Przetwarzanie energii

Fotosynteza

Konwersja energii promieniowania elektromagnetycznego w energię wiązań chemicznych (u chemoautotrofów energia pochodzi z utleniania zw. chemicznych)

Fakt, że przyrost masy roślin fotosyntezujących pochodzi z innego źródła niż ziemia wydedukował Jan Helmont.

Rozdzielenie przestrzenne fazy jasnej i ciemnej

Fosforylacja fotosyntetyczna cylkiczna

Jest uważana za starszą ewolucyjnie. Może przebiegać w dwojaki sposób. Wytworzenie gradientu protonowego możliwe jest także bez udziału fotoukładu II. Przenoszenie protonów przez błonę tylakoidów bez rozkładu wody określane jest jako fosforylacja cykliczna. Podczas niej elektron wybity z centrum reakcji fotoukładu I (P700) przekazywany jest przez szereg przenośników na ferredoksynę. Z ferredoksyny jednak nie trafia na NADP+, lecz jest przenoszony na kompleks cytochromów b₆f. W efekcie reakcji zachodzących na kompleksie następuje przeniesienie protonów w poprzek błony tylakoidów i wytworzenie gradientu protonowego. Z kompleksu cytochromów b₆f elektron służy do redukcji plastocyjaniny utlenianej przez P700+. Powstała w wyniku cyklu reakcji reakcji różnica stężeń protonów wewnątrz i na zewnątrz tylakoidu dostarcza energii do syntezy ATP odbywającej się na kompleksie syntazy ATP. Kluczowym elementem biorącym udział w cyklicznym transporcie elektronów jest enzym przenoszący elektrony z ferredoksyny na kompleks cytochromów b6f. Przeniesienie to może odbyć się na kilka sposobów. Elektrony z ferredoksyny może pobierać oksydoreduktaza ferredoksyna-plastochinon (FQR). W efekcie wytwarzany jest zredukowana forma plastochinonu biorąca udział w cyklu Q. Przeniesienie elektronów na plastochinon może również zachodzić dzięki dehydrogenazie plastopchinon-NAD(P)H (Ndh). Trzecią możliwością jest bezpośrednie przeniesienie elektronów przez reduktazę ferredoksyny (FNR) na kompleks cytochromów b₆f, gdzie posłużą do redukcji plastochinonu.

Fosforylacja fotosyntetyczna niecykliczna

Proces fotosyntezy w przypadku roślin i sinic daje ATP i NADPH bezpośrednio na drodze dwustopniowego procesu – fotofosforylacji niecyklicznej. Dzięki dwóm rodzajom fotosystemów biorącym udział w procesie, elektrony mogą być transportowane od cząsteczki wody do NADPH. Kiedy wysokoenergetyczne elektrony przechodzą przez sprzężone fotosystemy, aby wygenerować NADPH, część z ich energii jest wykorzystywana do syntezy ATP.

Pierwszy z dwóch fotosystemów – nazywany fotosystemem II (ze względu na kolejność odkrycia) – ma wyjątkową zdolność do pochłaniania elektronów z cząsteczki wody. Cząsteczka tlenu z dwóch cząsteczek wody łączą się z kompleksami manganowymi przy udziale słabo poznanego enzymu. Enzym ten umożliwia usunięcie elektronów w miarę zapotrzebowania, aby zapełnić „dziurę po elektronie” wybitym przez światło z cząsteczki chlorofilu. Po wybiciu każdych 4 elektronów powstaje jedna cząsteczka O₂. A zatem fotosystem II katalizuje reakcję:

$2\ H_{2}O + 4\ \gamma\ \rightarrow 4\ H^{+} + 4\ \overset{\overline{}}{e} + O_{2}$ (γ−foton)

Mechanizm ten, dostarczając tlen do łańcucha przenośników elektronów w mitochondriach, zapobiega powstawaniu niebezpiecznych dla komórki rodników tlenowych.

Główna część reakcji przebiega podobnie w przypadku bakterii. W wyniku przemian w fotosystemie II powstaje też donory elektronów w postaci zredukowanego chinonu rozpuszczonego w dwuwarstwie lipidowej błony. Chinony przekazują elektrony do pompy protonowej – kompleksu cytochromu b6-f, który budową przypomina kompleks cytochromu b­-c1 w łańcuchu oddechowym mitochondriów. Cytochrom b6-f przekazuje jony H+ przez błonę tylakoidu, do jego wnętrza (w przypadku sinic – z cytozolu przez błonę). Skutkiem tych przemian jest gradient elektrochemiczny, który pozwala na synezę ATP przy udziale enzymu syntazy ATP.

Ostatnim akceptorem elektronów w opisanym łańcuchu przenośników elektronów jest drugi fotosytem (fotosytem I), który również przyjmuje elektrony do „dziury” powstałej po wybiciu elektronu przez światło. Każdy elektron, który zostanie przyłączony do fotosystemu I jest wzbudzany do poziomu, dzięki któremu może przejść przez centrum żelazowo siarkowe w ferrodoksynie do NADP+.

Powyższy schemat pokazuje zmianę potencjału redoks w trakcie fotosyntezy.

Chemiosmoza – biosynteza ATP

Chemiosmoza jest procesem biochemicznym, polegającym na przemieszczaniu protonów przez błony białkowo-lipidowe z wytworzemiem ATP. Tak więc elementami niezbędnymi do zajścia chemiosmozy są: źródło wysokoenergetycznych elektronów (światło lub utlenianie) błona białkowo-lipidowa oraz osadzone w niej pompa protonowa oraz syntaza ATP. Protony pochodzą z cząsteczek wody. Mechanizm ten wyjaśnia powstawanie ATP w mitochondriach.

Faza ciemna fotosyntezy – biosynteza glukozy C₃, C₄, CAM

Cząsteczki ATP powstałe w fazie ciemnej fotosyntezy są bardzo reaktywne, a więc aby mogły zostać zmagazynowane, muszą ulec przemianie w glukozę. Energia zmagazynowana w cząsteczce glukozy jest stabilna, może być transportowana, przechowywana lub wykorzystana jako źródło szkieletu węglowego. Rośliny wszystkich typów syntezują cząsteczkę glukozy na drodze cyklu Calvina. Różnią się jedynie akceptorami CO2.

Rośliny C₃

Rośliny C₃ były podstawą badań nad fotosyntezą

Akceptorem CO₂ jest cukier 5-cio węglowy – rybulozo-bis-fosforan (RuBP).

Cykl Calvina – jedyny szlak u roślin C₃.

Aldehyd 3-fosfoglicerylowy może być zużyty do syntezy skrobii, przetworzony na sacharozę (forma transportowa) lub na glukozę (pirogronian) i przetransportowana do mitochondriów.

Synteza skrobii

Magazynowanie energii w postaci glukozy jest bardzo dużym obciążeniem dla rośliny, ponieważ wymaga ona dużego uwodnienia. Łatwiej jest więc magazynować energię w postaci skrobi. Skrobia składa się z dwóch wielocukrów: amylozy i amylopektyny. Amyloza powstaje w wyniku polimeryzacji cząsteczek glukozy. Synteza amylopektyny wymaga udziału enzymu syntazy skrobi i energii z ATP.

Karboksylaza/oksygenaza RBP (RuBisCo)

• 50%białek liści – najpowszechniejsze białko biosfery

• Produkcja ok 4*10⁹ton/rok

• Dwie podjednostki. Są kodowane przez:

• L-DNA chloroplastowe

• S-DNA jądrowe

• Aktywność wielu enzymów fazy ciemnej, np. Rubisco, kinazy rybulozo-5-fosforanu stymulowana przez alkalizację stromy – pH=8.

• Do aktywacji Rubisco potrzebne są jony Mg²⁺.

• Redukcja mostków disiarczkowych przez tioredoksynę (zredukowana ferrodoskyna) – akt. Innych enzymów cyklu.

• Do działania enzymu konieczne jest odpowiednie stężenie produktów cyklu Calvina-Bensona.

• Karboksylaza może działać również jako oksygenaza.

Fotooksydacja

Fotooksydacja nie jest energetycznie korzystna dla rośliny, ponieważ bilans cz. Wysokoenergetycznych jest ujemny.

Rośliny C₄

Rośliny tego typu wytworzyły inny mechanizm asymilacji węgla aby nie doprowadzać do fotooksydacji.

W roślinach typu C₄ produktem przejściowym asymilacji węgla jest 4-węglowy kwas (jabłczan).

Koszt transportu CO₂ – 2 ATP

Koszt asymilacji CO₂ – 5 ATP

Rośliny CAM

Dodatkowo przystosowały się do trudnych warunków atmosferycznych. Wytworzyły rozgraniczenie czasowe pomiędzy procesem asymilacji, a fotosyntezy. Nocą, kiedy temperatura spada roślina może sobie pozwolić na otwarcie aparatów szparkowych. Syntezuje wtedy duże ilości fosfoenylopirogronianu, który łączy się z CO₂. CO₂ jest syntezowany do jabłczanu i magazynowany w wakuoli. Za dnia, kiedy dostępna jest energia świetlna, CO₂ zmagazynowany w wakuoli jest włączany do cyklu Celvina. Taki przebieg asymilacji i fotosyntezy jest korzystniejszy, niż w przypadku roślin C₄, ponieważ CO₂ nie musi być transportowany przez różne elementy liścia.

Sumaryczne równania fotosyntezy roślin C₃

Reakcje zależne od światla:

12 H₂O + 12 NADP⁺ + 18 ADP + 18 P_i = 6 O₂ + 12 NADPH + 18 ATP

Reakcje niezależne od światła:

12 NADPH + 18 ATP + CO₂ = C₆H₁₂O₆ + 12 NADP⁺ + 18 ADP + 18 P_i­ +6 H₂O

Sumaryczne równania fotosyntezy roślin C₄

Reakcje zależne od światla:

12 H₂O + 12 NADP⁺ + 23 ADP + 23 P_i = 6 O₂ + 12 NADPH + 23 ATP

Reakcje niezależne od światła:

12 NADPH + 23 ATP + CO₂ = C₆H₁₂O₆ + 12 NADP⁺ + 23 ADP + 23 P_i­ + 6 H₂O