Fotoszintézis Dr. Horváth Ferenc egyetemi adjunktus SZTE Növénybiológiai Tanszék

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.

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 reakció során tehát a víz oxidálódik, a szén-dioxid pedig redukálódik. A felszabaduló O2 a vízből képződik. redukált termék redukció oxidáció fény n = 6

Fotoszintetizáló szervezetek Prokarióták zöld, kékes-zöld és bíbor baktériumok, Prochloron-fajok Eukarióták egysejtű algák, többsejtű zöld-, barna és vörösmoszatok, magasabbrendű növények A Föld jelenlegi légkörének O2 tartalma fotoszintetikus eredetű! „oxigén katasztrófa” – 2,4 milliárd éve

A növények levele A fotoszintézis legfőbb helyszíne Levélér Levél keresztmetszet Mezofillum CO2 O2 Sztómák

Kloroplasztisz Organellum, melyben a fotoszintézis zajlik Tilakoidokat és gránumokat tartalmaznak Kloroplasztisz Mezofillum sejtjei 5 µm Külső membrán Membránok közötti tér Belső membrán Lumen Tilakoid Gránum Sztróma 1 µm

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

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 „szén-redukció”

A napfény 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 (abszorpciója) a vizsgálandó anyagban (pl. klorofill a molekulák), amely a fényt nem-elnyelő oldószerben van feloldva Fehér fény Fénytörő prizma Klorofill oldat Fotoelektromos cső Galvanométer A rés csak a kiválasztott hullámhosszt engedi át Zöld fény Az erős sugárzás (alacsony abszorpció) azt mutatja, hogy a klorofill csak kevés zöld fényt abszorbeál Kék fény 1 2 3 4 100 A gyenge sugárzás (magas abszorpció) azt mutatja, hogy a klorofill a legtöbb kék fényt abszorbeálja

A fotoszintetikus pigmentek A kloroplasztisz pigmentek fény abszorpciója Klorofill a A kloroplasztisz pigmentek abszorpciós spektruma. A fény hullámhossza (nm) Klorofill b Karotinoidok Csak az a fény válthat ki fotokémiai reakciót, amely a rendszerben elnyelődik (A fotokémia I. törvénye) bakterioklorofillok klorofillok (a, b, c, d) kísérőpigmentek fikobilinek

pl. oxigéntermelés sebessége, a fotoszintézis kvantumhatásfoka Akcióspektrum: funkció vagy reakció sebessége a fény hullámhosszának függvényében pl. oxigéntermelés sebessége, a fotoszintézis kvantumhatásfoka Theodor W. Engelmann (1883) kísérlete 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.

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

A klorofill fénnyel való gerjesztése Amikor a pigment molekula fényt abszorbeál, az alapállapotból instabil gerjesztett állapotúvá válik Gerjesztett állapot Gerjesztési energia Hő Foton (fluoreszcencia) Klorofill molekula Alapállapot e–

Ha az izolált klorofillokat tartalmazó oldatot megvilágítjuk Fluoreszkál, fényt és hőt ad le

Fénybegyűjtő komplexek 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 Elsődleges elektronakceptor Foton Gránum Fénybegyűjtő komplexek Reakció- centrum Fotorendszer SZTRÓMA Tilakoid membrán Energia transzfer Klorofill a molekulák Pigment molekulák LUMEN (A GRÁNUM BELSEJE) e–

Electron transport chain A két fotokémiai rendszer működésének kapcsolata Photosystem II (PS II) Photosystem-I (PS I) ATP NADPH NADP+ ADP CALVIN CYCLE CO2 H2O O2 [CH2O] (sugar) LIGHT REACTIONS Light Primary acceptor Pq Cytochrome complex PC e P680 e– + 2 H+ Fd reductase Electron Transport chain Electron transport chain P700 + 2 H+ + H+

A két fotokémiai rendszer működésének kapcsolata Mill makes ATP e– Photon Photosystem II Photosystem I NADPH

A fotoszintetikus elektrontranszportlánc FÉNY REAKCIÓ NADP+ ADP ATP NADPH CALVIN CIKLUS [CH2O] (cukor) SZTRÓMA (Alacsony H+ koncentráció) Photosystem II FÉNY H2O CO2 Citokróm komplex O2 1⁄2 Photosystem I Fény LUMEN (Magas H+ koncentráció) Tilakoid membrán szintáz Pq Pc Fd reduktáz + H+ NADP+ + 2H+ A Calvin- ciklus felé + P H+ 2 H+ +2 H+ Fény

A fotoszintetikus elektrontranszportlánc

Az ATP szintáz Funkciója a tilakoid membrán két oldala között kialakuló protongradiens elektrokémiai energiájának kémiai szabadenergiává alakítása. Protontranszfer: 3 proton / 1 ATP molekula (32 kJ/mol) Kötésváltoztató mechanizmus Gyenge kötődés: az aktív centrum gyengén köti az ADP-t és Pi-t Erős kötődés: az ATP molekula kialakul Nyitott konformáció: ATP leválás

Elektron- transzport lánc A kemiozmózis helye a mitokondriumok és kloroplasztiszok esetében különbözik, ám a protonmozgató erőből mindkettőben ATP képződik Jelölés Magasabb [H+] Alacsonyabb [H+] Mitokondrium Kloroplasztisz MITOKONDRIUM SZERKEZET Intermembrános tér Membrán Mátrix Elektron- transzport lánc H+ Diffúzió Lumen Sztróma ATP P ADP+ Szintáz KLOROPLASZTISZ

Ciklikus elektrontranszport Elsődleges akceptor Pq Fd Citokróm komplex Pc Elsődleges akceptor NADP+ reduktáz NADPH ATP Photosystem II Photosystem I

The Dark Biochemistry A CO2 asszimilációja: fixáció és redukció avagy a sötét szakasz… A CO2 asszimilációja: fixáció és redukció

2n H2O + n CO2 n (CH2O) + n H2O + n O2 redukált termék redukció oxidáció fény Ha nem fotoszintetikus úton előállított ATP-t és NADPH-t adunk sötétben lévő kloroplasztiszokhoz, akkor ugyanúgy megtörténik a CO2-fixáció, mintha megvilágítottuk volna őket.

A C2-es fotorespirációs ciklus M. Calvin (1948-1953) tisztázta elsőként a CO2-fixáció folyamatát, azóta több alternatív utat is feltártak Melvin Calvin, Nobel díj 1961. A C3-as (primer termék 3-szénatomos molekula) fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus) A C2-es fotorespirációs ciklus A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus) A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben

1. A C3-as fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus) 5 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2 D papírkromatografálva PGA- glicerinsav-3-foszfát 30 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2 D papírkromatografálva Szénben jelzett hidrogénkarbonát ion, H14CO3- adagolásával a széndioxid fixálás elsődleges termékei kimutathatók

III. fázis: A CO2 akceptor RuBP regenerációja (G3P) Bemenet (Egyszerre csak egy lép be) CO2 3 Rubisco Rövid életidejű köztes termék 3 P P Ribulóz-biszfoszfát (RuBP) Glicerinsav-3-foszfát 6 P 6 Glicerinsav1,3-biszfoszfát 6 NADPH 6 NADPH+ Glicerinaldehid-3-foszfát 6 ATP 3 ATP 3 ADP CALVIN- CIKLUS 5 1 G3P (cukor) Kimenet Fény H2O FÉNY REAKCIÓ ATP NADPH NADP+ ADP [CH2O] (cukor) CALVIN CIKLUS O2 6 ADP Glükóz és más szerves vegyület I. fázis: Szén fixáció III. fázis: A CO2 akceptor RuBP regenerációja II. fázis: Redukció

Rubisco: a levél összes fehérje tartalmának több, mint 50%-a N-raktár, a Föld népességének minden tagjára 20 kg jut… Évente 200 milliárd tonna CO2-t fixál A fehér és szürke a nagy alegység dimereket, a narancs és kék a kis alegység dimereket mutatja.

RUBISCO Ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz-oxigenáz a reakciót katalizáló enzim a kloroplasztisz sztrómájában Kettős enzimaktivitású – karboxiláz és oxigenáz (3:1) Kompetíció, ha mindkét szubsztrátum jelen van CO2/O2 koncentrációk aránya hőmérséklet-függő, melegben a karboxiláz aktivitás részaránya csökken

Fotorespiráció Az oxigenáz reakció eredményeképp egy három szénatomos glicerinsav-foszfát és egy két szénatomos glikolsav-foszfát keletkezik. Ez utóbbi nem használódhat fel a Calvin ciklusban. A fotorespirációs ciklus során viszont a peroxiszóma és a mitokondrium segítségével a szén veszteség csökkenthető.

2. A C2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus Összegezés: Minden 2 molekula glikolsav-foszfát (2 x 2 = 4 C atom), mely a Calvin-ciklusból a RuBP oxigenálódása miatt vész el, 1 molekula glicerinsav-3-foszfáttá (C3) + 1 molekula CO2-dá alakul. Más szóval, az oxigenálódás miatt elveszett szén 75%-át a fotorespirációs ciklus visszavezeti a Calvin-ciklusba. A fotorespirációs ciklussal viszont a CO2 fixáció teljes energiaigénye megnő.

A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus) Probléma: a hőmérséklet emelésével a CO2 és O2 oldhatósága megváltozik úgy, hogy a CO2/O2 arány csökken. Ezért a Rubisco oxigenáz aktivitása erősebbé válik. A sztómák is záródnak a vízvesztés megakadályozása miatt, így tovább csökken a rendelkezésre álló CO2 mennyisége.  C4 stratégia C4-es növények jellegzetességei: A primer fixációs termékek négy szénatomosak, pl. oxálecetsav, almasav és aszparaginsav A négy szénatomos molekulákból 1 szénatom adódik a C3-as ciklus felé Anatómiai különbségek

C3 és C4 levélszerkezet A C4-es növények anatómiája szembeszökően különbözik a C3-as növényekétől. Csak a C4-es növényekben találhatók fotoszintetizáló hüvelyparenchima (bundle sheath) vagy Kranz sejtek.

A kukoricalevél tipikus Kranz-anatómiája

C4 levél szerkezet és a C4 út CO2 Mezofill sejt Hüvely- parenchima sejt Levélér (szállítószövet) A C4 növény levél fotoszintetizáló sejtek Sztóma C4 levél felépítés PEP karboxiláz Oxálecetsav (4 C) PEP (3 C) Almasav (4 C) ADP ATP Piruvát (3 C) CALVIN CIKLUS Cukor Szállítószövet primér fixációs termék C4 sav (oxálecetsav) foszfoenol-piruvát (PEP) karboxilálódik a C4-es és a C3 ciklus térben elválasztódik: speciális anatómia (mezofill és hüvelyparenchima) trópusi, szubtrópusi növényekben

4. A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben Crassulacean Acid Metabolism Crassulaceae Cactaceae Euphorbiaceae Liliaceae Bromeliaceae…

A CAM útvonal hasonló a C4 úthoz A lépések térbeli elkülönülése. A C4 növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus eltérő sejtekben zajlik. (a) A lépések időbeli elkülönülése. A CAM növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus ugyanabban a sejtben de eltérő időben zajlik. (b) Ananász Cukornád Hüvelyparenchima sejt Mezofill sejt Szerves sav CALVIN CIKLUS Cukor CO2 C4 CAM CO2 négy szénatomos savakba épül (szén fixálás) Éjszaka Nappal 1 2 A szerves savak- ból CO2 szabadul fel a Calvin ciklus számára

A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben

Összefoglalás Fényreakció Calvin ciklus H2O CO2 Fény O2 Fényreakciók: • A tilakoid membrán molekulái működtetik • A fény energiája ATP és NADPH kémiai energiájává alakul • Vízbontás és O2 kibocsájtás a légkörbe Calvin-ciklus reakciók: • Sztrómában zajlik • Az ATP és NADPH felhasználásával a CO2 G3P cukorrá alakul • Az ADP, a szervetlen foszfát és a NADP+ visszatér a fényreakcióba O2 CO2 H2O Fény Fényreakció Calvin ciklus NADP+ ADP ATP NADPH + P 1 RuBP Glicerinsav-3-foszfát Aminosavak Zsírsavak Keményítő (raktározás) Szacharóz (export) G3P II. Fotokémiai rendszer Elektrontranszport lánc I. Fotokémiai rendszer Kloroplasztisz