -

- 5 -

---