BADANIA NAD FOTOSYNTEZĄ

JOSEPH PRIESTLEY

(XVIIIw)

* Anglik
* odkrył, że „rośliny mogą

naprawiać powietrze zepsute
przez palące się świece”

JAN INGENHOUSZ

* Holender

* stwierdził, że przemiany zachodzące
podczas „naprawiania” zepsutego powietrza

wymagają obecności światła
* wkrótce okazało się, że składnikiem

„niedobrego”, pochłanianego przez rośliny
powietrza był dwutlenek węgla, a ponadto

w procesie zużywana jest woda

WILLIAM MAYER (XIXw)

* Niemiec

* stwierdził, że rośliny
pochłaniają energię świetlną i

zamieniają ją w energię
chemiczną wiązań

asymilatów

MELVIN CALVIN

i ANDREW BENSON

(XXw)

* Amerykanie

* wyjaśnili szczegóły przebiegu
fotosyntezy

* za swoje dokonania Calvin
dostał Nobla

FOTOSYNTEZA

* proces charakterystyczny dla fotoautotrofów – samożywnych organizmów zdolnych do włączania dwutlenku węgla we własne związki

organiczne (zdolnych do asymilacji CO2), przy wykorzystaniu energii świetlnej

* fotosyntezę przeprowadzają jedynie rośliny zielone i niektóre protisty (Eukarioty) oraz sinice i nieliczne bakterie purpurowe (Prokarioty)

* równanie ogólne fotosyntezy:

6 H

2

O + 6 CO

2

+ energia świetlna -- C

6

H

12

O

6

+ 6 O

2

– 2872 kJ (-687 kcal)

* niektóre fotoautotrofy (bakterie purpurowe) przeprowadzają fotosyntezę w warunkach beztlenowych

* organizmy te nie wykorzystują wody (jej rozpad byłby dla nich szkodliwy) ale inny zredukowany związek nieorganiczny, np. H

2

S

* fotosyntezę beztlenową (anoksygeniczną) mogą w pewnych warunkach przeprowadzać także sinice

* dla tych organizmów równanie fotosyntezy można zapisać następująco:

12 H

2

S

+

6 CO

2

+ energia świetlna -- C

6

H

12

O

6

+ 12 S + 6 H

2

O

* pomijając wspomniane różnice równanie fotosyntezy przyjmuje postać:

2 H

2

A

+

CO

2

+ energia świetlna -- (CH

2

O)

+ 2 A + H

2

O

* H

2

A – dawca (donor) wodoru, (CH

2

O) - cukier

BARWNIKI AKTYWNE FOTOSYNTETYCZNIE

* cząsteczki zdolne do pochłaniania (absorpcji) światła

CHLOROFILE

* najbardziej powszechne

* magnezoporfiryny z centralnie położonym atomem magnezu

* w cząsteczce chlorofilu występuje też długi łańcuch fitolu (20-węglowego alkoholu) o charakterze silnie hydrofobowym, co pozwala na

głębokie zanurzenie chlorofilu w błonę aktywną fotosyntetycznie

* cząsteczki posiadają jony magnezu z niestabilnymi elektronami oraz wiązania podwójne w układach sprzężonych

* brak stabilności ujemnych cząstek elementarnych determinuje (określa) właściwości fotochemiczne chlorofili (pod wpływem

pochłoniętego światła niestabilne elektrony z orbitali powłokowo skrajnych łatwo ulegają wzbudzeniu, które przenoszone jest na układy

wiązań podwójnych)

* mają bardzo dużą zdolność do absorpcji światła (ich współczynniki absorpcji należą do największych)

* chlorofile a i b różnią się nieznacznie długością pochłanianych fal

* w chloroplastach występuje mieszanina obu rodzajów tych barwników, więc roślina pochłania duży zakres promieniowania

* charakterystyczne są dwa maksima absorpcji:

- przy długości fali około 480nm (niebieski zakres widma)

- przy długości fali około 680nm (czerwony zakres widma)

* między maksimami widoczna jest przestrzeń oznaczająca tzw. czerwony spadek (w tym zakresie widma pochłanianie jest słabe)

* nie jest pochłaniane światło zielone (500-600nm), stąd zasadnicza barwa roślin

* WNIOSEK: długości fal światła niebieskiego i czerwonego są najkorzystniejsze dla fotosyntezy

FOTOSYSTEMY I JEDNOSTKI FOTOSYNTETYCZNE

* fotosystem (fotoskład) – uporządkowana struktura zbudowana z wielu cząsteczek barwników fotosyntetycznych, dająca duże możliwości

pochłaniania energii

- fotosystem tworzy kilkaset cząsteczek chlorofili ciasno, równomiernie ułożonych obok siebie w taki sposób, że powstaje swego rodzaju

siatka pseudokrystaliczna (cząsteczki są ułożone tak jak atomy w krysztale)

* cząsteczki, wzbudzone przez kwanty światła, nie tracą energii, lecz oddają ją innym cząsteczkom w sieci

* powstaje w ten sposób układ antenowy zbierające energię

* środek fotosystemu to centrum reakcji

– znajduje się tu specjalnie przekształcona cząsteczka chlorofilu, która ma niższy poziom wzbudzania niż cząsteczki układu antenowego

- cząsteczka ta odbiera energię od cząsteczek antenowych, a jej elektrony osiągają poziom emisji i ulegają wybiciu poza cząsteczkę

(koncepcja tzw. pułapki energetycznej)

- obok zmodyfikowanej cząsteczki barwnika w centrum znajduje się także cząsteczka odbierająca wybite elektrony (pierwotny akceptor

elektronów), która umożliwia przekazywanie tych elektronów dalej

- pierwotnym akceptorem elektronów jest np. forma białka ferrodoksyny (FD) albo plastochinonu (PQ)

* składnikami fotosystemów są także karotenoidy: karoteny i ksantofile (barwniki spełniające funkcje stabilizujące –

przeciwutleniacze)

* w fotosystemie glonów występują też inne barwniki umożliwiające fotosyntezę pod wodą na różnych głębokościach

- fikoerytryna u krasnorostów

- fukoksantyna u brunatnic

- niebieska fikocyjanina u sinic

PODZIAŁ FOTOSYSTEMÓW

* fotosystem I (PS

I

) – maksimum absorpcji około 700nm

* fotosystem II (PS

II

) – maksimum absorpcji około 680nm

* bakterie purpurowe mają tylko fotosystem I z cząsteczką tzw. bakteriochlorofil w centrum reakcji i nieco wyższym maksimum adsorpcji

* w błonach tylakoidów wbudowane są różne fotosystemy obu typów

* między fotosystemami znajdują się cząsteczki tworzące fotosyntetyczny łańcuch przenoszący elektrony oraz protony

* kompletny zespół fotosystemów i łańcuchów przenoszących stanowi jednostkę fotosyntetyczną

FOTOODDYCHANIE

* oksydacyjny proces zużywania tlenu w warunkach niedoboru CO

2

, zachodzący w oświetlonych chloroplastach większości roślin

* w trakcie procesu wydzielany jest dwutlenek węgla

* w procesie RuBP ulega oksydacji, a ponadto zużywany jest ATP

* fotooddychanie jest niekorzystne gospodarczo, ponieważ zmniejszenie liczby cząsteczek RuBP ogranicza wydajność fotosyntezy

większości roślin

* za fotooddychanie odpowiedzialny jest enzym przeprowadzający normalnie asymilację CO

2

* gdy stężenie CO

2

jest niskie, a temperatura wysoka rubisco wykorzystuje jako substraty RuBP oraz tlen

CYKL PENTOZOFOSFORANOWY

* fotosynteza i chemosynteza dla autotrofów jest źródłem związków organicznych: cukrów 6-węglowych i ewentualnie związków

3-węglowych

* synteza cukrów o innej liczbie atomów węgla, np. 5-węglowych, jak ryboza i deoksyryboza (składniki nukleotydów) zachodzi w szlaku

metabolicznym nazwanym cyklem pentozofosforanowym

* substratem tych przemian jest glukoza i przy okazji redukowany jest NADP+ do NADPH

* NADPH jest wykorzystywany w syntezie innych cukrów oraz jest dawcą elektronów i jonów H+ niezbędnych w biosyntezie kwasów

tłuszczowych

* cykl pentozofosforanowy zachodzi w komórkach wszystkich organizmów

* w organizmie człowieka szczególnie intensywnie przeprowadzany jest w komórkach tkanki tłuszczowej

FAZA JASNA/PRZEMIANY ENERGII

* zależna od światła

* zatrzymanie fazy następuje po odcięciu dostępu światła

* wytwarzana jest tzw. siła asymilacyjna umożliwiająca zachodzenie reakcji fazy ciemnej

* składnikami siły asymilacyjnej są dwie substancje

- ATP – gromadzi energię

- NADPH (zredukowany fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego) – gromadzi potencjał redukcyjny niezbędny do syntezy cukrów, powstaje przez przyłączenie elektronów i jonów H+

do NADP+ (fosforanu dinukleotydu nikotynamidoadeninowego)

* w fazie tej dochodzi do pochłonięcia kwantów światła, naładowania wiązań ATP i wytworzenia NADPH

* zachodzi w błonach tylakoidów gran plastydów aktywnych fotosyntetycznie (u prokariotów w błonach tylakoidów)

* u fotoautotrofów tlenowych (sinic, roślin zielonych i niektórych protistów) ubocznym produktem fazy jasnej jest tlen

* reakcja ogólna fazy jasnej tlenowych autotrofów:

12 H

2

O

+ energia świetlna + 18 ADP + 18 P

i

-- 12

(H

2

)

+ 18 ATP + 6 O

2

* (H

2

) oznacza zgromadzenie potencjału redukcyjnego w postaci NADPH

* procesy fazy zachodzą równocześnie i są ze sobą sprzężone, a podział na umowne etapy służy ich łatwiejszemu zrozumieniu

I ETAP

* pod wpływem światła dochodzi do
pobudzenia PS

I

i wybicia z niego

elektronów, które wędrują w
łańcuchach do przenośników

(najczęściej białkowych) i trafiają na
cząsteczkę NADP+

* fosforan dinukleotydu
nikotynamidoadeninowego dobiera

ze środowiska jony H+ i przyjmuje
postać zredukowaną: NADPH

* wówczas w centrum reakcji PS1
brakuje elektronów

II ETAP

* PS

I

zasysa elektrony z

pobudzonego PS

II

* podczas wędrówki elektronów z w
łańcuchu przenośników następuje

przepompowanie jonów
wodorowych ze stromy do wnętrza

kanału tylakoidów
* w ten sposób po zewnętrznej

stronie błony tylakoidy następuje
niewielki niedobór protonów, a we

wnętrzu nadmiar

III ETAP

* PS

II

uzupełnia brak elektronów

bezpośrednio z wody

* proces rozpadu wody
prowadzi do powstania 2H+, 2

elektronów oraz ½ O

2

* proces ten został nazwany

fotolizą, gdyż zachodzi w świetle
* tlen jest więc produktem

fotolizy uwalnianym
bezpośrednio do atmosfery

FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA NIECYKLICZNA

* przez oświetloną błonę tylakoidy przepływa niewielki strumień elektronów, który

umożliwia zredukowanie NADP+ do NADPH oraz przepompowanie jonów wodorowych
do wnętrz kanału tylakoidu

* w ten sposób we wnętrzu tylakoidy jest nadmiar dodatnio naładowanych jonów H+
* w stosunku do zewnętrznej powierzchni różnica potencjałów może dochodzić do około

210mV – jest to organiczne miniogniwo (zgodnie z teorią chemiosomatyczną
Mitchella gradient protonowy umożliwia wykonanie pracy użytecznej)

* znajdujące się wewnątrz tylakoidu jony H+ mogą wracać do stromy jedynie przez
specjalne kanały jonowe, będące częścią białkowych kompleksów sprzęgających

* powracające tymi kanałami jony wodorowe obdarzone są dużą energią kinetyczną,
która zamieniana jest na ruch obrotowy innych białek tworzących czynniki sprzęgające

* ruch ten umożliwia syntezę i uwolnienie powstających cząsteczek ATP
* całość pojedynczego kompleksu sprzęgającego transport H+ z syntezą ATP, czyli kanał

jonowy oraz obracające się białka nazwano syntezą ATP
* podsumowując: niecykliczny transport elektronów powoduje także ładowanie ADP do ATP

więc cały proces zwie się fosforylacją fotosyntetyczną niecykliczną

FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA CYKLICZNA

* zachodzi w pewnych warunkach, np. deficytu H

2

O

* zaangażowany jest w nią tylko fotosystem PS

I

* po wzbudzeniu wybite elektrony wędrują w łańcuchu przenośników i wracają z
powrotem

* możliwe jest więc przepompowywanie jonów wodorowych i synteza ATP
* nie dochodzi natomiast do redukcji NADP+ oraz fotolizy wody

* ponieważ bakterie purpurowe mają jedynie fotosystem PS

I

, przeprowadzają wyłącznie

ten rodzaj fosforylacji, źródłem NADPH są natomiast inne reakcje

FOTOSYNTEZA C

3

I C

4

MOŻLIWOŚCI ROŚLIN

* niektóre rośliny (kukurydza, trzcina
cukrowa, sorogo) potrafią zwiększyć

wydajność fotosyntezy
* w tropikach warunki przeprowadzania

fotosyntezy są niekorzystne, ponieważ
w ciągu dnia szybko następuje

zamykanie szparek, a więc odcinany
jest dostęp do dwutlenku węgla

(pojawia się fotooddychanie)
* rośliny te wykształciły mechanizmy

biologiczne pozwalające w znacznym
stopniu zniwelować to ograniczenie

- potrafią one zwiększyć stężenie CO

2

w

komórkach miękiszu asymilacyjnego,

nawet stukrotnie w porównaniu z
innymi roślinami

- mogą gromadzić CO

2

w nocy, co jest

możliwe dzięki istnieniu

wyspecjalizowanego układu
wieńcowego

UKŁAD WIEŃCOWY

* utworzony z dwóch koncentrycznych warstw miękiszu asymilacyjnego otaczającego wiązki
przewodzące w liściach

- pochwa wokółwiązkowa – warstwa wewnętrzna, jej komórki mają chloroplasty pozbawione
gran, ale z licznymi enzymami cyklu Clavina

- mezofil – warstwa zewnętrzna, jej komórki mają chloroplasty z licznymi granami, a ponadto
unikalny zestaw enzymów

* dzięki enzymom w chloroplastach mezofilu zachodzi przyłączenie CO

2

do 3-węglowego

związku zwanego fosfoenolopirogronianem (PEP)

* produktem jest 4-węglowy związek – szczawiooctan, który jest redukowany do jabłczanu
* jabłczan przez liczne plazmodesmy przenika do komórek pochwy wokółwiązkowej, gdzie

ulega dekarboksylacji
* powstaje wówczas pirogronian (3-węglowy) oraz CO

2

* CO

2

wiązany jest przez RuBP w chloroplastach

* pirogronian wędruje z powrotem do mezofilu i ulega w jego komórkach przekształceniu w

fosforoenolopirogronian przy udziale ATP
* rośliny te mają więc dwa akceptory CO

2

- pierwotny, 3-węglowy PEP
- wtórny, 5-węglowy RuBP

* produktami asymilacji jest szczawiooctan – 4-węglowy, od tego związku pochodzi nazwa
fotosynteza C

4

(rośliny C

4

) a zwykła fotosynteza nosi nazwę fotosyntezy C

3

(rośliny C

3

)

* przemiany zachodzące w komórkach mezofilu są nieco szybsze niż reakcje fazy ciemnej w
pochwie wokółwiązkowej, a ponadto mogą zachodzić także w nocy

* prowadzi to do wzrostu stężenia CO

2

w roślinie, dzięki czemu fotosynteza zachodzi szybciej

* w naszych warunkach klimatycznych produktywność roślin przeprowadzających fotosyntezę

C

4

jest niższa niż w tropikach

FAZA CIEMNA/PRZEMIANY SUBSTANCJI (CYKL CALVINA)

* niezależna od światła

* zatrzymanie fazy następuje po wyczerpaniu siły asymilacyjnej

* zachodzi tu cykl Calvina

- asymilacja (przyswojenie) CO

2

- powstanie związków organicznych (produktów fotosyntezy)

* reakcja ogólna fazy ciemnej

6 CO

2

+ 12

(H

2

)

+ 18 ATP -- C

6

H

12

O

6

+ 6 H

2

O + 18 ADP + 18 P

i

* zapis 12

(H

2

)

użyty w równaniu oznacza 12 cząstek zredukowanego NADPH

KARBOKSYLACJA

* przyłączanie CO

2

do 5-węglowego

organicznego akceptora CO

2

(jest

nim rybulozo-1,5-bifosforan – RuBP)
* reakcję katalizuje enzym

karboksyloza
rybulozobifosforanowa (rubisco)

* powstająca cząsteczka 6-węglowa
natychmiast rozpada się na dwie

cząsteczki 3-węglowe: kwasu
3-fosfoglicerynowego

(fosfoglicerynian, PGA)

REDUKCJA

* PGA ulega aktywacji,
a później redukcji do aldehydu

3-fosfoglicerynoweg (PGAL)
* źródłem wodoru jest NADPH

* cząsteczki PGAL są
pierwszymi dość trwałymi

produktami fotosyntezy

REGENERACJA

* 5/6 powstających cząsteczek PGAL zużywanych jest do
odtworzenia akceptora CO

2

(5*C

3

- 3*C

5

)

* 1/6 cząsteczek PGAL to zysk netto fotosyntezy, daje się z
nich syntezować glukozę, a następnie związki organiczne

* jeśli przyjmiemy, że analizujemy wyłącznie 6 atomów węgla
nieorganicznego (a takiej liczby atomów składa się cząsteczka

glukozy), wówczas bilans energetyczny potencjału
redukcyjnego będzie następujący:

6 C

1

+ 18 ATP + 12 NADPH -- C

6

+ 18 ADP + 18P

i

+ 12 NADP+

WPŁYW CZYNNIKÓW WEWNĘTRZYNYCH I ZEWNĘTRZNYCH NA FOTOSYNTEZĘ

* punkty kardynalne: minimum (poniżej niego proces nie zachodzi), optimum (proces przebiega najintensywniej), maksimum (proces zostaje zahamowany)

* intensywność procesu fizjologicznego zależy jednocześnie od wielu czynników , więc punkty kardynalne zależą od wartości pozostałych czynników

* prawo minimum: Jeśli dany proces fizjologiczny zależy od wielu czynników jednocześnie, to jego natężenie można zwiększyć jedynie zwiększenie czynnika występującego w minimum

* intensywność fotosyntezy zależy jednocześnie od stężenia CO

2

, temperatury i światła

* wystarczy, że jeden z nich będzie występował w minimum, a natężenie procesu zostanie ograniczone

* czynnik występujący w minimum ogranicza intensywność procesu a występując w nadmiarze hamuje proces

* zbyt wysoka temperatura, czy intensywność światła lub nadmierne stężenie CO

2

hamują procesy fotosyntezy

* podobnie działają pestycydy (środki ochrony roślin)

CZYNNIKI ENDOGENNE (WEWNĘTRZNE)

* ilość i rozmieszczenie aparatów szparkowych
- decydują one o szybkości wnikania do liścia CO

2

i

dyfundowania na zewnątrz O

2

* powierzchnia blaszki liściowej i grubość kutykuli, przez

którą do liścia przenika światło
* rozmieszczenie w komórkach miękiszu asymilacyjnego

chloroplastów i zawartość w nich chlorofilu
- chloroplasty mogą zmieniać w komórkach mezofilu

swoje położenie, dostosowując je do aktualnych
warunków oświetlenia

- przy słabym oświetleniu chloroplasty ustawiają się
prostopadle do kierunku padania światła, a przy silnym

ustawiają się równolegle
- w świetle umiarkowanym (rozproszonym) lub w

ciemności chloroplasty rozmieszczają się równolegle

CZYNNIKI EGZOGENNE (ŚRODOWISKOWE)

ŚWIATŁO

* wpływa na fazę jasną fotosyntezy
* energia świetlna zostaje przetworzona na energię chemiczną zgromadzoną w

asymilatach
* mimo tego, że liście pochłaniają 80% energii świetlnej padającej na liść, to

efektywnie wykorzystują tylko niewielką jej ilość (0,5-3,5%)
* intensywność fotosyntezy zależy zarówno od barwy światła, jak i jego

intensywności (natężenia)
* najbardziej wydajne jest światło niebieskie (480nm) i czerwone (680nm)

* do pewnego momentu wzrost natężenia światła wzmaga tempo fotosyntezy
* jednak nadmierne oświetlenia powoduje zahamowanie tego procesu –

głównie przez utlenianie chlorofili w fotosystemach
* rośliny światłolubne – potrzebują pełnego oświetlenia do fotosyntezy (zboża,

rośliny uprawne, rośliny ruderalne rosnące na wysypiskach śmieci i przy
drogach – pokrzywa zwyczajna, łopian mniejszy, tasznik pospolity)

* rośliny cieniolubne – pełne natężenie procesu występuje u nich przy
stosunkowo słabym świetle (dalsze zwiększanie natężenia światła nie powoduje

u tych roślin wzrostu intensywności procesu) (rośliny te rosną pod osłoną
innych, jak np. szczawik zajęczy, zawilec gajowy)

TEMPERATURA

* wpływa przede wszystkim na fazę ciemną
fotosyntezy, ze względu na dużą liczbę enzymów

biorących udział z cyklu Calvina
* przebieg zależności intensywności fotosyntezy jest

podobny do krzywych zależności aktywności białek
enzymatycznych od temperatury

* w chłodne dni intensywność procesu jest niewielka,
nawet jeśli inne parametry fizykochemiczne

środowiska są korzystne
* w ciepłe dni intensywność procesu będzie rosła,

jednak po przekroczeniu optimum (20-35°C dla
większości roślin) nastąpi szybki jej spadek

STĘŻENIE CO

2

* normalne stężenie w atmosferze jest niskie i wynosi 0,03%
* jest to wartość poniżej optymalnej, ponieważ główny enzym

fazy ciemnej fotosyntezy – rubisco – znacznie wydajniej
przeprowadza asymilację dwutlenku węgla, gdy jego stężenie

jest wyraźnie większe
* fakt ten można wykorzystać w uprawie roślin szklarniowych

- tam ważnym pośrednim źródłem CO

2

dla fotosyntezujących

roślin jest gleba, w której zachodzi rozkład materii organicznej

(proces mineralizacji) przeprowadzany przez mikroorganizmy
glebowe (destruentów), który dostarcza dużych ilości CO

2

WODA

* ma wieloraki wpływ na przebieg fotosyntezy
* jest substratem procesu (fotoliza wody)

* uwalnia protoplasty komórek miękiszu asymilacyjnego, co
wywiera istotny wpływ na metabolizm komórkowy

* wpływa na uwodnienie komórek aparatów szparkowych, a
tym samym na ich zamykanie i otwieranie

* fotosynteza jest bardzo zależna od procesu odwodnienia
komórek

- więdnięcie liści, które jest konsekwencją tego procesu, silnie
hamuje fotosyntezę

- powoduje zamykanie aparatów szparkowych i ograniczenie
dostępu CO

2

do fotosyntetyzujących komórek

PIERWIASTKI MINERALNE

* niedostatek pierwiastków (np. Fe, Mg, N)
hamuje syntezę chlorofilu, cytochromów i

nukleotydów, bez których fotosynteza nie może
przebiegać właściwie

* niedostatek K, Mn i Cl ogranicza aktywność
enzymów ważnych dla tego procesu