Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Fotoszintézis I. A fényreakció Dr. Horváth Ferenc.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Fotoszintézis I. A fényreakció Dr. Horváth Ferenc."— Előadás másolata:

1 Fotoszintézis I. A fényreakció Dr. Horváth Ferenc

2 Fotoszintézis: a fény energiájának hasznosítása szerves anyagok szintézisére A Napból az atmoszférát elérő energiamennyiség: 56 x J/év Ennek a fele éri el a Föld felszínét: 28 x J/év A fotoszintézisben hasznosulni képes hullámhosszok energiája ebből: 15 x J/év Az előállított szerves anyag tömege 2 x tonna/év, melynek energiatartalma: 3 x J/év A fotoszintetizáló szervezetek tehát az arra alkalmas energiának csak 0,2 %- át hasznosítják.

3 Prokarióták zöld, kékes-zöld és bíbor baktériumok, Prochloron-fajok, Halobacterium halobium Eukarióták egysejtű algák, többsejtű zöld-, barna és vörösmoszatok, magasabb rendű növények A Föld jelenlegi légkörének O 2 tartalma fotoszintetikus eredetű! „oxigén katasztrófa” – 2,4 milliárd éve Fotoszintetizáló szervezetek

4 A fotoszintézis általános reakcióegyenlete H 2 D + A H 2 A + D Redox reakció, melyben H 2 D-donor, A-akceptor molekula fény A fotoszintetizáló szervezetek döntő többségében a donor molekula a víz, az akceptor molekula a szén-dioxid vagy más molekulák. 2n H 2 O + n CO 2 n (CH 2 O) + n H 2 O + n O 2 A felszabaduló O 2 a vízből képződik. Jelenleg magas a légkör O 2 tartalma (21 tf%) a CO 2 -hoz képest (0,03 tf%), amely gátolja a fotoszintézist. A karbon korban lehetett az ideális arány, hatalmas mennyiségű szerves anyag képződött  fosszilis energiaforrás redukált termék redukció oxidáció fény

5 Elektrondonor lehet még: kénhidrogén, hidrogén, szerves anyagok (zöld és bíbor baktériumok) Elektronakceptor lehet még: nitrátion, szulfátion, N 2, H + H 2 S + CO 2 [CH 2 O] + S H 2 O + CO 2 [CH 2 O] + O H 2 S + NO 3 - NH 3 + S H 2 O + N 2 NH 3 + O 1.) CO 2 asszimiláció 2.) nitrogén asszimiláció Variánsok [CH 2 O] = szénhidrát H 2 D + A H 2 A + D fény N 2 -fixálás Anabaena

6 F. F. Blackman ( ) Magas CO 2 koncentrációnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a fény intenzitásával (alacsony fényintenzitások esetén). Magas fényintenzitásnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a CO 2 koncentrációjával (alacsony CO 2 koncentrációk esetén). A fotoszintézis két szakaszra bontható: „fényszakasz” és „sötétszakasz”

7 Sikerült kimutatni, hogy a NADPH képződése (fotoredukció) mellett a fényenergia terhére ATP is szintetizálódik (fotofoszforiláció). Robert Hill (1937) Izolált kloroplasztiszok megvilágítás mellett, mesterséges elektron akceptorok jelenlétében oxigént termelnek. A reakcióhoz nem kell CO 2. Az elektron akceptor a NADP +. 2 H 2 O + 2 A 2 AH 2 + O 2 fény 2 H 2 O + 2 NADP + 2 NADPH + 2 H + + O 2 fény Hill, R., Oxygen evolution by isolated chloroplasts. Nature 139 S Nature

8 A fotoszintetikus apparátus szerkezete Kloroplasztiszok lencse alakú, 3-10 µ m 3, db/sejt kettős membrán határolja (6 nm vastagságúak, nm-es résekkel) sztróma (CO 2 redukciós enzimek, klp cirkuláris DNS, 70S riboszómák, keményítőszemcsék) tilakoidmembránok, összefüggő üregrendszer = lumen gránumok

9 sztrómatilakoid gránatilakoid sztróma A kloroplasztisz belső membránrendszerének elektronmikroszkópos képe keményítő szemcse a sztrómában

10 pl. reakciócentrumok, antenna pigment-protein komplexek, elektron továbbító fehérjék A PS II D1 fehérjéjének szerkezete a tilakoid membránban A tilakoid membránban integráns membránfehérjék találhatók

11 Kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek. A fehérje- komplexek elhelyezkedése a tilakoid membránban. KomponensGránum t.Sztróma t. PS II8515 PS I1585 Cyt-b 6 /f50 LHC II ATP-szintáz0100 A fehérjekomplexek százalékos megoszlása a gránum és sztrómatilakoidok között

12 A prokarióták közül ehhez legjobban a Prochloron fajok tikaloidjai hasonlítanak (kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek) Oxigént termelő, zsákállatokkal szimbiózisban élő szervezetek. Klorofill a és b is megtalálható Endoszimbionta elmélet – a Prochloron fajok endoszimbiózisával alakultaki a magasabb rendű növények kloroplasztiszai Prochloron didemni Honnan származik a kloroplasztisz?

13 Cianobaktériumok (kékeszöld- baktériumok), és vörösmoszatok tilakoidjai - nem tapadnak össze - felszínükből fikobiliszómák emelkednek ki 60 nm átmérőjű, 10 nm vastag félgömbök Áll: fikobiliproteinek és más kötő proteinek Elektrondonor: víz  oxigént fejlesztenek a fotoszintézis során fikoeritrin fikocianin allofikocianin reakció- centrum Cianobaktériumok okozta vízvirágzás (kékeszöld színűre festik a vizeket)

14 A fény tulajdonságai A fény hullám és részecske természetű c = λ ν, ahol c a hullám sebessége (3 x 10 8 m s -1 ) λ a hullámhossz, ν pedig a frekvencia A fény részecske a foton, melynek energiatartalma a kvantum. A fény energiája kvantumok összességéből áll, ezért nem folytonos, hanem diszkrét értékeket vesz fel. Egy foton energiája függ a foton hullámhosszától: E = h · ν, ahol h a Planck állandó (6,626 x J s).

15 A napfény ilyen energiakvantumok (fotonok) „esője”, melyből szemünk csak egy adott frekvenciatartományt lát. nm

16 A napfény energiatartalma különböző hullámhosszokon Abszorpciós spektrum: A fényenergia elnyelődése különböző hullámhosszokon

17 Spektrofotometria A fény elnyelődése a vizsgálandó anyagban (pl. klorofill a molekulák), mely a fényt nem-elnyelő oldószerben van feloldva A = log I 0 / I A = abszorbancia, más néven optikai denzitás (OD) A = εcl, ahol (Lambert-Beer törvény) ε az anyag moláris abszorpciós együtthatója (L mol -1 cm -1 ) c az anyag koncentrációja l a küvettavastagság (általában 1 cm) (Web Topic 7.1)

18 Csak az a fény válthat ki fotokémiai reakciót, amely a rendszerben elnyelődik (A fotokémia I. törvénye) bakterioklorofillok klorofillok (a, b, c, d) kísérőpigmentek fikobilinek A fotoszintetikus pigmentek

19 Klorofillok Porfirin gyűrű – négy pirrolgyűrűből áll A négy pirrolgyűrű mellett egy öttagú ciklopentanon gyűrű található Magnézium ion a porfirinváz közepén, amely savas közegben leválik, ekkor a neve: feofitin Észter kötéssel csatlakozó fitol Sok klorofill a forma van, melyek közül a P 680 és P 700 tud fotokémiai reakcióba lépni A többi forma fény abszorbeáló és energiaátadó

20 Kísérőpigmentek Karotinoidok 40 C-atomos poliizoprén molekulák Konjugált kettős kötések α és β-ionon gyűrűk a molekula végein lutein  -karotin Két csoport: karotinok és oxigént tartalmazó xantofillok Sárga színűek, mert a kék tartományban abszorbeálnak Fotoprotektív hatás Energia közvetítés a klorofillok felé

21 Fikobilinek cianobaktériumokban, vörös algákban A pirrol gyűrűk nem záródnak porfirin gyűrűvé, nincs fématom A fikobiliproteinekhez kötődő kromofórok

22

23 Klorofill-protein komplexek Tilakoidok detergensekkel szolubilizálva  gélelektroforézis  többféle klorofill-karotinoid-protein komplex választható szét Klorofill-a-protein komplexek Reakciócentrum Reakciócentrum belső antennarendszere A fehérjék szintézise és a DNS is a kloroplasztiszban van Klorofill-a/b-protein komplexek Lhca1… stb, fénygyűjtő funkció citoplazmában szintetizálódnak, kód a sejtmagban van  későbbi eredet 4 fő csoport: 1.Core complex I (CCI) – PS I reakciócentruma 2.LHC I – PS I fénygyűjtő komplexe 3.CC II – PS II reakciócentruma 4.LHC II – PS II fénygyűjtő komplexe

24 CC I. Heterodimer komplex (PsaA és PsaB) Monomerenként klorofill-a, 1-2 β- karotin csak az egyiken van P 700 A 0 – klorofill-a A 1 – K-vitamin (fillokinon) Ferredoxinok (vas-kén proteinek) – 3 db egymás után Mobilis ferredoxin LHC I. Klorofill a és b aránya (3,5:1) Klorofill-a/b-protein komplexek alkotják

25 CC II. 7 fehérjéhez kapcsolódik chl-a D 1 és D 2 fehérjék heterodimert alkotnak P 680, 4-5 kl-a, 2 Pheo CP43, CP47 Q A és Q B (elsődleges és másodlagos akceptorok) D aminosava, tirozin; az Y Z elsődleges e- donor 2 db citokróm b559, fotoprotektív szerep Mn atomok - vízbontás ("M" enzim) LHC II. Lhcb1, Lhcb2 és Lhcb3 (klorofill a/b proteinek) Xantofill molekulákat is tartalmaznak Trimerekké szerveződik Mobilis trimerek

26 ΔE2ΔE2 T1T1 ΔETΔET ΔE1ΔE1 S1S1 S2S2 S0S0 A gerjesztett molekula energiája Vibrációs kaszkád (hő) Belső konverzió (hő) Szinglet ↔ triplet átalakulás (nem radiatív) Fluoreszcencia (radiatív) Foszforeszcencia (radiatív) Abszorpció A fény abszorpciója, a Jablonski-féle termséma Kék gerjesztőfény Vörös gerjesztőfény s s s

27 Klorofill molekula: alapállapot (S 0 ), az elektronok energiája kvantált, csak adott energiaszintek léteznek, amelyek tovább bomlanak a molekula vibrációs és rotációs energiájának megfelelően, nagy molekulák esetén széles sávokká válnak. Egy π-elektron kötő pályáról π* lazító pályára lép. Pauli-féle tilalmi elv: 1 molekulapályán maximum két elektron foglalhat helyet, méghozzá ellentétes spinnel A gerjesztett állapotban a lazító pályán lévő elektron állhat antiparallel (szinglet S 1 vagy S 2 állapot) vagy parallel (pl. triplet T 1 ) állapotban vörös fény (kisebb energiájú foton) elnyelése: S 1 állapot kék fény (nagyobb energiájú foton) elnyelése: S 2 állapot

28 A klorofill fluoreszcenciája akkor is a vörös hullámhossz tartományba esik, ha kék fényt nyel el Ok: az S 2 -S 1 átmenet mindig hő formájában disszipálódik (belső konverzió) A fluoreszcens fény hullámhossza nagyobb a gerjesztő fényénél (hőveszteség miatt) Fluoreszcencia S1S1 S2S2

29 E teljes Fluoreszcencia Fotokémiai munka Hő Zárt reakciócentrum Nyitott reakciócentrum Fluoreszcencia PAM-2100 készülék A levélből származó fluoreszcenciát méri

30 Az antenna-pigmentek az elnyelt fényenergiát a reakciócentrum klorofill a felé továbbítják A fényenergia vándorlása: antenna pigmentek között: külső és belső antennák reakciócentrumok klorofill a molekulájához: energia csapdázódás II. fotokémiai rendszer: P 680 I. fotokémiai rendszer: P 700

31 A gerjesztési energia sorsa hővé alakul (belső konverzió, vibrációs kaszkád), fluoreszcencia, fotokémiai reakciók (redox folyamatok, S 1 és T 1 szintről történhet) rezonancia energia transzfer: energia migráció (kémiailag azonos pigmentek között) vagy energiatranszfer (kémiailag eltérő pigmenteknek adódik át az energia)

32 Energiaátadás két pigment molekula között akkor történik, ha a donor és akceptor molekula fluoreszcencia és abszorpciós spektruma részben fedi egymást

33 Az első kísérlet, amely bizonyította, hogy több klorofill molekula működik együtt az energia-konverzióban Emerson és Arnold (1932) s fényvillanásokat bocsátottak zöldalga szuszpenzióra, és mérték a képződő oxigén mennyiségét. A villanások 0,1 s-ként követték egymást. A villanások erejének fokozásával az oxigén termelődés telíthető volt. Maximális sebességnél, 1 molekula O 2 képződésére 2500 db klorofill molekula esik a mintában. Számolható ebből egy fontos paraméter, a kvantumhatékonyság: Működő, gyenge fényen tartott kloroplasztisz esetén ez 0,95. A fluoreszcencia kvantumhatékonysága ekkor 0,05.

34 Akcióspektrum: funkció vagy reakció sebessége a fény hullámhosszának függvényében pl. oxigéntermelés sebessége, a fotoszintézis kvantumhatásfoka Az akcióspektrum abszorpciós spektrummal való összevetése megmutatja, hogy mely pigmentek milyen mértékben vesznek részt az adott folyamatban. A prizmával alkotóelemeire bontott fehér fény kék és vörös hullámhosszú komponenseivel megvilágított régió köré gyűlnek az aerob baktériumok a fotoszintetizáló Spirogyra körül

35 R. Emerson kísérlete (1943) Chlorella oxigéntermelésének akcióspektrumát vizsgálta A 685 nm-nél nagyobb hullámhosszú fény akcióspektruma hirtelen lecsökken: „red drop” vagy „vörös esés” a vörös hullámhossztartományban Vörös esés A két fotokémiai rendszer Korai bizonyítékok

36 Emerson-féle erősítési effektus Ha egyidejűleg a 685 nm-nél nagyobb hullámhosszú fény mellett (pl. 700 nm; oxigéntermelés: P 1 ) rövidebb hullámhosszút is alkalmazott (650 nm, P 2 ), akkor az együttes alkalmazás esetén (700 nm nm; P 1+2 ): P 1 + P 2 < P 1+2 A két fotokémiai rendszer Korai bizonyítékok

37 L. R. Blinks kísérlete (1950) Kromatikus átmenetek 650 nm és 700 nm fény intenzitását úgy állította, hogy P 1 = P 2 Ekkor az egyik hullámhosszról a másikra való gyors váltás jellegzetes sebességváltozásokat okozott az oxigéntermelésben. Tehát a kétféle fény mintha két különböző rendszert kapcsolna ki és be. A két fotokémiai rendszer Korai bizonyítékok

38 Hill és Bendall, 1960 A citokróm f oxidációja a kloroplasztiszban. A távoli-vörös fény oxidálta, a zöld fény redukálta a citokrómot: Az „antagonisztikus effektus” Magyarázat: a távoli-vörös fény csak a PS I-et gerjeszti (a vörös eltolódás is emiatt jelentkezik), a zöld fény mindkettőt. A két fotokémiai rendszer Korai bizonyítékok

39 Különbségek: PS II erős oxidálószert, mellyel a vizet oxidálja, és gyenge redukálószert termel PS I gyenge oxidálószert és erős redukálószert termel, mellyel a NADP + -t redukálja A két fotokémiai rendszer működésének kapcsolata; a Z-séma

40 A fotoszintetikus elektrontranszport


Letölteni ppt "Fotoszintézis I. A fényreakció Dr. Horváth Ferenc."

Hasonló előadás


Google Hirdetések