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 H₂O + 6 CO₂ + energia świetlna -- C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ - 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. H₂S

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

* dla tych organizmów równanie fotosyntezy można zapisać następująco:

12 H₂S + 6 CO₂ + energia świetlna -- C₆H₁₂O₆ + 12 S + 6 H₂O

* pomijając wspomniane różnice równanie fotosyntezy przyjmuje postać:

2 H₂A + CO₂ + energia świetlna -- (CH₂O) + 2 A + H₂O

* H₂A - dawca (donor) wodoru, (CH₂O) - cukier

6 C₁ + 18 ATP + 12 NADPH -- C₆ + 18 ADP + 18P_i + 12 NADP+

FAZA CIEMNA/PRZEMIANY SUBSTANCJI (CYKL CALVINA)

* niezależna od światła

* zatrzymanie fazy następuje po wyczerpaniu siły asymilacyjnej

* zachodzi tu cykl Calvina

- asymilacja (przyswojenie) CO₂

- powstanie związków organicznych (produktów fotosyntezy)

* reakcja ogólna fazy ciemnej

6 CO₂ + 12 (H₂) + 18 ATP -- C₆H₁₂O₆+ 6 H₂O + 18 ADP + 18 P_i

* zapis 12 (H₂) użyty w równaniu oznacza 12 cząstek zredukowanego NADPH

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

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 H₂O + energia świetlna + 18 ADP + 18 P_i -- 12 (H₂) + 18 ATP + 6 O₂

* (H₂) 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 O₂

* 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 H₂O

* 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

KARBOKSYLACJA

* przyłączanie CO₂ do 5-węglowego organicznego akceptora CO₂ (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 CO₂ (5*C₃ - 3*C₅)

* 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:

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

FOTOODDYCHANIE

* oksydacyjny proces zużywania tlenu w warunkach niedoboru CO₂, 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 CO₂

* gdy stężenie CO₂ jest niskie, a temperatura wysoka rubisco wykorzystuje jako substraty RuBP oraz tlen

FOTOSYNTEZA C₃ I C₄

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 CO₂ w komórkach miękiszu asymilacyjnego, nawet stukrotnie w porównaniu z innymi roślinami

- mogą gromadzić CO₂ 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 CO₂ 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 CO₂

* CO₂ 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 CO₂

- pierwotny, 3-węglowy PEP

- wtórny, 5-węglowy RuBP

* produktami asymilacji jest szczawiooctan - 4-węglowy, od tego związku pochodzi nazwa fotosynteza C₄ (rośliny C₄ ) a zwykła fotosynteza nosi nazwę fotosyntezy C₃ (rośliny C₃ )

* 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 CO₂ w roślinie, dzięki czemu fotosynteza zachodzi szybciej

* w naszych warunkach klimatycznych produktywność roślin przeprowadzających fotosyntezę C₄ jest niższa niż w tropikach

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 CO₂, 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 CO₂ hamują procesy fotosyntezy

* podobnie działają pestycydy (środki ochrony roślin)

CZYNNIKI ENDOGENNE (WEWNĘTRZNE)

* ilość i rozmieszczenie aparatów szparkowych

- decydują one o szybkości wnikania do liścia CO₂ i dyfundowania na zewnątrz O₂

* 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 CO₂

* 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 CO₂ dla fotosyntezujących roślin jest gleba, w której zachodzi rozkład materii organicznej (proces mineralizacji) przeprowadzany przez mikroorganizmy glebowe (destruentów), który dostarcza dużych ilości CO₂

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 CO₂ 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

---