Fotosynteza

Fotosynteza – proces anaboliczny, w trakcie którego z prostych substancji nieorganicznych (dwutlenek węgla CO2, woda H2O) z udziałem energii świetlnej powstają związki organiczne (węglowodany). Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19-34%.

W formie sumarycznej przebieg fotosyntezy można zapisać jako:

6H2O + 6CO2 + energia świetlna → C6H12O6 + 6O2

Organizmy produkujące związki organiczne na drodze fotosyntezy to:

wszystkie rośliny (nieliczne wyjątki to rośliny cudzożywne: saprofityczne i pasożytnicze),

niektóre protisty,

część bakterii (są to: bakterie purpurowe, sinice, bakterie zielone, heliobakterie oraz halobakterie).

Faza jasna

Energia wzbudzenia przekazywana jest do centrum reakcji przez kolejne cząsteczki chlorofilu.

2 H2O + 2 NADP+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADPH + 2 H+ + 2 ATP + O2

Zamiana energii światła słonecznego na energię wiązań chemicznych jest możliwa dzięki absorpcji kwantów światła (fotonów) przez chlorofil. Cząsteczka tego barwnika może absorbować zarówno kwant światła czerwonego przechodząc ze stanu podstawowego (trypletowego) do pierwszego stanu wzbudzonego (pierwszego stanu singletowego), jak i kwant światła niebieskiego przechodząc ze stanu podstawowego do drugiego stanu wzbudzonego (drugiego stanu singletowego). Drugi stan wzbudzenia jest wyjątkowo nietrwały i cząsteczka chlorofilu przechodzi do pierwszego stanu wzbudzenia emitując kwant energii w zakresie podczerwieni. Energia pierwszego stanu wzbudzenia może być przekazana poprzez kolejne cząsteczki chlorofilu do centrum reakcji fotoukładu I lub II wybijając z niego elektron. W sytuacji kiedy porcja energii nie może być przyjęta przez centrum reakcji chlorofil emituje kwant światła czerwonego. Zjawisko to nosi nazwę fluorescencji. Należy zauważyć, że niezależnie od tego czy zostanie pochłonięty kwant światła niebieskiego czy kwant światła czerwonego do wybicia elektronu z centrum reakcji potrzebna jest jedynie energia pierwszego stanu wzbudzonego.

Chlorofil zdolny jest do pochłonięcia kwantu światła niebieskiego lub czerwonego.

Fosforylacja niecykliczna

Energia kwantów światła przekazana do centrum reakcji fotoukładu II powoduje wybicie elektronu. Elektron jest przekazywany przez cząsteczkę feofityny, a następnie poprzez cząsteczki plastochinonu połączone z białkami na wolny plastochinon. Powstały wskutek redukcji plastochinonu plastochinol przemieszcza się w błonie tylakoidu na drodze dyfuzji do kompleksu cytochromowego b6f. W obrębie kompleksu cytochromowego b6f zachodzi cykl Q w wyniku którego dodatkowe protony H+ przemieszczane są ze stromy chloroplastów do wnętrza tylakoidów. Kompleks cytochromowy b6f przekazuje elektron na niewielkie białko zwierające miedź – plastocyjaninę. Odbiorcą elektronów od plastocyjaniny jest fotoukład I, po uprzednim wybiciu elektronów z centrum reakcji. Wybicie elektronu z centrum reakcji fotoukładu I odbywa się poprzez wzbudzenie cząsteczki chlorofilu. Elektron wybity z centrum reakcji fotoukładu I przekazywany jest na cząsteczkę NADP+, która staje się formą zredukowaną NADPH. W przekazaniu elektronu na cząsteczkę NADP+ bierze udział kilka przekaźników, między innymi cząsteczka witaminy K (filochinon) oraz ferredoksyna. Miejsce po elektronie oderwanym z centrum reakcji fotoukładu II zapełniane jest przez elektron oderwany z wody. Reakcja ta jest przeprowadzana przez kompleks rozkładający wodę. Po oderwaniu 4 elektronów następuje rozszczepienie 2 cząsteczek wody na 4 protony i cząsteczkę tlenu. W wyniku uwalniania protonów, z rozkładu wody, wewnątrz tylakoidu – lumen, pobierania protonów podczas redukcji NADP+ w stromie chloroplastu oraz transportu protonów w cyklu Q, ze stromy do wnętrza tylakoidu, powstaje gradient protonowy – różnica stężeń protonów a zewnątrz i wewnątrz tylakoidu. Gradient protonowy jest wykorzystywany przez kompleks syntazy ATP do wytwarzania drugiego produktu fazy jasnej – ATP. Opisany szlak wędrówki elektronów z cząsteczki wody na cząsteczkę NADP+ określa się jako fosforylację niecykliczną.

Fosforylacja cykliczna

W okresie zwiększonego zapotrzebowania na ATP elektron z ferredoksyny może zostać przeniesiony nie na NADP+ lecz na kompleks cytochromowy b6f i następnie poprzez plastocjaninę powrócić do centrum reakcji fotoukładu II. Takiemu cyklicznemu transportowi elektronów towarzyszy przenoszenie protonów przez błonę tylakoidu, wytwarzanie gradientu stężeń protonów i synteza ATP, nie powstaje jednak NADPH. Opisany szlak wędrówki elektronu nosi nazwę fosforylacji cyklicznej.

Faza ciemna – Cykl Calvina

Związki będące produktami fazy ciemnej fotosyntezy zostały szczegółowo poznane dzięki badaniom Melvina Calvina i Andrew Bensona, za co w 1961 roku Melvin Calvin otrzymał nagrodę Nobla. Badania te wykazały, że izotop węgla C14 podawany organizmom fotosytetyzującym pojawia się najpierw w związku trójwęglowym – kwasie 3-fosfoglicerynowym. Z tego powodu rośliny, u którym pierwszym produktem asymilacji CO2 jest związek trójwęglowy określa się jako rośliny typu C3.

3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H+ → C3H6O3-(trioza) + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+ + 3 H2O

Faza karboksylacji

Dwutlenek węgla przyłączany jest do 1,5-bisfosforybulozy. Enzymem katalizującym przyłączenie cząsteczki CO2 jest karboksylaza 1,5-bisfosforybulozy określna też jako karboksydysmutaza lub enzym RuBisCO (ang. ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase)- (EC 4.1.1.39). Enzym ten jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych białek w przyrodzie. W wyniku przyłączenia cząsteczki CO2 do 1,5-bisfosforybulozy powstaje nietrwały związek sześciowęglowy – 1,5-bisfosfo-2-karboksy-3-ketoarabitol, który niemal natychmiast rozpada się na dwie cząsteczki kwasu 3-fosfoglicerynowego.

Faza redukcji

Kwas 3-fosfoglicerynowy jest fosforylowany ze zużyciem ATP powstającego w fazie jasnej do kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego. Drugi wysokoenergetyczny produkt fazy jasnej jest z kolei zużywany w reakcji redukcji kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego do aldehydu 3-fosfoglicerynowego.

Faza regeneracji

Z aldehydu 3-fosfoglicerynowego oraz pozostającego w stanie równowagi izomeru – fosfodihydroksyacetonu w cyklu reakcji (patrz schemat) z udziałem enzymów przenoszących części łańcuchów węglowych odtwarzany jest akceptor CO2 1,5-bisfosforybuloza. Po związaniu 6 cząsteczek CO2 z cyklu może zostać wyprowadzona 1 cząsteczka heksozy.

Reakcje te zachodzą w stromie chloroplastów i są określane jako cykl Calvina-Bensona. Jest to tzw. faza bezpośrednio niezależna od światła fotosyntezy. Należy jednak podkreślić, że światło stymuluje również niektóre enzymy cyklu Calvina-Bensona poprzez utrzymywanie w stanie zredukowanym ich grup sulfhydrylowych.

Fotosynteza u bakterii

Wśród organizmów prokariotycznych zdolnych do korzystania ze światła jako źródła energii można wyróżnić: sinice, bakterie zielone, bakterie purpurowe, heliobakterie oraz wykorzystujące światło na zupełnie inaczej niż pozostałe organizmy fotosyntetyzujące halobakterie.

Oksygeniczny typ fotosyntezy, z wydzieleniem tlenu, występuje jedynie u sinic. Przebieg fotosyntezy u tych bakterii nie różni się znacząco od przebiegu fotosyntezy u roślin. Charakterystyczną cechą sinic są układy antenowe zawierające jako barwnik pomocniczy fikobiliny. Układy antenowe sinic określane są jako fikobilisomy. Pozostałe bakterie wykazują anoksygeniczny typ fotosyntezy, bez wydzielania tlenu. Łańcuch transportu elektronów może przypominać albo fotoukład I – tak jest w przypadku bakterii zielonych siarkowych i heliobakterii, lub fotoukład II – tak jest w przypadku bakterii purpurowych i bakterii zielonych nitkowatych.

Bakterie zielone i heliobakterie

Bakterie zielone siarkowe mogą wykorzystywać jako źródło elektronów wodór, siarkowodór, tiosiarczan a nawet pierwiastkową siarkę. Kompleksy antenowe tych bakterii zawierają bakteriochlorofile a, c, d i e. W skład centrum jedynego fotoukładu wchodzi bakteriochlorofil a. Elektron wybity przez światło z fotoukładu przenoszony jest kolejno na bakteriochlorofil 663, centrum żelazo-siarkowe, ferredoksynę, mononukleotyd flawinowy i ostatecznie redukuje nukleotyd nikotynoadeninowy (NAD+). Istnieje także możliwość powrotu elektronu do centrum reakcji poprzez menachinon, kompleks cytochromowy b/c i cytochrom c. Taka droga odpowiadałby cyklicznemu transportowi elektronów w fosforylacji cyklicznej roślin. Podobny łańcuch transportu elektronów posiadają heliobakterie.

Bakterie purpurowe

Bakterie purpurowe jako źródło elektronów mogą wykorzystywać związki siarki, siarkę pierwiastkową, wodór oraz proste związki organiczne (np. jabłczan, bursztynian). Kompleksy antenowe tych bakterii zawierają bakteriochlorofile a lub b. Elektron wybity przez światło z fotoukładu przenoszony jest kolejno na bakteriofeofityna (bakteriochlorofil pozbawiony magnezu) chinon A, mononukleotyd flawinowy i ostatecznie redukuje nukleotyd nikotynoadeninowy (NAD+). Elektron może także powrócić do centrum reakcji poprzez chinon B, kompleks cytochromowy b/c i cytochrom c. W cyklicznym transporcie elektronów wytwarzane jest jedynie ATP.

NADH oraz ATP wytworzone przy okazji transportu elektronów zużywane są w cyklu Calvina. W redukcji CO2 poza NADH może także uczestniczyć zredukowana ferredoksyna.

Halobakterie

W odmienny sposób energie świetlną wykorzystują halobakterie, w których błonie komórkowej znajduje się specyficzne białko połączone z barwnikiem – bakteriorodopsyna. Kompleks ten może pochłaniać kwanty światła przechodząc w stan wzbudzenia. Powrót do stanu podstawowego umożliwia przeniesienie przez błonę protonu. Wypompowanie protonów na zewnątrz komórki wytwarza gradient stężenia protonów wykorzystywane następnie przez syntazę ATP zlokalizowaną w błonie komórkowej do syntezy ATP.