FOTOSYNTEZA II

I. Faza ciemna i tematy pokrewne.

1. Wiązanie CO2, cykl Calvina Bensona

Produkty jasnej fazy fotosyntezy: ATP i NADPH są zużywane do wbudowywania CO2 W związki organiczne w procesie nazywanym ciemną fazą fotosyntezy. Główne reakcje fazy ciemnej zachodzą w stromie. Tam znajdują się enzymy uczestniczące w tym procesie.

Faza ciemna – redukcyjny cykl pentozowy, ciąg reakcji służących do asymilacji CO2

Cykl Calvina-Bensona. Asymilacja CO2 przez rośliny typu C3.   (Calvin – Nobel 1961)

Pi – nieorganiczny fosforan

Regeneracja – szereg reakcji, w których uczestniczą enzymy takie jak:

-   transketolaza (przenosi fragmenty dwuwęglowe)

-   aldolaza – rozszczepia łańcuch węglowy

-   fosfataza (odcina fosforan)

-   kinaza pentozofosforanowa(fosforyluje rybulozo-5-fosforan do rybulozo-1,5-bisfosforanu)

-          izomerazy (zamieniają aldozy w ketozy i odwrotnie)

-          epimeraza pentozofosforanowa (zmienia konformację podstawników przy jednym węglu)

UWAGA! Reakcje regeneracji przebiegają w cytoplazmie

Dla zainteresowanych:

Gdyby ktoś potrzebował wzorów:

I. Karboksylacja

II. Redukcja

PGA – 3-fosfoglicerynian

BPG – 1,3 bisfosfoglicerynian

GAP – aldehyd

3-fosfoglicerynowy

Do regeneracji niestety nie znalazłam, żadnego ładnego i czytelnego rysunku ze wzorami.

Ogólny rysunek cyklu, można sobie na nim poszukać cukrów pojawiających się na szlaku regeneracji.

Koniec części dla zainteresowanych

2. Rubisco 

Czyli karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1-5-bisfosforanu. Kluczowy enzym cyklu Calvina, determinuje szybkość przyswajania CO2.

Rubisco jest enzymem działającym bardzo wolno (zaledwie kilka cz CO2 na s) stąd trzeba jej dużo: stanowi 50% wszystkich rozpuszczalnych białek liścia, uważana za najliczniejsze białko w biosferze, zasoby szacowane na 10 mln ton (chociaż różne źródła różne liczby podają).

U roślin wyższych zbudowana z 8 podjednostek dużych (51-58 kDa) i 8 podjednostek małych (12-18 kDa) (u bakterii może np. występować w postaci L2). Miejsce katalityczne na  styku podjednostek dużych. Rola małych podjednostek słabo poznana. Enzym rozpuszczalny w wodzie.

O aktywności oksygenazowej Rubisco – przy fotoodychaniu w p. 5

3. Regulacja enzymów

Aktywność wielu enzymów fazy ciemnej np. Rubisco, kinazy rybulozo-5-fosforanu stymulowana przez alkalizację stromy.

Do aktywacji Rubisco potrzebne Mg2+ - transport Mg2+. Transport Mg2+ do stromy sprzężony z transportem H+.

Niektóre enzymy regulowane też przez redukcję mostków disiarczkowych. Duże ilości zredukowanej ferredoksyny Fd jest redukowana w fazie jasnej przez PS I) powodują redukcję mostków disiarczkowych tioredoksyny, z kolei tioredoksyna redukuje mostki enzymów cyklu

Szybkość wiązania CO2 zależy też od stężeń metabolitów pośrednich (u roślin trzymanych w ciemności stężenia metabolitów cyklu Calvina stosunkowo małe, dlatego po oświetleniu roślin początkowo wiązanie CO2 zachodzi wolno. Przyspieszeniu ulega po kilku minutach – tzw. okresie indukcji, gdy wzrośnie stężenie metabolitów pośrednich cyklu. Także zależy od dostępności Pi (fosforan jest stale tracony z eksportem fosfotrioz do cytozolu, dlatego musi być stale „importowany” do stromy.

Ponadto w ciemności kumuluje się 2-karboksyarabinitol, który jest inhibitorem karboksylacji.

4. Zależności energetyczne wiązania CO2

Na 1 związaną w cyklu Calvina cz CO2 potrzeba 2 cz NADPH i 3 cz ATP

Wydajność energetyczna cyklu liczona, jako stosunek energii „zmagazynowanej w glukozie” do całej energii jaką można by uzyskać zużywając tyle ATP i NADPH ile potrzebne do przyswojenia 6 cz CO2 – prawie 90%

Minimalnie 8-9 fotonów potrzebne do przyswojenia 1 cz CO2 (w Kopcewiczu są jeszcze dalsze wyliczenia).

5. Fotooddychanie

Stymulowane przez światło wydzielanie CO2 związane z pobieraniem O2. Nie generuje energii, prowadzi do jej strat (zużywa ATP i NADPH). Wynika z niedoskonałości Rubisco.

Rubisco oprócz reakcji karboksylacji rybulozo-1,5-bisfosforanu może też przeprowadzać konkurencyjną reakcję utleniania tegoż związku przez O2 – stąd nazwa – karboksylaza/oksygenaza.

CO2 i O2 są wiązane w tym samym miejscu w centrum katalitycznym, konkurują zatem ze sobą. W zależności od stężenia przeważa karboksylacja lub utlenienie.

Prawdopodobnie Rubisco jest enzymem bardzo starym, powstał, gdy w atmosferze było niewiele tlenu, stąd jego zdolność do przeprowadzania reakcji „ubocznej” nie była aż tak istotna.

Gdy rośliny rosną w atmosferze o normalnym składzie: 0,035% CO2, 21% O2 – szybkość karboksylacji przewyższa szybkość utleniania 2,5-3x (w środowisku wodnym sytuacja wygląda podobnie). Gdyby stężenia obu gazów były równe – karboksylacja przeważałaby ok. 80x. Często, gdy fotosynteza przeprowadzana intensywnie stężenie CO2 w liściu spada i nasila się utlenianie.

W wyniku utleniania rybulozo-1,5-bisfosforanu powstaje fosfoglicerynian i fosfoglikolan, który stanowi właściwy substrat fotooddychania. Fosfoglikolan jest inhibitorem cyklu Calvina i roślina musi go przekształcać z powrotem do fosfoglicerynianu. Wymaga to całego cyklu reakcji – to właśnie je nazywamy fotooddychaniem.

Zachodzi ono aż w trzech przedziałach komórkowych: chloroplastach, peroksysomach i mitochondriach.

Konkurencyjne reakcje karboksylacji/utleniania

Około ¼ pierwotnie włączanego CO2 jest tracone w procesie fotooddychania.

Wysokie stężenie tlenu, wysokie natężenie światła, wysoka temperatura – sprzyjają fotooddychaniu

W warunkach silnego oświetlenia i przy normalnym stężeniu CO2 w atmosferze (ok. 360 ppm) ilość CO2 uwalnianego w procesie fotooddychania może przewyższać ilość CO2 uwalnianego w wyniku oddychania mitochondrialnego (nazywanego czasem oddychaniem ciemnym).

Co dalej z fosfoglikolanem?

Na wszelki wypadek jeszcze jeden schemat

Fotooddychanie przynosi straty –

Całkowity koszt energetyczny odtworzenia fosfoglicerynianu z 2-fosfoglikolanu - 5 cz ATP, 3 NADH lub NADPH.

Rośliny, u których fotooddychanie – stosunkowo niski punkt kompensacyjny – w granicach 30-50 ppm w temp 25°C (o punkcie kompensacyjnym będzie jeszcze napisane)

Są sugestie, że fotooddychanie może chronić aparat fotosyntetyczny przed uszkodzeniem, gdy reakcje świetlne przebiegają z dużą prędkością a szybkość reakcji ciemnych maleje z powodu zmniejszania się zawartości CO2 w liściu. Zużywanie gromadzącego się NADPH zapobiega wysycaniu się łańcucha transportu elektronów i w konsekwencji generowaniu ROS.

Jednakże – fotooddychanie odpowiada za zmniejszenie produktywności roślin. Szacuje się, że w upalny, bezwietrzny dzień, gdy stężenie CO2 w powietrzu lokalnie spada, co pociąga za sobą nasilenie fotooddychania, przyrost biomasy może spadać o 50%.

Na intensywność fotooddychania ma wpływ również temperatura:

-          ze wzrostem temperatury rozpuszczalność CO2 w wodzie maleje szybciej niż rozpuszczalność tlenu, stosunek obu gazów zmienia się zatem na korzyść tlenu.

-          Temperatura zmienia własności kinetyczne enzymu faworyzując aktywność oksygenazową.

Fotooddychanie zachodzi głównie u roślin typu C3.

Szacuje się, że przy silnym nasłonecznieniu w temperaturze 25°C ilośćCO2 traconego w wyniku fotooddychania może sięgać nawet ponad 50% ilości CO2 związanego w fotosyntezie. Fotoooddychanie w przypadku roślin C3 prowadzi do znacznego spadku produkcji biomasy. Fotodd. Jest silnie obniżone lub wcale nie występuje u roślin typu C4 oraz CAM.

6. Chlororespiracja (oddychanie chloroplastowe) – w chloroplastach niektórych zielenic elektrony mogą być przenoszone z NAD(P)H na tlen – czyli tak, jak w normalnym oddychaniu tlenowym) ale ma to miejsce w błonie tylakoidów. Uczestniczą w nim reduktaza NAD(P)H:plastochinon i oksydaza końcowa przenosząca elektrony na tlen. Oraz przenośniki wspólne dla chlororespiracji i fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów – jak cytochrom b6f, czy cytochrom c.

Chlororespiracja zachodzi w ciemności.

Dygresja: w sinicach w tych samych błonach zachodzi fototsyntetyczny łańcuch transportu elektronów, jak i oddechowy.

U roślin wyższych wykrywano w chloroplastach obecność elementów łańcucha transportu elektronów w uczestniczących chlororespiracji, ale nie potwierdzono zachodzenia tego procesu.

7. Rośliny typu C4.

Zadaniem cyklu C4 jest „zagęszczanie” CO2 dostępnego dla Rubisco. Pozwala zminimalizować straty wynikające z fotooddychania. Okazuje się, że zwiększenie stężenia CO2 ok. 15x powoduje zmniejszenie utleniania do ok. 2% karboksylacji.

Cykl C4 jest dodatkowym cyklem wiązania CO2 poprzedzającym ale NIE zastępującym karboksylacji przeprowadzanej przez Rubisco.

Wymaga dodatkowego wydatkowania energii ale za to roślina nie traci węgla w fotooddychaniu – u roślin C4 ogólnie fotosynteza jest wydajniejsza, mają szybszy przyrost biomasy i zużywają mniej wody.

Większy koszt energetyczny – związanie 1 cz CO2 wymaga 2 cz NADPH i 5 cz ATP.

Dodatkowo konieczność transportu z miękkiszu do pochwy okołowiązkowej i z powrotem.

U roślin strefy zwrotnikowej np. kukurydza, trzcina cukrowa, rosnących w gorącym, suchym klimacie (jeśli susza – to roślina musi zamykać szparki, by zminimalizować utratę wody, tym samym zmniejsza także dopływ CO2 z atmosfery (więcej o tym w p. II). Rośliny C4 – wiele gatunków należących do kilkunastu rodzin – głownie trawy, turzyce, ale też u niektórych dwuliściennych.

Specyficzna budowa liścia: miękkisz liścia + pochwa okołowiązkowa – połączone plazmodesmami, pozwalającymi na przemieszczanie się cząstek do 1 kDa.

Karboksylowany jest „aktywowany związek”, wysokoenergetyczny fosfoenolopirogronian.

Dikinaza pirogronian:fosforan – o tyle ciekawa, że fosforyluje jednocześnie pirogronian, jak i nieorganiczny fosforan.

Karboksylaza PEP ma większe powinowactwo do CO2 niż Rubisco, pozwala to na efektywne wiązanie CO2, gdy jest go niedużo.

W komórkach pochwy okołowiązkowej dochodzi do „uwalniania” CO2 z jabłczanu – dochodzi więc tam do zagęszczania CO2. Stężenie CO2 w cytozolu komórek pochwy okołowiązkowej może 10-20krotnie przewyższać jego stężenie w komórkach mezofilu.

Karboksylaza PEP i dikinaza pirogronian:fosforan – występują tylko w miękkiszu, zaś enzymy dekarboksylujące – w komórkach pochwy okołowiązkowej.

Aktywność kluczowych enzymów szlaku C4 – jak karboksylaza PEP, dehydrogenaza jabłczanowa, dikinaza pirogronian:fosforan – pośrednio stymulowana przez światło. Regulacja polega na odwracalnej redukcji mostków disiarczkowych (dehydrogenaza) lub fosforylacji/defosforylacji (dikinaza).

Czasem szczawiooctan ulega transaminacji do asparaginianu i w takiej postaci jest transportowany do kom. pochwy okołowiązkowej, gdzie (w cytozolu lub w mitochondriach) jest na powrót przekształcany do jabłczanu.

Gatunki przekształcające asparaginian do szczawiooctanu w mitochondriach – dekarboksylacja przez enzym jabłczanowy zależny od NAD, jeśli transaminacja w cytozolu to dekarboksylacja z udziałem karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej.

Związki trójwęglowe (pirogronian, fosfoenolopirogronian) powstające w wyniku dekarboksylacji ulegają przekształceniu w alaninę i tak są transportowane do mezofilu liścia, gdzie przekształcane do fosfoenolopirogornianu.

UWAGA!

W chloroplastach komórek pochwy okołowiązkowej nie ma PSII.Jest tylko PSI i cyt b6f – zachodzi tu cykliczny transport elektronów dookoła PSI (patrz Fotosynteza I) – generowany jest tylko ATP. NADPH potrzebny do redukcji CO2 jest uzyskiwany z utleniania jabłczanu. Brak PSII oznacza brak utleniania wody do tlenu – a więc reakcje jasnej fazy fotosyntezy w komórkach pochwy okołowiązkowej nie generują tlenu.

W ten sposób w pochwie okołowiązkowej rośliny cyklu C4 nie tylko zwiększone jest stężenie CO2 w miejscu działania Rubisco ale także zmniejszone jest  stężenie tlenu – co sprawia, że karboksylacja znacznie przeważa nad utlenianiem.

Dodatkowo ewentualny uwalniany w komórkach pochwy okołowiązkowej CO2, jeśli je opuści to jest z powrotem wiązany w miękkiszu przez karboksylazę PEP.

8. Rośliny CAM (crassulacean acid metabolism)

Rodziny – głównie: Cactaceae, Bromeliaceae, Crassulaceae, występujące w klimacie pustynnym i półpustynnym. Konieczność oszczędzania wody!

Otwierają szparki tylko w nocy, wtedy CO2 może napływać do wnętrza rośliny. W dzień szparki zamknięte –co chroni przed utratą wody.

Same reakcje szlaku podobne do tych, które występują u roślin szlaku C4, w innych miejscach zachodzą, NIE ma podziału na pochwę okołowiązkową i miękkisz.

-          nocą wiązanie CO2 przez karboksylazę PEP (fosfoenolopirogronian pochodzi z glikolizy, w nocy rozkład cukrów)

-          powstający jabłczan transportowany do wakuol i tam magazynowany

-          w dzień – eksport jabłczanu z wakuoli, dekarboksylacja jabłczanu i wiązanie uwalnianego w ten sposób CO2 w cyklu Calvina.

-          regeneracja zapasu skrobi w dzień.

Uwalnianie CO2 z jabłczanu w dzień, gdy szparki zamknięte – duże wewnątrzkomórkowe stężenie CO2 – faworyzowana aktywność karboksylazowa Rubisco.

Gdy jabłczan gromadzi się w wakuolach nocą pH spada tam do poniżej 4, zaś w dzień, gdy eksportowany z wakuol pH wzrasta do ok. 6.

U roślin C4 dwie karboksylacje (przeprowadzana prze karboksylazę PEP – wstępne wiązanie i Rubisco – właściwe wiązanie) rozdzielone przestrzennie (miękkisz, pochwa okołowiązkowa) a u roślin CAM – czasowo (dzień, noc).

Rośliny CAM – konieczność ścisłego regulowania enzymów cyklu – karboksylaza PEP i dekarboksylaza jabłczanu nie mogą pracować jednocześnie. Karboksylaza PEP regulowana przez fosforylację na serynie – w dzień – w formie nieufosforylowanej jest wrażliwa na inhibicję przez jabłczan, w nocy – fosforylacja, ufosforylowany enzym nie jest blokowany przez jabłczan. Kinaza fosforylująca karboksylazę PEP jest regulowana na poziomie ekspresji genu przez oscylator okołodobowy.

Rośliny CAM potrzebują jeszcze więcej ATP do wiązania węgla, ale tracą jeszcze mniej wody niż C4. Wiążą mało CO2 – obligatoryjne rośliny CAM wolno rosną.  Są też fakultatywne rośliny CAM – wykorzystują wstępne wiązanie CO2 tylko, gdy niedobór wody.

9. Wiązanie CO2 u niektórych organizmów wodnych

Sinice:

Transport jonów węglanowych ze środowiska. W karboksysomach występuje anhydraza węglanowa – która przekształca węglany do CO2, tu też obecna Rubisco. W ten sposób „uwalnianie” CO2...