Fotosynteza – wykład 12

[3] Chloroplasty u roślin posiadają specyficzną kompartmentację wewnętrzną. Tylakoidy ułożone są w grana, a błona komórkowa tylakoidów wewnątrzgranalnych jest inaczej usieciowana przez kompleksy niż w przypadku tylakoidów wyeksponowanych do stromy.

[4] Fotosynteza dzieli się na reakcje w fazie jasnej (kontrolowanej przez błony tylakoidów) oraz fazie przemian węglowych (kontrolowanej przez enzymy stromy). W wyniku zadziałania kwantu światła produkowana jest energia ATP i NADPH, a cząsteczka wody ulega przemianom, w wyniku których powstaje cząsteczka tlenu. W fazie przemian węglowych dwutlenek węgla jest przetwarzany do wodorowęglanów.

[5] Różne grupy organizmów posiadają różne rodzaje chlorofilu. Dla roślin charakterystyczna jest obecność chlorofilu a i chlorofilu b oraz karotenoidów.

[6] Chlorofil zbudowany jest z 4 pierścieni pirolowych z łańcuchem fitolu, atomem magnezu w centrum połączonym do pochodnych porfirynowych mostkami metioninowymi.

[7] Różne rodzaje chlorofilu różnią się od siebie podstawnikami przy drugim pierścieniu pirolowym.

[8, 9] Substratem wyjściowym do syntezy chlorofilu jest kwas glutaminowy, który jest estryfikowany do glutamylo-tRNA przez Glu-tRNA syntetazę. Następuje redukcja do semialdehyd 1-glutaminowego, a następnie aminotransferaza przekształca ten związek do kwasu δ-aminolewulinowego (ALA), który po dehydratacji i dimeryzacji daje porfobilinogen. Następuje deaminacja do hydroksymetylobilanu, który przechodzi do uroporfirunogenu III, następnie dekarboksylacji do koproporfirynogenu III, oksydacji do protoporfirynogenu IX, kolejnej oksydacji do protoporfiryny IX (substratu do tworzenia hemu). Protoporfiryna IX przyłącza jon magnezu, który zmiania konformację podjednostek – w wyniku cyklizacji powstaje piąty pierścień w monowinylowej pochodnej protochlorofilidu. Powstanie chlorofilidu a wymaga zadziałania kwantu światła. Następnie związek ten przekształcany jest do chlorofilu a przez syntetazę chlorofilu.

[10] Fotosystem II (PSII) jest bardziej rozbudowany od PSI. Posiada on kompleksy LHC („zbierające” światło i kierujące), dwie podjednostki wiążące chlorofil (40-50 cząst.). PSI oprócz LH posiada jedną podjednostkę wiążącą chlorofil (90 cząst.). LHC zbudowany jest z trimeru „anten”.

[11] Biosynteza karotenoidów skupia się na działaniu desaturaz, epoksydaz i syntaz. Prekursorem jest ufosforylowany dimer geranylanowy, który przekształca się do likopenu na drodze działania desaturaz (enzymów tworzących wiązania podwójne). Likopen może cyklizować na drodze dwóch różnych procesów. Jeśli zadziała cyklaza β i ε powstaje α-karoten, który może być hydroksylowany do luteiny. Jeśli zadziała wyłącznie cyklaza β likopenu powstaje β-katoren, który może być przekształcany przez deepoksydację w karotenoidy odpowiedzialne za wzrok: zeaksantynę (kumulowane w siatkówce oka), anteraksantynę, wiolaksantynę.

[13] W zależności od fotosystemu stosowane są różne przenośniki elektronów. W PS I występuje chlorofil P700 w centrum reakcji, a elektrony przenoszone są przez chlorofil α, filochinon i centra Fe-S (żalazowo-siarkowe). W PS II w centrum reakcji znajduje się chlorofil P680, a łańuch elektronowy przechodzi przez feofitynę α, plastchinon a i plastochinon b.

[14, 15] Boczna heterogeniczność w granach powoduje nierównomierne rozmieszczenie przekaźników w błonach. Wewnątrz gran zgromadzona jest większość PS II u LHC II, a na zewnątrz (wyeksponowane do stromy) są syntaza ATP oraz PS I. Jedynie kompleks cytochromu b6f jest rozmieszczony równomiernie w całej błonie gran.

[16, 17] Za utlenianie cząsteczki wody do cząsteczki tlenu odpowiada klaster magnezowy, przekazujący elektrony na P680 w PSII. Elektrony przekazywane są do centrum reakcji (podjednostek D1 i D2), w których po wyłapaniu kwantu światła przez anteny (CP43, CP47) zachodzi redukcja i przeniesienie elektronów na feofidynę i dalej do plastochinonów.

[18, 19] Centrum reakcji fotosyntezy PS I to białka A i B. Białko C posiada centra Fe-S. Do białka D dokuje ferrooksyna, która przejmuje elektrony z centr żelazowo-siarkowych. Do białka F dokuje plastocyjanina, która przynosi elektrony przenoszone następnie do P700.

[20] Antagoniczne działanie kinazy i fosfatazy na światło reguluje rozdział energii świetlnej między PSI i PSII.

[21] Kooperacja zachodząca między PS II i PSI w transferze elektronów z wody na NADP⁺ związana jest z generacją ładunku redukcyjnego. Kwant światła wzbudza silny oksydant do przejścia w słaby reduktant w PSII. Następnie elektrony przenoszone są na PSI za pomocą łańcucha transportu elektronów (ETC). Na PSI kwant światła wzbudza oksydant do przejścia w silny reduktant, który przenoszony zostaje na NADP⁺.

[22] (a) j.w. (b) Membrana gran jest specyficznie skomponowana. Tuż za PSI znajduje się syntaza ATP wykorzystująca gradient protonowy wytworzony w lumenie (rozpad wody) do syntezy ATP.

[24] Cykl Q jest dwuobrotowy. Zachodzi on w transmembranowym cytochromie b6f. Działanie cyklu Q polega na zredukowaniu lub plastocyjaniny (PC) z jednoczesnym utlenieniem plastochinonu (PQ). W wyniku cyklu Q zwiększony jest gradient protonowy, gdyż do lumenu trafiają 4 protony ze stromy.

[28, 29, 30] Białka Akumulacja ładunków przez 5 stanów oksydacyjnych (S₀-S₄) i możliwość utlenienia wody do tlenu w najwyższym stanie. Kofaktorem tego procesu są jony wapnia, chloru oraz klaster manganowy. Inhibitorami tego procesu są DCMU (działa na PSII), DBMIB (działa na cytb6f) oraz paraquat (autooksydacja Fe-S PSI).

[31] Cykliczny łańcuch transportu elektronów wykorzystuje aktywność reduktazy (Fdx-PQ oksydoreduktaza) w obecności PSI. Skutkiem tego procesu jest wyłącznie wytworzenie gradientu protonowego.

[32] Syntaza ATP zbudowana jest z dwóch głównych podjednostek CF0 i CF1. Podjednostka CF0 jest zbudowana z czterech podjednostek, kotwiczy w błonie i odpowiada za translokację protonów (III). Podjednostka CF1 posiada pięć podjednostek pełniących różne funkcje: α, β (miejsca katalityczne), ε (aktywność ATPazowa), γ (umożliwienie przepływu protonów), δ (wiązanie do CF0).

[33] Miejsca katalityczne CF1 syntazy ATP mogą tworzyć trzy formy: O (otwartą, do której przyłącza się ADP i P), L (luźną, w której znajduje się ADP i P) oraz T (skupioną, w której znajduje się ATP). W wyniku dostarczenia energii (gradient protonowy) forma T zmienia się w formę O i ATP ulega uwolnieniu.

[34] Faza ciemna fotosyntezy (cykl Kalvina) można podzielić na trzy fazy: karboksylacji (przyłączenia trzech cząsteczek CO2, powstaje sześć cząsteczek 3-PGA), redukcji (powstaje 6 cząsteczek GAP) oraz wieloetapowej regeneracji.

[35] Enzym RuBisCo katalizuje reakcję przyłączenia cząsteczki dwutlenku węgla do rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) w wyniku czego powstaje 3-fosfoglicerynian (3-PGA).

[37] Aktywacja RuBisCo przez karbamylację reszty lizyny będącej skutkiem działania kwantu światła umożliwia powstanie 6 cząst. 3-PGA z 3 cząst. RuBP w fazie karboksylacji. Enzym jest aktywny dopiero po przyłączeniu jonu magnezu.

W fazie redukcji na 3-PGA działa kinaza fosfoglicerynowa. Powstały 1,3-bisfosfoglicerynian ulega degradacji do aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAP). 1 cząsteczka GAP używana jest do procesów biosyntezy i wytworzenia energii.

Pozostałe 5 cząst. GAP(#2) wchodzi do fazy regeneracyjnej, gdzie przechodzi kolejno:

• Izomerację do DHAP (TPI)

• Kondensację z GAP(#3) do fruktozo 1,6-bisfosforanu (aldolaza)

• Defosforylację do fruktozo-6-fosforanu (fosfataza)

• Przyłączenie GAP(#4) i rozdział na ksylulozo-5-fosforan i erytrozo-4-fosforan (transketolaza)

• Ksylulozo-5-fosforan epimeryzuje do rybulozo-5-fosofranu (epimeraza)

• Erytrozo-4-fosforan kondensuje z DHAP (powstałym z GAP(#5)) do sedoheptulozo-1,7-bisfosforanu (aldolaza)

• Defosforylacja do sedoheptulozo-7-fosforanu (bisfosfataza)

• Przyłączenie GAP(#6) i rozdział do ksylulozo-5-fosforanu i rybozo-5-fosforanu

• Ksylulozo-5-fosforan epimeryzuje do rybulozo-5-fosofranu (epimeraza)

• Rybozo-5-fosforan izomeryzuje do rybulozo-5-fosofranu (izomeraza)

[38] Ferrodoksyna w wyniku zadziałania kwantu światła przez PSI przechodzi w stan zredukowany. Powoduje to przejście tioredoksyny w stan zredukowany przez reduktazę ferrodoksyna:tioredoksyna. Zredukowana tioredoksyna redukuje mostek siarczkowy do grup sulfhydrylowych w białku łańcucha transportu elektronu, który powoduję przejście cząsteczki tlenu w cząsteczkę wody.

[42, 44] Rośliny C4 posiadają inną budowę struktur fotosyntetycznych (znajdują się one wyłącznie w komórkach mezofilu oraz komórkach pochewek wiązkowych). W fazie ciemnej z jonu wodorowęglanowego w wyniku karbokslyacji powstaje związek C4 (najczęściej szczawiooctan, OOA), który jest następnie przekształcany w inne (jabłczan, asparaginian) i przenoszony do komórki pochewek wiązkowych, gdzie związek ten ulega dekarboksylacji i wejściu CO₂ do cyklu Kalvina. Następuje ponowne przejście związku C3 do komórek mezofilu, gdzie zachodzi jego regeneracja do fosfoenolopirogronianu (PEP). Różne warianty transportowanych kwasów C4, C3 oraz dekarboksylaz są zależne od gatunku roślin.

[45] Wariant NADP⁺-jabłczan. W komórkach mezofilu PEP przyjmuje anion wodorowęglanowy i powstaje szczawiooctan, który w wyniku działania dekarboksylazy NADP⁺-jabłczan przekształca się w jabłczan, który przechodzi do komórek pochewek wiązkowych, gdzie ulega dekarboksylacji. Pirogronian powraca do komórek mezofilu, gdzie ulega regeneracji do PEP przez PPDK.

[47] Wariant NAD⁺-jabłczan. W komórkach mezofilu jako dekarboksylaza działa aminotransferaza asparaginianu, która przenosi na szczawiooctan część glutaminianu. Powstały w ten sposób asparaginian trafia do komórek pochewek wiązkowych, gdzie ponownie ten sam enzym katalizuje jego przejście w Szczawiooctan, który może zostać przekształcony w jabłczan przez dehydrogenazę NAD⁺-jabłczan. Powstały pirogronian przekształcany zostaje w alaninę przez aminotransferazę alaniny i ulega regeneracji w komórkach mezofilu.

[49] Wariant z karboksykinazą PEP. Do powstania szczawiooctanu w komórkach pochewek wiązkowych zachodzi jak wariant NAD⁺-jabłczan, jednak na tym etapie działa karboksykinaza PEP, która fosforyluje szczawiooctan i (po dekarboksylacji) powstaje PEP, który może swobodnie przejść do komórek mezofilu bez potrzeby regeneracji.

[51] Karboksykinaza PEP regulowana jest poprzez fosforylację związaną bezpośrednio z atakami kwantów światła. Karboksykinaza PEP jest bardziej aktywna w swej formie ufosforylowanej, gdy jest jasno.

[52] Rośliny gruboszowate, które muszą oszczędzać wodę, zamykając aparaty szparkowe w dzień, posiadają inny rodzaj metabolizmu - CAM. W nocy, gdy szparki są otwarte, pobierają one CO₂ i przekształcają go w szczawiooctan i dalej w jabłczan (dehydrogenaza jabłczanowa), który gromadzą w wakuolach. W dzień, gdy szparki są zamknięte, zgromadzony jabłczan może być uwalniany i przekształcany w pirogronian i CO₂ z pomocą dekarboksylazy NADP⁺-jabłczan. CO₂ wbudowane zostaje do związków cyklu Kalvina, więc fotosynteza zachodzi nawet przy zamkniętych szparkach.