Informacija

SS1_2019_Predavanje_09 - Biologija

SS1_2019_Predavanje_09 - Biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Svjetlosna energija i pigmenti

Svjetlosna energija

Sunce emitira ogromnu količinu elektromagnetskog zračenja (solarne energije) koje pokriva široki dio Elektromagnetski spektar, raspon svih mogućih frekvencija zračenja. U BIS2A se u velikoj mjeri bavimo potonjem, a u nastavku ćemo raspravljati o nekim vrlo osnovnim konceptima koji se odnose na svjetlost i njezinu interakciju s biologijom.

Prvo, međutim, moramo osvježiti nekoliko ključnih svojstava svjetla:

  1. Svjetlost u vakuumu putuje konstantnom brzinom od 299 792 458 m/s. Brzinu svjetlosti često skraćujemo varijablom "c".
  2. Svjetlost ima svojstva valova. Specifična "boja" svjetlosti ima karakterističnu valnu duljinu.

Udaljenost između vrhova u valu naziva se valna duljina i skraćeno je grčkim slovom lambda (Ⲗ). Atribucija: Marc T. Facciotti (izvorno djelo)

Inverzna proporcionalnost frekvencije i valne duljine. Val 1 ima valnu duljinu koja je 2x veća od vala 2 (Ⲗ1 > Ⲗ2). Ako dva vala putuju istom brzinom (c)zamislimo da se obje cijele crte koje su nacrtane vuku pored fiksne okomite linije istom brzinom tada je broj puta kada vrh vala prolazi kroz fiksnu točku veći za val 2 od vala 1 (f2 > f1). Facciotti (izvorno djelo)

3. Konačno, svaka frekvencija (ili valna duljina) svjetlosti povezana je s određenom energijom. Energiju ćemo nazvati "E". Odnos između frekvencije i energije je:

[E = h puta f]

gdje je h konstanta koja se zove Planckova konstanta (~6,626x10-34 Joule•sekunda kada je frekvencija izražena u ciklusima u sekundi). S obzirom na odnos između frekvencije i valne duljine, možete napisati i E = h*c/Ⲗ. Stoga, što je veća frekvencija (ili kraća valna duljina), to je više energije povezano s određenom "bojom". Val 2 na gornjoj slici povezan je s većom energijom od vala 1.

Sunce emitira energiju u obliku elektromagnetskog zračenja. Sva elektromagnetska zračenja, uključujući i vidljivu svjetlost, karakterizirana je valnom duljinom. Što je valna duljina duža, to manje energije nosi. Što je valna duljina kraća, to je više energije povezano s tim pojasom elektromagnetskog spektra.

Svjetlo koje vidimo

Vidljiva svjetlost koju ljudi vide kao bijela svjetlost sastoji se od duginih boja, od kojih svaka ima karakterističnu valnu duljinu. Određeni predmeti, kao što su prizma ili kap vode, raspršuju bijelo svjetlo kako bi ljudskom oku otkrili boje. U vidljivom spektru, ljubičasta i plava svjetlost imaju kraće (veće energije) valne duljine, dok narančasto i crveno svjetlo imaju duže (niže energije) valne duljine.

Boje vidljive svjetlosti ne nose istu količinu energije. Ljubičasta ima najkraću valnu duljinu i stoga nosi najviše energije, dok crvena ima najdužu valnu duljinu i nosi najmanju količinu energije. Zasluga: NASA-ina modifikacija rada

Apsorpcija pigmentima

Interakcija između svjetlosti i bioloških sustava odvija se kroz nekoliko različitih mehanizama, o nekima od kojih možete naučiti u višim tečajevima stanične fiziologije ili biofizičke kemije. U BIS2A se ponajviše bavimo interakcijom između svjetlosti i bioloških pigmenata. Ove interakcije mogu pokrenuti niz bioloških procesa ovisnih o svjetlosti koji se mogu grubo grupirati u dvije funkcionalne kategorije: staničnu signalizaciju i prikupljanje energije. Signalne interakcije uvelike su odgovorne za uočavanje promjena u okolišu (u ovom slučaju promjene svjetla). Primjer signalne interakcije može biti interakcija između svjetlosti i pigmenata izraženih u oku. Nasuprot tome, interakcije svjetlo/pigment koje su uključene u prikupljanje energije koriste se za – što nije iznenađujuće – hvatanje energije u svjetlosti i prijenos u stanicu za poticanje bioloških procesa. Fotofosforilacija, o kojoj ćemo uskoro saznati više, jedan je primjer interakcije prikupljanja energije.

U središtu bioloških interakcija sa svjetlom nalaze se skupine molekula koje nazivamo organskim pigmentima. Bilo u ljudskoj mrežnici, kloroplastnom tilakoidu ili mikrobnoj membrani, organski pigmenti često imaju specifične raspone energije ili valne duljine koje mogu apsorbirati. Osjetljivost ovih molekula na različite valne duljine svjetlosti posljedica je njihovog jedinstvenog kemijskog sastava i strukture. Raspon elektromagnetskog spektra dobiva nekoliko posebnih naziva zbog osjetljivosti nekih ključnih bioloških pigmenata: Retinalni pigment u našim očima, kada je spojen s proteinom senzora opsina, "vidi" (apsorbira) svjetlost pretežno između valnih duljina između od 700 nm i 400 nm. Budući da ovaj raspon definira fizičke granice elektromagnetskog spektra koji zapravo možemo vidjeti našim očima, ovaj raspon valnih duljina nazivamo "vidljivim rasponom". Iz sličnih razloga, budući da molekule biljnih pigmenta imaju tendenciju apsorbirati valne duljine svjetlosti uglavnom između 700 nm i 400 nm, biljni fiziolozi ovaj raspon valnih duljina nazivaju "fotosintetski aktivno zračenje".

Tri ključne vrste pigmenata o kojima raspravljamo u BIS2A

Klorofili

Klorofili (uključujući bakterioklorofile) dio su velike obitelji pigmentnih molekula. Postoji pet glavnih klorofilnih pigmenata pod nazivom: a, b, c, d, i f. Klorofil a se odnosi na klasu drevnijih molekula koje se nalaze u bakterijama tzv bakterioklorofili. Klorofili su strukturno karakterizirani prstenastom porfirinskom skupinom koja koordinira ion metala. Ova struktura prstena kemijski je povezana sa strukturom spojeva hema koji također koordiniraju metal i koji su uključeni u vezivanje i/ili transport kisika u mnogim organizmima. Različiti klorofili međusobno se razlikuju po različitim "ukrasima"/kemijskim skupinama na porfirinskom prstenu.

Struktura molekula hema i klorofila a. Uobičajeni porfirinski prsten obojen je crvenom bojom. Facciotti (izvorno djelo)

Karotenoidi

Karotenoidi su crveni/narančasti/žuti pigmenti koji se nalaze u prirodi. Nalaze se u voću – crvenoj boji rajčice (likopen), žutoj od sjemenki kukuruza (zeaksantin) ili naranči od narančine kore (β-karoten) – koji se koriste kao biološka „reklama“ za privlačenje raspršivača sjemena (životinje ili insekti koji mogu nositi sjeme negdje drugdje). U fotosintezi karotenoidi djeluju kao fotosintetski pigmenti. Osim toga, kada je list izložen punom suncu, ta površina je potrebna za obradu ogromne količine energije; ako se tom energijom ne rukuje pravilno, može napraviti značajnu štetu. Stoga mnogi karotenoidi pomažu apsorbirati višak energije u svjetlosti i sigurno rasipati tu energiju kao toplinu.

Flavonoidi

Flavonoidi su vrlo široka klasa spojeva koji se nalaze u velikoj raznolikosti u biljkama. Ove molekule dolaze u mnogim oblicima, ali sve dijele zajedničku strukturu jezgre prikazanu u nastavku. Raznolikost flavonoida proizlazi iz mnogih različitih kombinacija funkcionalnih skupina koje mogu "ukrasiti" jezgru flavona.

Prstenasta jezgra flavana.

Svaka vrsta pigmenta može se prepoznati po specifičnom uzorku valnih duljina koje apsorbira iz vidljive svjetlosti. Ova karakteristika je poznata kao pigment apsorpcijski spektar. Grafikon na donjoj slici prikazuje spektre apsorpcije za klorofil a, klorofil b, i vrsta karotenoidnog pigmenta zvanog β-karoten (koji apsorbira plavo i zeleno svjetlo). Primijetite kako svaki pigment ima poseban skup vrhova i dna, otkrivajući vrlo specifičan obrazac apsorpcije. Ove razlike u apsorpciji su posljedica razlika u kemijskoj strukturi (neke su istaknute na slici). Klorofil a apsorbira valne duljine s oba kraja vidljivog spektra (plave i crvene), ali ne i zelene. Budući da se zelena reflektira ili prenosi, klorofil izgleda zeleno. Karotenoidi apsorbiraju u plavoj regiji kratke valne duljine, a reflektiraju duže žute, crvene i narančaste valne duljine.

(a) Klorofil a, (b) klorofil b i (c) β-karoten su hidrofobni organski pigmenti koji se nalaze u tilakoidnoj membrani. Za zelenu boju listova zaslužni su klorofil a i b, koji su identični osim dijela označenog u crvenoj kutiji. Obratite pažnju na to kako mala razlika u kemijskom sastavu između različitih klorofila dovodi do različitih spektra apsorpcije. β-karoten je odgovoran za narančastu boju mrkve. Svaki pigment ima jedinstveni spektar apsorpcije (d).

Važnost posjedovanja više različitih pigmenata

Nemaju svi fotosintetski organizmi potpuni pristup sunčevoj svjetlosti. Neki organizmi rastu pod vodom gdje se intenzitet svjetlosti i dostupne valne duljine smanjuju, odnosno mijenjaju s dubinom. Drugi organizmi rastu u natjecanju za svjetlo. Na primjer, biljke na podu prašume moraju biti sposobne apsorbirati bilo koji dio svjetlosti koji prođe jer viša stabla apsorbiraju većinu sunčeve svjetlosti i raspršuju preostalo sunčevo zračenje. Kako bi objasnili ove promjenjive svjetlosne uvjete, mnogi fotosintetski organizmi imaju mješavinu pigmenata čija se ekspresija može podesiti kako bi poboljšala sposobnost organizma da apsorbira energiju iz šireg raspona valnih duljina nego što bi to bilo moguće samo s jednim pigmentom.

Fotofosforilacija

Pregled fotofosforilacije

Fotofosforilacija je proces prijenosa energije iz svjetlosti u kemikalije, posebice ATP. Evolucijski korijeni fotofosforilacije vjerojatno su u anaerobnom svijetu, prije između 3 milijarde i 1,5 milijardi godina, kada je život bio u izobilju u nedostatku molekularnog kisika. Fotofosforilacija je vjerojatno evoluirala relativno kratko nakon lanaca prijenosa elektrona (ETC) i anaerobno disanje počeo pružati metaboličku raznolikost. Prvi korak procesa uključuje apsorpciju fotona molekulom pigmenta. Svjetlosna energija se prenosi na pigment i potiče elektrone (npr-) u više kvantno energetsko stanje - nešto što biolozi nazivaju "pobuđenim stanjem". Obratite pažnju na korištenje antropomorfizma ovdje; elektroni nisu "uzbuđeni" u klasičnom smislu i ne skaču odjednom ili slave svoju promociju. Oni su jednostavno u kvantnom stanju više energije. U tom stanju, za elektrone se kolokvijalno kaže da su "napajani". Dok je u "pobuđenom" stanju, pigment sada ima mnogo niži potencijal redukcije i može donirati "pobuđene" elektrone drugim nosiocima s većim redukcijskim potencijalom. Ti akceptori elektrona mogu zauzvrat postati donori drugim molekulama s većim redukcijskim potencijalom i pritom tvoriti lanac prijenosa elektrona.

Kako elektroni prelaze s jednog nosača elektrona na drugi putem red/ox reakcija, ovi eksergonski prijenosi mogu se povezati s endergonskim transportom (ili pumpanjem) protona kroz membranu kako bi se stvorio elektrokemijski gradijent. Ovaj elektrokemijski gradijent stvara protonsku pokretačku silu čiji se eksergonski nagon za postizanjem ravnoteže može povezati s endergonskom proizvodnjom ATP-a, preko ATP sintaze. Kao što ćemo vidjeti detaljnije, elektroni uključeni u ovaj lanac prijenosa elektrona mogu imati jednu od dvije sudbine: (1) mogu se vratiti u svoj početni izvor u procesu koji se naziva ciklička fotofosforilacija; ili (2) mogu se deponirati na bliskog rođaka NAD-a+ pod nazivom NADP+. Ako se elektroni talože natrag na izvorni pigment u cikličkom procesu, cijeli proces može početi ispočetka. Ako se, međutim, elektron taloži na NADP+ da bi se formirao NADPH (**napomena prečaca - nismo eksplicitno spomenuli nikakve protone, ali pretpostavljamo da se podrazumijeva da su i oni uključeni**), izvorni pigment mora povratiti elektron s nekog drugog mjesta. Ovaj elektron mora doći iz izvora s manjim redukcijskim potencijalom od oksidiranog pigmenta i ovisno o sustavu postoje različiti mogući izvori, uključujući H2O, reducirani spojevi sumpora kao što je SH2 pa čak i elementarni S0.

Što se događa kada spoj apsorbira foton svjetlosti?

Kada spoj apsorbira foton svjetlosti, kaže se da spoj napušta svoje osnovno stanje i postaje "uzbuđen".

Slika 1. Dijagram koji prikazuje što se događa s molekulom koja apsorbira foton svjetlosti. Facciotti (izvorno djelo)

Kakva je sudbina "uzbuđenog" elektrona? Postoje četiri moguća ishoda, koji su shematski prikazani na donjoj slici. Ove opcije su:

  1. e- može se opustiti u niže kvantno stanje, prenoseći energiju kao toplinu.
  2. e- može se opustiti u niže kvantno stanje i prenijeti energiju u foton svjetlosti – proces poznat kao fluorescencija.
  3. Energija se može prenijeti rezonancijom na susjednu molekulu kao e- vraća u niže kvantno stanje.
  4. Energija može promijeniti potencijal redukcije tako da molekula može postati e- donator. Povezivanje ovog uzbuđenog e- darivatelja na odgovarajuću e- akceptor može dovesti do eksergonskog prijenosa elektrona. Drugim riječima, pobuđeno stanje može biti uključeno u red/ox reakcije.

Slika 2. Što se može dogoditi s energijom koju apsorbira molekula.

Kako se pobuđeni elektron vraća u svoje niže energetsko stanje, energija se može prenijeti na različite načine. Dok mnogi takozvani antenski ili pomoćni pigmenti apsorbiraju svjetlosnu energiju i prenose je u nešto poznato kao reakcijsko središte (mehanizmima prikazanim u opciji III na slici 2), ono što se događa u reakcijskom centru nas najviše zanima (opcija IV na gornjoj slici). Ovdje molekula klorofila ili bakterioklorofila apsorbira energiju fotona i elektron se pobuđuje. Ovaj prijenos energije dovoljan je da omogući reakcijskom centru da donira elektron u reakciji red/ox drugoj molekuli. To pokreće reakcije transporta elektrona. Rezultat je oksidirani reakcijski centar koji se sada mora reducirati kako bi se proces ponovno pokrenuo. Kako se to događa je osnova protoka elektrona u fotofosforilaciji i bit će detaljno opisano u nastavku.

Jednostavni fotofosforilacijski sustavi: anoksigena fotofosforilacija

Rano u evoluciji fotofosforilacije, ove su se reakcije razvile u anaerobnim sredinama gdje je bilo vrlo malo dostupnog molekularnog kisika. U tim su se uvjetima razvile dvije skupine reakcija, obje izravno iz anaerobnih respiratornih lanaca kao što je prethodno opisano. One su poznate kao svjetlosne reakcije jer zahtijevaju aktivaciju elektrona ("pobuđenog" elektrona) iz apsorpcije fotona svjetlosti pigmentom reakcijskog centra, kao što je bakterioklorofil. Svjetlosne reakcije su kategorizirane ili kao ciklički ili kao neciklički fotofosforilacija, ovisno o konačnom stanju elektrona(ova) uklonjenih iz pigmenata reakcijskog centra. Ako se elektron(i) vrate u izvorni pigmentni reakcijski centar, kao što je bakterioklorofil, to je ciklička fotofosforilacija; elektroni čine potpuni krug i dijagram je prikazan na slici 4. Ako se elektron(i) koriste za smanjenje NADP-a+ do NADPH, elektron(i) se uklanjaju s puta i završavaju na NADPH; ovaj proces se naziva necikličkim jer elektroni više nisu dio kruga. U tom slučaju se reakcijski centar mora ponovno reducirati prije nego što se proces ponovi. Stoga je za necikličku fotofosforilaciju potreban vanjski izvor elektrona. U tim sustavima smanjeni oblici sumpora, kao što je H2S, koji se može koristiti kao donor elektrona, a dijagram je prikazan na slici 5. Kako biste bolje razumjeli sličnosti fotofosforilacije s disanjem, osiguran je toranj crvenog/vola koji sadrži mnoge najčešće korištene spojeve uključene u fotofosforilaciju.

oksidirani oblik

smanjen oblik

n (elektroni)

Eo´ (volti)

PS1* (vol)

PS1* (crveno)

-

-1.20

feredoksin (vol) verzija 1

feredoksin (crveni) verzija 1

1

-0.7

PSII* (vol)

PSII* (crveno)

-

-0.67

P840* (vol)

PS840* (crveni)

-

-0.67

acetat

acetaldehid

2

-0.6

CO2

Glukoza

24

-0.43

feredoksin (vol) verzija 2

feredoksin (crvena) verzija 2

1

-0.43

CO2

formatizovati

2

-0.42

2H+

H2

2

-0,42 (u [H+] = 10-7; pH=7)

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Kompleks I

FMN (vezan za enzime)

FMNH2

2

-0.3

lipoična kiselina, (vol)

lipoična kiselina, (crvena)

2

-0.29

FAD+ (besplatno) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Piruvat + 2H+

laktat

2

-0.19

FAD+ + 2H+ (vezan)

FADH2 (vezan)

2

0.003-0.09

CoQ (ubikinon - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Plastokinon; (vol)

Plastokinon; (Crvena)

-

0.08

ubikinon; (vol)

ubikinon; (Crvena)

2

0.1

Kompleks III Citokrom b2; Fe3+

Citokrom b2; Fe2+

1

0.12

Kompleks III Citokrom c1; Fe3+

Citokrom c1; Fe2+

1

0.22

citokrom c; Fe3+

citokrom c; Fe2+

1

0.25

Kompleks IV citokrom a; Fe3+

citokrom a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (vol)

PS840GS (Crvena)

-

0.33

Kompleks IV Citokrom a3; Fe3+

Citokrom a3; Fe2+

1

0.35

fericijanid

ferocijanid

2

0.36

Citokrom f; Fe3+

Citokrom f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (vol)

PSIGS (Crvena)

.

0.37

Nitrat

nitrit

1

0.42

Fe3+

Fe2+

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (vol)

PSIIGS (Crvena)

-

1.10

* Uzbuđeno stanje, nakon apsorpcije fotona svjetlosti

GS Prizemno stanje, stanje prije apsorpcije fotona svjetlosti

PS1: Fotosustav kisika I

P840: Bakterijski reakcijski centar koji sadrži bakterioklorofil (anoksigen)

PSII: kisikov fotosustav II

Slika 3. Elektronski toranj koji ima niz uobičajenih komponenti fotofosforilacije. PSI i PSII odnose se na fotosustave I i II puteva fotofosforilacije kisika.

Ciklička fotofosforilacija

U cikličkoj fotofosforilaciji bakterioklorofilCrvena molekula apsorbira dovoljno svjetlosne energije da pokrene i izbaci elektron da nastane bakterioklorofilvol. Elektron reducira molekulu nosača u reakcijskom centru koja zauzvrat reducira niz nosača putem red/ox reakcija. Ti su nositelji isti oni koji se nalaze u disanju. Ako je promjena redukcijskog potencijala iz različitih red/ox reakcija dovoljno velika, H+ protoni se mogu translocirati kroz membranu. Na kraju, elektron se koristi za smanjenje bakterioklorofilavol (izrada potpune petlje) i cijeli proces može početi iznova. Ovaj tok elektrona je cikličan i stoga se kaže da pokreće proces koji se naziva ciklička fotofosforilacija. Elektroni čine potpuni ciklus: bakterioklorofil je početni izvor elektrona i konačni je akceptor elektrona. ATP se proizvodi putem F1F0 ATPaza. Shema na slici 4 pokazuje kako ciklički elektroni teku, a time i kako funkcionira ciklička fotofosforilacija.

Slika 4. Ciklični tok elektrona. Reakcijski centar P840 apsorbira svjetlosnu energiju i postaje uzbuđen, označen sa *. Pobuđeni elektron se izbacuje i koristi za redukciju FeS proteina koji ostavlja oksidirani reakcijski centar. Elektron se prenosi na kinon, zatim na niz citokroma, što zauzvrat smanjuje reakcijski centar P840. Proces je cikličan. Obratite pažnju na sivi niz koji dolazi od FeS proteina koji ide u feridoksin (Fd), također u sivoj boji. Ovo predstavlja alternativni put kojim elektron može ići i o njemu će se raspravljati u nastavku u necikličkoj fotofosforilaciji. Bilješka da elektron koji u početku napusti reakcijski centar P840 nije nužno isti elektron koji se na kraju nađe natrag kako bi smanjio oksidirani P840.

Napomena: moguća rasprava

Slika cikličke fotofosforilacije iznad prikazuje protok elektrona u respiratornom lancu. Kako ovaj proces pomaže u stvaranju ATP-a?

Neciklička fotofosforilacija

U cikličkoj fotofosforilaciji, elektroni kruže od bakterioklorofila (ili klorofila) do niza nosača elektrona i na kraju natrag do bakterioklorofila (ili klorofila); teoretski nema neto gubitka elektrona i oni ostaju u sustavu. U necikličkoj fotofosforilaciji, elektroni se uklanjaju iz fotosustava i crvenog/vola lanca i na kraju završavaju na NADPH. To znači da mora postojati izvor elektrona, izvor koji ima manji potencijal redukcije od bakterioklorofila (ili klorofila) koji može donirati elektrone bakterioklorofiluvol da ga smanji. Gledajući elektronski toranj na slici 3, možete vidjeti koji se spojevi mogu koristiti za smanjenje oksidiranog oblika bakterioklorofila. Drugi zahtjev je da, kada bakterioklorofil postane oksidiran i elektron je izbačen, mora smanjiti nosač koji ima veći redukcijski potencijal od NADP/NADPH (vidi elektronski toranj). U tom slučaju, elektroni mogu teći iz energiziranog bakterioklorofila u NADP stvarajući NADPH i oksidirani bakterioklorofil. Elektroni se gube iz sustava i završavaju na NADPH; za završetak kruga, bakterioklorofilvol se reducira vanjskim donorom elektrona kao što je H2S ili elementarni S0.

Neciklički protok elektrona

Slika 5. Neciklički protok elektrona. U ovom primjeru, reakcijski centar P840 apsorbira svjetlosnu energiju i postaje pod naponom; emitirani elektron reducira FeS protein i zauzvrat reducira feridoksin. Smanjeni feridoksin (FdCrvena) sada može reducirati NADP u NADPH. Elektroni su sada uklonjeni iz sustava, pronalazeći put do NADPH. Elektrone je potrebno zamijeniti na P840, za što je potreban vanjski donor elektrona. U ovom slučaju, H2S služi kao donor elektrona.

Napomena: moguća rasprava

Treba napomenuti da za putove fotofosforilacije bakterija, za svaki elektron doniran iz reakcijskog centra [zapamtite da je samo jedan elektron zapravo doniran reakcijskom centru (ili molekuli klorofila)], rezultirajući izlaz iz tog lanca prijenosa elektrona je ili stvaranje NADPH (zahtijeva dva elektrona) ili ATP se može stvoriti, ali NE oba. Drugim riječima, put kojim elektroni prolaze u ETC-u može imati jedan ili dva moguća ishoda. To postavlja ograničenja na svestranost bakterijskih anoksigenih fotosintetskih sustava. Ali što bi se dogodilo kada bi se razvio proces koji bi koristio oba sustava, odnosno ciklički i neciklički fotosintetski put u kojem bi se i ATP i NADPH mogli formirati iz jednog ulaza elektrona? Drugo ograničenje je da ovi bakterijski sustavi zahtijevaju spojeve kao što je reduciran sumpor da djeluju kao donori elektrona za smanjenje oksidiranih reakcijskih centara, ali oni nisu nužno široko rasprostranjeni spojevi. Što bi se dogodilo da klorofilvol molekula bi imala potencijal redukcije veći (pozitivniji) od molekularnog O2/H2O reakcija? Odgovor: planetarni mijenjač igre.

Fotofosforilacija kisika

Generiranje NADPH i ATP

Cjelokupna funkcija reakcija ovisnih o svjetlosti je prijenos sunčeve energije u kemijske spojeve, uglavnom u molekule NADPH i ATP. Ova energija podržava reakcije neovisne o svjetlosti i potiče sastavljanje molekula šećera. Reakcije ovisne o svjetlosti prikazane su na slikama 6 i 7. Proteinski kompleksi i molekule pigmenta rade zajedno kako bi proizveli NADPH i ATP.

Napomena: moguća rasprava

Odmaknite se malo. Zašto je razuman cilj željeti napraviti NADPH i ATP? U raspravi o glikolizi i TCA ciklusu cilj je bio napraviti ATP i NADH. Koja je ključna razlika? Možda kako će se te molekule koristiti? Nešto drugo?

Slika 1. Fotosustav se sastoji od kompleksa za prikupljanje svjetlosti i reakcijskog centra. Pigmenti u kompleksu za prikupljanje svjetlosti prenose svjetlosnu energiju na dva posebna klorofila a molekule u reakcijskom centru. Svjetlost pobuđuje elektron iz klorofila a par, koji prelazi na primarni akceptor elektrona. Pobuđeni elektron se tada mora zamijeniti. U (a) fotosustavu II, elektron dolazi od cijepanja vode, koja oslobađa kisik kao otpadni proizvod. U (b) fotosustavu I, elektron dolazi iz lanca prijenosa elektrona kloroplasta o kojem se govori u nastavku.

Stvarni korak koji prenosi svjetlosnu energiju u biomolekulu odvija se u multiproteinskom kompleksu zvanom a fotosustav, od kojih se dvije vrste nalaze ugrađene u tilakoidnu membranu, fotosustav II (PSII) i fotosustav I (PSI). Dva kompleksa se razlikuju na temelju onoga što oksidiraju (to jest, izvor opskrbe elektronima niske energije) i onoga što reduciraju (mjesto na koje isporučuju svoje energizirane elektrone).

Oba fotosustava imaju istu osnovnu strukturu; broj od proteini antene za koje su vezane molekule klorofila, okružuju ga reakcijski centar u kojem se odvija fotokemija. Svaki fotosustav servisira kompleks za žetvu svjetlosti, koji prenosi energiju od sunčeve svjetlosti do reakcijskog centra; sastoji se od više antenskih proteina koji sadrže mješavinu 300–400 klorofila a i b molekule kao i drugi pigmenti poput karotenoida. Apsorpcija jednog foton—izrazita količina ili „paket“ svjetlosti — pomoću bilo kojeg od klorofila gura tu molekulu u pobuđeno stanje. Ukratko, svjetlosna energija je sada zarobljena od strane bioloških molekula, ali još nije pohranjena u bilo kakvom korisnom obliku. Zarobljena energija se prenosi s klorofila na klorofil sve dok se na kraju (nakon otprilike milijunti dio sekunde) ne isporuči u reakcijski centar. Do ovog trenutka između molekula se prenosila samo energija, a ne i elektroni.

Slika 2. U reakcijskom centru fotosustava II (PSII) energija sunčeve svjetlosti koristi se za izdvajanje elektrona iz vode. Elektroni putuju kroz lanac transporta elektrona kloroplasta do fotosustava I (PSI), koji smanjuje NADP+ na NADPH. Lanac prijenosa elektrona pomiče protone preko tilakoidne membrane u lumen. U isto vrijeme, cijepanje vode dodaje protone u lumen, a smanjenje NADPH uklanja protone iz strome. Neto rezultat je nizak pH u tilakoidnom lumenu i visok pH u stromi. ATP sintaza koristi ovaj elektrokemijski gradijent za stvaranje ATP-a.

Reakcijski centar sadrži par klorofila a molekule s posebnim svojstvom. Ta dva klorofila mogu se podvrgnuti oksidaciji nakon ekscitacije; oni zapravo mogu odustati od elektrona u procesu koji se naziva a fotoaktivacija. Upravo u ovom koraku u reakcijskom centru, ovom koraku fotofosforilacije, svjetlosna energija se prenosi u pobuđeni elektron. Svi sljedeći koraci uključuju dovođenje tog elektrona na nositelj energije NADPH za isporuku u Calvinov ciklus gdje se elektron može položiti na ugljik za dugotrajno skladištenje u obliku ugljikohidrata.

Z-shema

PSII i PSI su dvije glavne komponente fotosinteze lanac transporta elektrona, što također uključuje citokromski kompleks. Reakcijski centar PSII (tzv P680) isporučuje svoje visokoenergetske elektrone, jedan po jedan, na a primarni akceptor elektrona nazvan feofitin (Ph), a zatim uzastopno na dva vezana plastokinona QA i QB. Elektroni se zatim prenose s PSII na skup mobilnih plastokinona (Q pool) koji zatim prenose elektrone u proteinski kompleks nazvan citokromb6f. Kompleks citokroma koristi red/ox transfere za pumpanje protona preko tilakoidne membrane uspostavljajući proton-motornu silu koja se može koristiti za sintezu ATP-a. Elektroni koji napuštaju citokrom prenose se u protein koji sadrži bakar nazvan plastocijanin (PC) koji zatim prenosi elektrone na PSI (P700). Elektron koji nedostaje P680 nadomješta se izdvajanjem elektrona iz vode; tako se voda dijeli i PSII se ponovno reducira nakon svakog koraka fotoaktivacije. Samo radi dijeljenja nekih brojeva: Dijeljenje jednog H2Molekula O oslobađa dva elektrona, dva atoma vodika i jedan atom kisika. Za stvaranje jedne molekule dvoatomskog O potrebno je podijeliti dvije molekule vode2 plin. U biljkama, oko deset posto tog kisika koriste mitohondriji u listu za potporu oksidativne fosforilacije. Ostatak bježi u atmosferu gdje ga aerobni organizmi koriste za podršku disanju.

Kako se elektroni kreću kroz proteine ​​koji se nalaze između PSII i PSI, oni sudjeluju u eksergonijskim prijenosima crvenog/vola. Slobodna energija povezana s eksergoničkom reakcijom red/ox spojena je s endergonskim transportom protona sa stromalne strane membrane u tilakoidni lumen pomoću citokromskog kompleksa. Ti vodikovi ioni, plus oni proizvedeni cijepanjem vode, nakupljaju se u lumenu tilakoida i stvaraju protonsku pokretačku silu koja će se koristiti za pokretanje sinteze ATP-a u kasnijem koraku. Budući da elektroni na PSI sada imaju veći potencijal redukcije nego kada su započeli svoj put (važno je napomenuti da neuzbuđeni PSI ima veći red/ox potencijal od NADP-a+/NADPH), moraju se ponovno napajati u PSI prije nego što se talože na NADP+. Stoga, da bi se dovršio ovaj proces, PSI antena mora apsorbirati još jedan foton. Ta energija se prenosi u PSI reakcijski centar (tzv P700). P700 se zatim oksidira i šalje elektron kroz nekoliko srednjih red/ox koraka do NADP-a+ za formiranje NADPH. Dakle, PSII hvata energiju u svjetlosti i povezuje njezin prijenos putem red/ox reakcija sa stvaranjem protonskog gradijenta. Kao što je već spomenuto, eksergoničko i kontrolirano opuštanje ovog gradijenta može se povezati sa sintezom ATP-a. PSI hvata energiju u svjetlosti i uparuje to, kroz niz reakcija crvenog/vola, kako bi smanjio NADP+ u NADPH. Dva fotosustava djeluju zajedno, djelomično kako bi jamčili da će proizvodnja NADPH biti u pravom omjeru s proizvodnjom ATP-a. Postoje i drugi mehanizmi za fino podešavanje tog omjera kako bi točno odgovarao energetskim potrebama kloroplasta koje se stalno mijenjaju.

Slika 3. Dijagram koji prikazuje protok elektrona i potencijale crvenog/vola njihovih nositelja u fotosintetskim sustavima s kisikom koji izražava fotosustav I (uokviren plavom bojom) i fotosustav II (uokviren zelenom bojom). Ph = feofitin; PA = vezani plastokinon, QB = labavije povezan plastokinon; Q bazen = mobilni plastokinon bazen; Cyt bf = Citokrom b6f kompleks; PC = plastocijanin; Chla0 = poseban krolofil; A1 = vitamin K; Fx i FAB = željezo-sumporni centri; Fd = feredoksin; FNR = feredoksin-NADP reduktaza. Facciotti (vlastiti rad)

Reakcije neovisne o svjetlosti i fiksacija ugljika

Kratak uvod

Opći princip fiksacije ugljika je da neke stanice pod određenim uvjetima mogu uzeti anorganski ugljik, CO2 (također se naziva mineralizirani ugljik) i reducirati ga u upotrebljiv stanični oblik. Većina nas je svjesna da zelene biljke mogu preuzeti CO2 i proizvesti O2 u procesu poznatom kao fotosinteza. Već smo raspravljali o fotofosforilaciji, sposobnosti stanice da prenosi svjetlosnu energiju na kemikalije i na kraju da proizvodi nositelje energije ATP i NADPH u procesu poznatom kao svjetlosne reakcije. U fotosintezi, biljne stanice koriste ATP i NADPH nastale tijekom fotofosforilacije za smanjenje CO2 na šećer, (kao što ćemo vidjeti, konkretno G3P) u onome što se naziva tamnim reakcijama. Iako cijenimo da se ovaj proces događa u zelenim biljkama, fotosinteza je imala svoje evolucijsko podrijetlo u svijetu bakterija. U ovom modulu ćemo proći kroz opće reakcije Calvinovog ciklusa, reduktivnog puta koji uključuje CO2 u stanični materijal.

U fotosintetskim bakterijama, kao što su cijanobakterije i ljubičaste nesumporne bakterije, kao i u biljkama, energija (ATP) i smanjenje snage (NADPH) - izraz koji se koristi za opisivanje nosača elektrona u njihovom reduciranom stanju - dobiven fotofosforilacijom povezan je s "Fiksacija ugljika“, ugradnja anorganskog ugljika (CO2) u organske molekule; u početku kao gliceraldehid-3-fosfat (G3P), a na kraju u glukozu. Organizmi koji mogu dobiti sav potreban ugljik iz anorganskog izvora (CO2) se nazivaju autotrofi, dok se oni organizmi koji zahtijevaju organske oblike ugljika, kao što su glukoza ili aminokiseline, nazivaju heterotrofi. Biološki put koji vodi do fiksacije ugljika naziva se Calvinov ciklus and is a reductive pathway (consumes energy/uses electrons) which leads to the reduction of CO2 to G3P.

The Calvin Cycle: the reduction of CO2 to Glyceraldehyde 3-Phosphate

Slika 1. Light reactions harness energy from the sun to produce chemical bonds, ATP, and NADPH. These energy-carrying molecules are made in the stroma where carbon fixation takes place.

In plant cells, the Calvin cycle is located in the chloroplasts. While the process is similar in bacteria, there are no specific organelles that house the Calvin Cycle and the reactions occur in the cytoplasm around a complex membrane system derived from the plasma membrane. Ovaj intracellular membrane system can be quite complex and highly regulated. There is strong evidence that supports the hypothesis that the origin of chloroplasts from a symbiosis between cyanobacteria and early plant cells.

Stage 1: Carbon Fixation

In the stroma of plant chloroplasts, in addition to CO2, two other components are present to initiate the light-independent reactions: an enzyme called ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO), and three molecules of ribulose bisphosphate (RuBP), as shown in the figure below. Ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) is composed of five carbon atoms and includes two phosphates.

Slika 2. The Calvin cycle has three stages. In stage 1, the enzyme RuBisCO incorporates carbon dioxide into an organic molecule, 3-PGA. In stage 2, the organic molecule is reduced using electrons supplied by NADPH. In stage 3, RuBP, the molecule that starts the cycle, is regenerated so that the cycle can continue. Only one carbon dioxide molecule is incorporated at a time, so the cycle must be completed three times to produce a single three-carbon GA3P molecule, and six times to produce a six-carbon glucose molecule.

RuBisCO catalyzes a reaction between CO2 and RuBP. For each CO2 molecule that reacts with one RuBP, two molecules of another compound (3-PGA) form. PGA has three carbons and one phosphate. Each turn of the cycle involves only one RuBP and one carbon dioxide and forms two molecules of 3-PGA. The number of carbon atoms remains the same, as the atoms move to form new bonds during the reactions (3 atoms from 3CO2 + 15 atoms from 3RuBP = 18 atoms in 3 atoms of 3-PGA). This process is called ugljik fiksacija, because CO2 is “fixed” from an inorganic form into an organic molecule.

Stage 2: Reduction

ATP and NADPH are used to convert the six molecules of 3-PGA into six molecules of a chemical called glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) - a carbon compound that is also found in glycolysis. Six molecules of both ATP and NADPH are used in the process. The exergonic process of ATP hydrolysis is in effect driving the endergonic redox reactions, creating ADP and NADP+. Both of these "spent" molecules (ADP and NADP+) return to the nearby light-dependent reactions to be recycled back into ATP and NADPH.

Stage 3: Regeneration

Interestingly, at this point, only one of the G3P molecules leaves the Calvin cycle to contribute to the formation of other compounds needed by the organism. In plants, because the G3P exported from the Calvin cycle has three carbon atoms, it takes three “turns” of the Calvin cycle to fix enough net carbon to export one G3P. But each turn makes two G3Ps, thus three turns make six G3Ps. One is exported while the remaining five G3P molecules remain in the cycle and are used to regenerate RuBP, which enables the system to prepare for more CO2 to be fixed. Three more molecules of ATP are used in these regeneration reactions.

Additional Links of Interest