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 H
2
O + 6 CO
2
+ energia świetlna -- C
6
H
12
O
6
+ 6 O
2
– 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. H
2
S
* fotosyntezę beztlenową (anoksygeniczną) mogą w pewnych warunkach przeprowadzać także sinice
* dla tych organizmów równanie fotosyntezy można zapisać następująco:
12 H
2
S
+
6 CO
2
+ energia świetlna -- C
6
H
12
O
6
+ 12 S + 6 H
2
O
* pomijając wspomniane różnice równanie fotosyntezy przyjmuje postać:
2 H
2
A
+
CO
2
+ energia świetlna -- (CH
2
O)
+ 2 A + H
2
O
* H
2
A – dawca (donor) wodoru, (CH
2
O) - cukier
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
FOTOODDYCHANIE
* oksydacyjny proces zużywania tlenu w warunkach niedoboru CO
2
, 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 CO
2
* gdy stężenie CO
2
jest niskie, a temperatura wysoka rubisco wykorzystuje jako substraty RuBP oraz tlen
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
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 H
2
O
+ energia świetlna + 18 ADP + 18 P
i
-- 12
(H
2
)
+ 18 ATP + 6 O
2
* (H
2
) 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 O
2
* 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 H
2
O
* 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
FOTOSYNTEZA C
3
I C
4
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 CO
2
w
komórkach miękiszu asymilacyjnego,
nawet stukrotnie w porównaniu z
innymi roślinami
- mogą gromadzić CO
2
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 CO
2
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 CO
2
* CO
2
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 CO
2
- pierwotny, 3-węglowy PEP
- wtórny, 5-węglowy RuBP
* produktami asymilacji jest szczawiooctan – 4-węglowy, od tego związku pochodzi nazwa
fotosynteza C
4
(rośliny C
4
) a zwykła fotosynteza nosi nazwę fotosyntezy C
3
(rośliny C
3
)
* 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 CO
2
w roślinie, dzięki czemu fotosynteza zachodzi szybciej
* w naszych warunkach klimatycznych produktywność roślin przeprowadzających fotosyntezę
C
4
jest niższa niż w tropikach
FAZA CIEMNA/PRZEMIANY SUBSTANCJI (CYKL CALVINA)
* niezależna od światła
* zatrzymanie fazy następuje po wyczerpaniu siły asymilacyjnej
* zachodzi tu cykl Calvina
- asymilacja (przyswojenie) CO
2
- powstanie związków organicznych (produktów fotosyntezy)
* reakcja ogólna fazy ciemnej
6 CO
2
+ 12
(H
2
)
+ 18 ATP -- C
6
H
12
O
6
+ 6 H
2
O + 18 ADP + 18 P
i
* zapis 12
(H
2
)
użyty w równaniu oznacza 12 cząstek zredukowanego NADPH
KARBOKSYLACJA
* przyłączanie CO
2
do 5-węglowego
organicznego akceptora CO
2
(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 CO
2
(5*C
3
- 3*C
5
)
* 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:
6 C
1
+ 18 ATP + 12 NADPH -- C
6
+ 18 ADP + 18P
i
+ 12 NADP+
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 CO
2
, 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 CO
2
hamują procesy fotosyntezy
* podobnie działają pestycydy (środki ochrony roślin)
CZYNNIKI ENDOGENNE (WEWNĘTRZNE)
* ilość i rozmieszczenie aparatów szparkowych
- decydują one o szybkości wnikania do liścia CO
2
i
dyfundowania na zewnątrz O
2
* 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 CO
2
* 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 CO
2
dla fotosyntezujących
roślin jest gleba, w której zachodzi rozkład materii organicznej
(proces mineralizacji) przeprowadzany przez mikroorganizmy
glebowe (destruentów), który dostarcza dużych ilości CO
2
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 CO
2
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