Fotoszintézis I. A fényreakció Dr. Horváth Ferenc

Fotoszintézis: a fény energiájának hasznosítása szerves anyagok szintézisére A Napból az atmoszférát elérő energiamennyiség: 56 x 1023 J/év Ennek a fele éri el a Föld felszínét: 28 x 1023 J/év A fotoszintézisben hasznosulni képes hullámhosszok energiája ebből: 15 x 1023 J/év Az előállított szerves anyag tömege 2 x 1011 tonna/év, melynek energiatartalma: 3 x 1021 J/év A fotoszintetizáló szervezetek tehát az arra alkalmas energiának csak 0,2 %-át hasznosítják.

Fotoszintetizáló szervezetek 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 O2 tartalma fotoszintetikus eredetű! „oxigén katasztrófa” – 2,4 milliárd éve

A fotoszintézis általános reakcióegyenlete H2D + A H2A + D fény Redox reakció, melyben H2D-donor, A-akceptor molekula A fotoszintetizáló szervezetek döntő többségében a donor molekula a víz, az akceptor molekula a szén-dioxid vagy más molekulák. 2n H2O + n CO2 n (CH2O) + n H2O + n O2 A felszabaduló O2 a vízből képződik. Jelenleg magas a légkör O2 tartalma (21 tf%) a CO2-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

H2S + CO2 [CH2O] + S H2O + CO2 [CH2O] + O H2S + NO3- NH3 + S H2D + A H2A + D fény Elektrondonor lehet még: kénhidrogén, hidrogén, szerves anyagok (zöld és bíbor baktériumok) Elektronakceptor lehet még: nitrátion, szulfátion, N2, H+ Variánsok 1.) CO2 asszimiláció H2S + CO2 [CH2O] + S H2O + CO2 [CH2O] + O [CH2O] = szénhidrát 2.) nitrogén asszimiláció H2S + NO3- NH3 + S H2O + N2 NH3 + O N2-fixálás Anabaena

F. F. Blackman (1905-1911) Magas CO2 koncentrációnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a fény intenzitásával (alacsony fényintenzitások esetén). Magas fényintenzitásnál a fotoszintézis sebessége egyenesen arányos a CO2 koncentrációjával (alacsony CO2 koncentrációk esetén). A fotoszintézis két szakaszra bontható: „fényszakasz” és „sötétszakasz”

Robert Hill (1937) Izolált kloroplasztiszok megvilágítás mellett, mesterséges elektron akceptorok jelenlétében oxigént termelnek. Hill, R., 1937. Oxygen evolution by isolated chloroplasts. Nature 139 S. 881-882 2 H2O + 2 A 2 AH2 + O2 fény A reakcióhoz nem kell CO2. Az elektron akceptor a NADP+. 2 H2O + 2 NADP+ 2 NADPH + 2 H+ + O2 fény Sikerült kimutatni, hogy a NADPH képződése (fotoredukció) mellett a fényenergia terhére ATP is szintetizálódik (fotofoszforiláció).

A fotoszintetikus apparátus szerkezete Kloroplasztiszok lencse alakú, 3-10 µm3, 20-60 db/sejt kettős membrán határolja (6 nm vastagságúak, 10-20 nm-es résekkel) sztróma (CO2 redukciós enzimek, klp cirkuláris DNS, 70S riboszómák, keményítőszemcsék) tilakoidmembránok, összefüggő üregrendszer = lumen gránumok

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

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

Kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek Kapcsolt és nem-kapcsolt felszínek. A fehérje-komplexek elhelyezkedése a tilakoid membránban. Komponens Gránum t. Sztróma t. PS II 85 15 PS I Cyt-b6/f 50 LHC II 70-90 10-30 ATP-szintáz 100 A fehérjekomplexek százalékos megoszlása a gránum és sztrómatilakoidok között

Honnan származik a kloroplasztisz? 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

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)

A fény tulajdonságai A fény hullám és részecske természetű c = λ ν, ahol c a hullám sebessége (3 x 108 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 10-34 J s).

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

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

Spektrofotometria A fény elnyelődése a vizsgálandó anyagban (pl. klorofill a molekulák), mely a fényt nem-elnyelő oldószerben van feloldva A = log I0 / 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)

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

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 P680 és P700 tud fotokémiai reakcióba lépni A többi forma fény abszorbeáló és energiaátadó

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

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

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: Core complex I (CCI) – PS I reakciócentruma LHC I – PS I fénygyűjtő komplexe CC II – PS II reakciócentruma LHC II – PS II fénygyűjtő komplexe

CC I. LHC I. Heterodimer komplex (PsaA és PsaB) Monomerenként 40-50 klorofill-a, 1-2 β-karotin csak az egyiken van P700 A0 – klorofill-a A1 – 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

CC II. LHC II. 7 fehérjéhez kapcsolódik chl-a D1 és D2 fehérjék heterodimert alkotnak P680, 4-5 kl-a, 2 Pheo CP43, CP47 QA és QB (elsődleges és másodlagos akceptorok) D1 161. aminosava, tirozin; az YZ 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

A fény abszorpciója, a Jablonski-féle termséma A gerjesztett molekula energiája S1 10-9 s T1 10-15 s ΔE2 10-15 s 10-3 s ΔET ΔE1 S0 Szinglet ↔ triplet átalakulás (nem radiatív) Fluoreszcencia (radiatív) Vibrációs kaszkád (hő) Kék gerjesztőfény Vörös gerjesztőfény Foszforeszcencia (radiatív) Belső konverzió (hő) Abszorpció

Klorofill molekula: alapállapot (S0), 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 S1 vagy S2 állapot) vagy parallel (pl. triplet T1) állapotban vörös fény (kisebb energiájú foton) elnyelése: S1 állapot kék fény (nagyobb energiájú foton) elnyelése: S2 állapot

Fluoreszcencia A klorofill fluoreszcenciája akkor is a vörös hullámhossz tartományba esik, ha kék fényt nyel el Ok: az S2-S1 átmenet mindig hő formájában disszipálódik (belső konverzió) A fluoreszcens fény hullámhossza nagyobb a gerjesztő fényénél (hőveszteség miatt) S2 S1

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

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: P680 I. fotokémiai rendszer: P700

A gerjesztési energia sorsa hővé alakul (belső konverzió, vibrációs kaszkád), fluoreszcencia, fotokémiai reakciók (redox folyamatok, S1 és T1 szintről történhet) rezonancia energia transzfer: energia migráció (kémiailag azonos pigmentek között) vagy energiatranszfer (kémiailag eltérő pigmenteknek adódik át az energia)

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

Az első kísérlet, amely bizonyította, hogy több klorofill molekula működik együtt az energia-konverzióban Emerson és Arnold (1932) 10-5 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 O2 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.

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

A két fotokémiai rendszer Korai bizonyítékok 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 Emerson-féle erősítési effektus Ha egyidejűleg a 685 nm-nél nagyobb hullámhosszú fény mellett (pl. 700 nm; oxigéntermelés: P1) rövidebb hullámhosszút is alkalmazott (650 nm, P2), akkor az együttes alkalmazás esetén (700 nm + 650 nm; P1+2): P1 + P2 < P1+2

A két fotokémiai rendszer Korai bizonyítékok L. R. Blinks kísérlete (1950) Kromatikus átmenetek 650 nm és 700 nm fény intenzitását úgy állította, hogy P1 = P2 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 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 működésének kapcsolata; a Z-séma 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 fotoszintetikus elektrontranszport