BIOCHEMIA, ćw. 14

1. Wymienić barwniki uczestniczące w fotosyntezie, podać ich kolory.

Chlorofil- zielony

Karoteny- (np. β-karoten, żółty)

Ksantofile (np. luteina- żółta, wiolaksantyna- pomarańczowa , zeaksantyna-nie wiem, chyba żółta, bo to izomer luteiny , neoksantyna- nie mam pojęcia ; )

1. Budowa chlorofili.

Chlorofil- związek pochodny tetrapirolu, cztery atomy azotu w pirolach są związane wiązaniami koordynacyjnymi z atomem magnezu. Chlorofil jest więc magnezoporfiryną. Inną, charakterystyczną cechą chlorofilu jest obecność fitolu, silnie hydrofobowego 20-węglowego alkoholu, który wchodzi w reakcje estryfikacji z grupą kwasowoą. Chlorofil b różni się od chlorofilu tym, że zawiera grupę formylową zamiast metylowej w jednym z pierścieni pirolowych. Chlorofile są bardzo efektywnymi fotoreceptorami, ponieważ mają wiązania podwójne w układzie sprzężonym (na przemian występują wiązania pojedyncze i podwójne). Tego typu związki, zwane polineami, mają silne pasma absorpcji w zakresie światła widzialnego, które stanowi główną część promieniowania dochodzącego do powierzchni Ziemi.

1. Jaką rolę pełnią barwniki pomocnicze?

Podobnie jak chlorofil b absorbują kwanty energii świetlnej i zaabsorbowaną energię przekazują na chlorofil a (przekazywanie typu singlet- singlet). Ponadto pełnią rolę fotoreceptorów, tzn. efektywnie odbierają energię ze wzbudzonych stanów trypletowych chlorofilu (przekazywanie typu tryplet- tyrplet), przez co nie dochodzi do fotoindukowanego powstawania tlenu singletowego powodującego destrukcję chlorofilu, karotenoidów i innych składników błon tylakoidów.

1. Wyjaśnić pojęcia:

Wg Stryer’a:

Fotosystem I- jest to jeden z procesów podczas fotosyntezy, wzbudzany światłem o długości fal krótszych niż 700nm prowadzi do powstania silnego reduktora odpowiedzialnego za redukcję NADP⁺ do NADPH. Z fotosystemem I związanie jest powstawanie słabego utleniacza

Fotosystem II- jest to jeden z procesów zachodzących podczas fotosyntezy, który jest wzbudzany światłem o długości fal krótszych od 680nm, przyczynia się do powstania silnego utleniacza, bezpośrednio odpowiedzialnego za wydzielanie O₂. Z fotosystemem II związanie jest powstawanie słabego reduktora. Fotosystem II uczestniczy w transporcie elektronów od wody do plastochinonu i w generowaniu gradientu protonów. Jest to transbłonowy kompleks składający się z około 10 łańcuchów polipeptydowych, katalizuje stymulowany światłem transport elektronów z wody do plastochinonu (No sorki, że się powtarzam, ale przynajmniej się zapamięta na dłużej ; ) ) Ten akceptor jest bardzo podobny do ubichnonu, który stanowi ogniwo w mitochondrialnym łańcuchu transportu elektronów.

2 PQ + 2H₂O --> ^{pod wpływem światła} O₂ + 2PQH₂

PQ- plastochinol w formie utlenionej

PQH₂- plastochinol w formie zredukowanej

Plastochinol ma wyższy potencjał oksydoredukcyjny niż H₂O. Dzięki energii świtlnej, przez fotosystem II transportowane są elektrony w kierunku niższych wartości potencjałów redoks.

Prościej? ; )) Ok:

Fotosystem II składa się z kompleksu zbierającego energię(LHC II- light-harvesting complex), z części rdzeniowej zawierającej centrum reakcji i z układu wydzielającego tlen. Podjednostka LHC II zawiera siedem cząstek chlorofilu a i sześć chlorofilu b oraz dwiecząsteczki karotenoidów. LHC jest główną anteną fotosystemu II, w której energia wzbudzenia elektronowego chlorofilu b i karotenoidów jest bardzo wydajnie przekazywana na chlorofil a i dalej do centrum reakcji.

Drugim zadaniem fotosystemu II jest „odciąganie” elektronów z cząsteczki wody. W wyniku pierwotnego rozdziału ładunków w fotosystemie II powstaje kation P680⁺, który jest silnym utleniaczem, jego powinowactwo do elektronów jest nawet większe od powinowactwa O₂. P680⁺ odbiera elektrony z wody, co prowadzi do wydzielenia O₂ i powrotu centrum reakcji do stanu podstawowego.

Wg innego ładnego źródła:

Trzy kompleksy współdziałają w łańcuchu transportu elektronów w tylakoidach: fotosystem II (PSII), kompleks cytochromu b6/f i fotosystem I (PSI). Fotosystem II uważany jest za „serce” całego aparatu fotosyntetycznego. To właśnie on wykorzystuje energię światła do katalizy wody, która rozszczepia się na tlen cząsteczkowy, protony (H+) i elektrony. Przekaz elektronów pomiędzy PSII i PSI jest możliwy dzięki dwóm ruchliwym nośnikom elektronów: plastochinonowi (PQ) i plastocjaninie (PC). Następujące kolejno po sobie reakcje przekazywania elektronów z PSII poprzez cytochrom b6/f do PSI nazywane są fotosyntetycznym liniowym łańcuchem transportu ele-ktronów. Na stronie akceptorowej PSI, NADP+ (forma utleniona fosforanu dwunukleotydu nikoty-namidoadeninowego) redukowane jest do NADPH zgodnie z reakcją: NADP+ + H+ +2e- → NADPH. Gradient protonowy utworzony w wyniku uwalniania z wody H+ do wnętrza tylakoidów (strona lu-men) i pompowania H+ z zewnętrza błony do jej wnętrza przez PQ stanowi siłę napędzającą tworze-nie ATP (adenozynotrójfosforan).

Kompleks antenowy-kompleks ten uczestniczy w transporcie elektronów od fotosystemu II do fotosystemu I. Cytochrom bf (nazywany także cytochromem b₆f) katalizuje transport elektronów od plastochinolu (PQH₂) do plastocyjaniny (PC) i równocześnie pompuje protony do przestrzeni wewnątrztylakoidalnej.

Kompleks cytochrom bf zawiera cztery podjednostki: cytochrom f, cytochrom b₅₆₃ zawierający dwa hemy, białko Fe-S i łańcuch polipeptydowy.

Centra Fe-S uczestniczą w redukcji plastocyjaniny. Dzięki cytochromowi b istnieje możliwość interakcji dwuelektronowego przenośnika (plastochinolu) z jednoelektronowym przenośnikiem (centra Fe-S). Transport elektronów na tym odcinku jest związany z równoczesnym transportem protonów ze stromy do wnętrza tylakoidu; dwa protony są transportowane na każdą cząsteczkę utlenianego PQH₂.

Centrum reakcji- jest to miejsce, gdzie zachodzą reakcje chemiczne, do tego miejsca światło, które jest absorbowane przez setki cząsteczek chlorofilu, przekazuje swoją energię w postaci elektronu o wysokiej energii do łańcucha przenośników elektronów, znajdującego się w błonie tylakoidu. Poziomy energetyczne cząsteczek chlorofilu w centrum reakcji są niższe od poziomów energetycznych innych cząsteczek chlorofilu, przez co centra mogą „chwytać w pułapkę” energię wzbudzenia elektronowego. Przekazywanie energii bezpośrednio na drodze elektromagnetycznych interakcji pomiędzy chlorofilami i dalej do centrów reakcji jest bardzo szybkie, zachodzi bowiem w czasie rzędu pikosekund (10^-12s).

1. Fotosystem I i II:

Wyróżnia się dwa typy fotosystemów w zależności od długości fal świetlnych pochłanianych w największym stopniu: P680 (fotosystem II) i P700 (fotosystem I).

Fotosystem I (fosforylacja cykliczna) wytwarza potencjał redukujący w postaci NADPH, a w pewnych warunkach wytwarza też ATP. Fotosystem II (fosforylacja niecykliczna) rozszczepia wodą, produkuje wolny tlen i dostarcza reduktora.

Centrum reakcji fotosystemu I jest cząsteczka chlorofilu A. Liczne cząsteczki chlorofilu absorbując światło ulegają wzbudzeniu a energię wywołującą ten stan przenoszą na centrum P700 (tzw. chlorofil a bo max absorbcji światła wynosi 700nm). P700 przenosi elektron na akceptor zwany w skrócie FRS, jego zredukowana forma przenosi elektron na ferredoksynę, która ulega redukcji i przekazuje elektron na NADP tworząc NADPH + H⁺. Ferredoksyna po przekazaniu elektronu na następny akceptor ulega utlenieniu. Elektrony pochodzące z centrum reakcji fotosystemu I mogą się przemieszczać innym torem, w wyniku tego tworzy się cząsteczka ATP. Wtedy elektron z FRS lub z ferredoksyny jest przeniesiony do cytochromu bf zamiast NADP⁺. Elektron ten powraca do formy utlenionej P700. Podczas tego powrotu wytwarzana jest energia, która zużyta jest na wytworzenie ATP. Warunkiem funkcjonowania fosforylacji cyklicznej jest mała ilość NADP⁺.

1. Jaki jest łańcuch przenośników elektronów po absorpcji światła przez fotosystem I i fotosystem II?

W fazie jasnej następuje absorpcja światła przez cząsteczki chlorofilu, zgrupowane w dwóch rodzajach kompleksów, zwanych fotosystemami /fotosystem I i fotosystem II/. Fotosystemy wbudowane są w błonę tylakoidów i nieznacznie różnią się budową. Absorpcja światła przez cząsteczki chlorofilu powoduje ich elektronowe wzbudzenie i wybicie elektronów. Wybite elektrony z fotosytemu II są przechwytywane przez pierwotny akceptor, który przekazuje je na kolejne przenośniki elektronów.

1. Jakie są maksima absorpcji w foto I i II?

Fotosysystem I: 700nm, fotosystem II: 680nm

1. Schemat „Z” łączący fotosystem I i II. Jaka jest sekwencja reakcji zachodzących podczas absorpcji światła?

Światło powoduje przepływ elektronów od H₂O do NADP⁺ i prowadzi do wytworzenia siły protonomotorycznej. Szlak ten jest określany jako schemat „Z” fotosyntezy, gdyż rozkład potencjałów redoks przenośników od P680 do P700 przypomina literę „Z”.

Energetyka i szlak przepływu elektronów od H₂O do PQH₂ są często przedstawione w postaci uproszczonej z zaznaczeniem odpowiednich wartości potencjałów oksydoredukcyjnych. PQH₂ ma wyższy potencjał (0,1V) niż H₂O (0,82V), co oznacza, że PQH₂jest silniejszym reduktorem. Transport elektronów „pod górę” jest możliwy dzięki energii fotonów zaabsorbowanych przez fotosystem II. Foton światła o długości fali 680nm ma energię równą 1,82 elektronowoltów (eV), które znacznie przewyższa energię potrzebną do podwyższenia potencjału elektronu o 0,72 V (z 0,82V do 0,1 V) w standardowych warunkach.

1. Jakie wysokoenergetyczne związki powstają w reakcjach świetlnych fotosyntezy?

Sacharoza, skrobia- amyloza, amylopektyna, fruktany(przez Asteraceae i Poaceae), lewany (żyto). ATP w fazie jasnej.

1. Gdzie zachodzą reakcje świetlne fotosyntezy?

Faza jasna- tylakoidy gran

Faza ciemna- w stromie

1. Na czym polega fosforylacja cykliczna i niecykliczna?

Cykliczna:

Alternatywny szlak przepływu elektronów pochodzących od P700, centrum reakcji fotosystemu I, przyczynia się do modyfikacji podstawowego mechanizmu fotosyntezy. Elektron z ferredoksyny może być przenoszony nie na NADP⁺ , lecz do kompleksu cytochrom bf, a następnie z powrotem do utlenionej formy P700 poprzez plastocyjaninę. Czystym zyskiem cyklicznego transportu elektronów jest pompowanie protonó przez kompleks cytochrom bf, a powstający gradient stężenia protonów stymuluje syntezę ATP. W procesie tym, zwanym cykliczną fosforylacją, powstaje ATP bez równoczesnego tworzenia NADPH. Uwaga! Fotosystem II nie uczestniczy w cyklicznej fosforylacji, co oznacza, że O₂ nie jest uwalniany z H₂O. Cykliczna fosforylacja zachodzi, gdy brakuje NADP⁺ do odbierania elektronów ze zredukowanej ferredoksyny, tzn. w warunkach bardzo dużego stosunku NADPH do NADP⁺.

A teraz w skrócie, jeżeli komuś nie chciałoby się tyle kuć ; )

Cykliczny transport elektronów związany z cykliczną fotofosforylacją: Transport elektronów odbywa się z P700^* (wzbudzone centrum reakcji fotosystemu I) na ferredoksynę, a następnie do kompleksu cytochrom bf. Protony są przenoszone przez ten kompleks w miarę powrotu elektronów do centrum reakcji poprzez plastocyjaninę.

cykliczna

Niecykliczna fosforylacja:

Przejście wybitego przez kwant światła elektronu od fotosystemu II do fotosystemu I. Wzbudzony elektron, przechodząc przez szereg przekaźników, traci swoją energię, utracona energia przekształca się w energię chemiczną wiązań w ATP i NADPH. Elektron pochodzący z rozpadu wody redukuje wcześniej utlenioną (pozbawioną elektronu) cząsteczkę chlorofilu P680. Powstający jako produkt uboczny rozpadu wody tlen, wydalany jest przez rośliny na zewnątrz - stanowi on podstawę życia prawie wszystkich organizmów na ziemi (z wyjątkiem beztlenowców). Powyższy proces zachodzi w chloroplastach, w błonach tylakoidów:

niecykliczna

12. Na czym polega fluorescencja?

Fluorescencja to ogólnie jest natychmiastowa reemesja światła. Ale od początku zacznę, o co biega.

Energia wzbudzenia cząsteczki może zostać wykorzystana do pokonania bariery aktywacji w procesie fotochemicznym. Najczęściej zdarza się jednak, że zostaje ona oddana, a cząsteczka wraca do swojego stanu

podstawowego. Jednym ze sposobów dezaktywacji wzbudzonych stanów elektronowych jest emisja fotonu. W przypadku, gdy jest ona następstwem absorpcji światła mamy do czynienia z fotoluminescencja. W zależności od rodzaju stanu wzbudzonego, z którego następuje emisja, wyróżnia się fluorescencje i fosforescencje.

Fluorescencja jest szybkim procesem fotofizycznym, zachodzącym w czasie ~10-8 s. Ponieważ

bezpromienista dezaktywacja wyszych stanów oscylacyjnych wzbudzonego stanu elektronowego zachodzi jeszcze szybciej (ok. 10-12 s), fluorescencje obserwuje się jedynie z najniższego oscylacyjnego poziomu pierwszego elektronowego stanu wzbudzonego. W przeciwieństwie do znacznie wolniejszego procesu fosforescencji, fluorescencja nie pociąga za sobą zmiany multipletowości.

1. W jaki sposób należy obliczyć stężenie chlorofili?

Zmierzyć należy absorpcję chlorofilu a przy 663 nm i chlorofilu b przy 645 nm. Znając właściwy współczynnik absorpcji dla chlorofili:

Chlorofil a- 84 l/g*cm

Chlorofil b- 51,8 l/g*cm

Stężenie chlorofilu: wzór jest w instrukcji na stronie 49.

1. Na czym polega rozdział barwników metodą absorpcyjnej chromatografii kolumnowej?

Ogólnie rzecz biorąc, chromatografia kolumnowa polega na tym, że rozdzielana mieszanina jest wprowadzana do fazy ruchomej, która transportuje ją do kolumny, gdzie następuje kontakt próbki z fazą stacjonarną , mieszanina przesuwana jest przez kolumnę, dzięki różnicom oddziaływań jej składników z fazą stacjonarną następuje jej rozdzielenie na poszczególne składniki ; )

Na naszych cudownych ćwiczeniach:

1. Na dnie kolumny chromatograficznej umieścić mały tampon waty szklanej. Kolumnę umieścić pionowo w statywie, zamknąć jej wylot zaciskaczem.

2. Skrobię zalać w zlewce z mieszaniną rozpuszczalników do chromatografii tak, aby utworzyła się jednorodna zawiesina, którą wlewamy do kolumny.

3. Nanosimy ekstrakt z barwników po ściankach tuż nad powierzchnią adsorbenta.

4. Po całkowitym wchłonięciu ekstraktu przez adsorbent kolumnę uzupełnić eterem naftowym i rozwijać do momentu wyraźnego rozdziału barwników.

Uwaga- w trakcie rozdziału należy uzupełniać kolumnę eterem tak, aby jego warstwa nad złożem nie byłą mniejsza niż 1 cm.

1. Po rozdziale wysuszyć adsorbent.

2. Umieścić kolumnę na 15-20 min. w cieplerce o temp. 60-70^oC.

3. Adsorbent z rozdzielonymi barwnikami ostrożnie umieścić na czystej bibule. Wyciąć prążki niebieskozielony (chlorofil a) i żółtozielony (chlorofil b).

4. Chlorofile przenieść do osobnych probówek i rozpuścić w 5 ml. acetonu

Jakby kogoś interesowało więcej:

Chlorofile a i b są pochodnymi dihydroporfiryny, do której przyłączony jest wiązaniem estrowym alkohol izoprenowy (C-20), fitol. Chlorofil c jest porfiryną bez fitolu. Chlorofile a i b wykazują silne pasmo absorpcji w czerwonym i niebieskim zakresie widma. Bardzo niską, ale nie zerową, absorpcję wykazują wszystkie chlorofile w środkowym zakresie widma; stąd pochodzi ich zielony kolor. Absorpcja chlorofilu c jest bardziej intensywna w niebieskim, a mniej intensywna w czerwonym zakresie widma, w porównaniu do chlorofili a i b. Chlorofil a absorbuje w bardziej skrajnym zakresie widma niż chlorofil b, z kolei chlorofil b w bardziej skrajnym niż chlorofil c.

Karotenoidy należą do izoprenoidów (C-40). Absorbują jedynie w niebieskim zakresie widma (400–500 nm), dlatego ich kolor w zależności od rodzaju barwnika może być żółty, pomarańczowy bądź czerwony.

Fikobiliny są barwnikami pomocniczymi występującymi jedynie u niektórych Rhodophyta, Cryptophyta i Cyanophyta. Mają kolor czerwony (fikoerytryna i fikoerytrocyjanina) lub niebieski (fikocyjanina, allofikocyjanina). Ze względu na położenie pasm absorpcyjnych dzieli się fikobiliny na trzy grupy: fikoerytryny (490–500, 540–560 nm), fikocyjaniny (550–645 nm) i allofikocyjaniny (620–670 nm).

Chlorofil (porfiryna magnezowa) w środowisku kwaśnym ulega przemianie do feofityny o barwie brunatnej. Podczas ekstrakcji barwników tworzy się ona pod wpływem endogennych kwasów organicznych, czemu zapobiega się dodając substancje neutralizujące te kwasy. Jony niektórych metali, na przykład miedzi, mogą wbudowywać się w cząsteczkę feofityny tworząc inne porfiryny, w tym przypadku porfirynę miedziową.

Feofityna jest integralnym składnikiem PSII, w którym pełni rolę przekaźnika elektronów z P680 na utlenioną formę plastochinonu QA. Zatem niewielkie ilości feofityny występują zawsze w ekstraktach barwników roślinnych, jak też w nieuszkodzonych komórkach, tkankach i organach roślin zdolnych do fotosyntezy tlenowej. W miarę starzenia się organizmu wzrasta zawartość feofityny w fotosyntetyzujących komórkach. Stężenie feofityny może być także wskaźnikiem stopnia uszkodzenia roślin zielonych przez czynniki środowiskowe oraz różnego typu zanieczyszczenia.