Fotosyntesen/fotofosforylering Winnie Eskild, IMBV 2004

Fotosyntesen Fotosyntesen foregår i planter, alger og visse bakterier Denne prosessen utnytter sollysets energi til å danne ATP og NADPH Med ATP og NADPH og tilgang på CO2 og H2O kan disse organismer syntetisere karbohydrater, proteiner, lipider og andre forbindelser CO2 og H2O lys O2 + (CH2O)

Fotosyntesen omfatter to prosesser En lysavhengig prosess Cellen ”omdanner” lysenergi til metabolsk energi i form av ATP og NADPH En lysuavhengig prosess Cellen bruker ATP og NADPH til å omdanne CO2 og H2O til organiske forbindelser

Fotosyntesen foregår i kloroplasten Kloroplasten tilsvarer mitokondriet Omgitt av dobbelmembran som er permeabel for små molekyler og ioner (< 5 kDa) Den lysavhengige delen av foto-syntesen foregår i thylakoidene Thylakoidene er flate membran-omkransete vesikler Proteinene som er ansvarlige for den lysavhengige prosessen er integrerte i thylakoidmembranen Membranen er ikke permeabel for andre forbindelser enn de som har spesialiserte transportører

Fotosyntesen foregår i kloroplasten Thylakoidene ligger samlet i grupper som kalles grana Det indre rommet i kloroplasten kalles stroma Den lysuavhengige prosessen foregår i stroma

Den lysavhengige prosessen Den lysavhengige prosessen har mye til felles med elektrontransportkjeden i mitokondriet Nettoreaksjonen er: 2 H2O +2 NADP+ 2 NADPH + 2 H+ + O2 Viktig forskjell: Her overføres elektronene fra H2O til NADP+ H2O er en svært dårlig elektrondonor 1/2 O2 + 2 H+ + 2é H2O E’o = 0,82V NADP+ + H+ + 2é NADPH E’o = - 0,324V Uten hjelp ville elektronene vandre fra NADPH til O2 Energien fra sollyset brukes her til å aktivere H2O molekylet slik at det kan fungere som elektrondonor Lysenergien fanges inn av fotosystemer i thylakoidmembranen

Lysabsorberende forbindelser Lysabsorberende pigmenter: Klorofyll a Klorofyll b Karotenoider (-karoten) Fykobiliner (fykoerytrin) De fire typene absorberer tilsammen lys i hele det synlige spetrum: 300-750 nm Varierende absorbsjonsmaksima utnytter lysenergien i hele spektret, f.eks. fykocyanin stjeler ikke solenergi fra -karoten

Klorofyll a og b Plane, polysykliske strukturer som likner protoporfyrin Fire substituerte pyrrolringer og en ikke-pyrrolring Konjugerte dobbelbindinger og sentralt Mg-atom Fytol sidekjede koplet til den reduserte pyrrolringen b a

Fykobiliner Konjugerte dobbelbindinger Utstrakt tetrapyrrol, ingen sentralt Mg

Karotenoider Konjugerte dobbelbindinger Absorberer lys Gir organismen farge

Fotosystemene - To typer: fotosystem I og II

Fotoreaksjonssentret Består av et stort antall pigmenter organisert omkring et fotoreaksjonssenter Mengde og type fargepigmenter varierer Lys eksiterer antennemolekylene Fotoner overføres via andre antennemolekyler til fotoreaksjonssentret

Fotosystemene To typer: fotosystem I og II Består av et stort antall pigmenter organisert omkring et fotoreaksjonssenter Mengde og type fargepigmenter varierer Lysenergi omdannes til kjemisk energi i fotoreaksjonssentret Fotoreaksjonssentret : et proteinkompleks av klorofyller og quinoner Pigmentene kalles lyssamlende molekyler eller antennemolekyler Alle pigmentene er bundet til membranintegrerte proteiner, f.eks CAB (= klorofyll a/b bindende proteiner) Lysenergi (fotoner) fanges av antennemolekylene og overføres til foto-reaksjonssentret

Fotoreaksjonssentret Lys eksiterer antennemolekylene Fotoner overføres via andre antennemolekyler til fotoreaksjonssentret Eksitasjon av et klorofyllmolekyle i foto-reaksjonssentret medfører løsrivelse av en elektron Elektronen overføres til en elektronakseptor i kloroplastens elektrontransportkjede

Fotoreaksjonssentret Elektronakseptoren får herved en negativ ladning Klorofyllmolekylet som avga en elektron har nå fått en positiv ladning Den positive ladningen neutraliseres med en elektron fra en elektrondonor Lyseksitasjon har nå skapt en ladnings-gradient og starter en redokskjedereaksjon

Lysenergi er altså brukt til å skape en ladningsgradient Ladningsgradienten starter en serie med redoksreaksjoner Energien fra denne elektronoverføring brukes til å danne ATP og NADPH

Høyere organismer har to fotosystemer Fotosystem I Fotoreaksjonssentret P700 har mye mere klorofyll a enn b Tallet 700 angir absorbsjons-maksimum Fotosystem II Fotoreaksjonssentret P680 har like mye klorofyll a og b Tallet 680 angir absorbsjons-maksimum

Fotosystem II Fra fotoreaksjonssentret overføres en elektron via feofytin og plasto-quinon a til plastoquinon b (PQb) Det overføres en elektron om gangen og for hver elektron tar PQb opp en proton fra stroma PQb + 2 H+ + 2 é => PQbH2 Fotoreaksjonsentret kan gi fra inntil 4 elektroner Et Mn-senter i P680 er é-donor Ved høye oksidasjonstrinn har Mn-sentret tilstrekkelig oksidasjonskraft til å oksidere 2 H2O 2 H2O => 4 H+ + 4 é + O2

Plastoquinon Pastoquinonene er svært like ubiquinon Plastoquinonene er små, hydrofobe molekyler Plastoquinonene tar imot og gir fra seg én elektron om gangen PQa er fast bundet til PSII PQb er fritt bevegelig i membranen

Cytokrom b6f PQbH2 kan bevege seg i membranen Det bringer elektronene til cytokrom b6f komplekset Herfra overføres elektronene til plastocyanin Samtidig pumpes 4 H+ inn i thylakoiden (motsatt retning i forh. til mitokondriet) Det dannes en H+-gradient med en 1000 ganges forskjell i konsentrasjon over thylakoidmembranen( DpH = 3) pH i stroma er ca 8 mens thylakoidlumen har pH 5

Fotosystem I Fotoreaksjonssentret P700 får overført fotoner (eksiteres) fra antenne-molekylene En elektron rives løs og overføres til elektronakseptoren Ao (en type klorofyllmolekyle, likner feofytin) Elektronen føres herfra til A1 (fyllo-quinon) videre til et Fe-S protein og deretter til ferredoksin også med Fe-S senter Ferredoksin er løst bundet til membranen og vandrer til enzymkomplekset ferredoksin-NADP+ oksidoreduktase Dette enzymet overfører elektronene til NADP+ som blir til NADPH P700 får é fra plastocyanin

Fotosystem I og II Fotosystem I og II samarbeider Kalles Z-systemet Nettoreaksjon: 2 H2O + 2 NADP+ + 8 fotoner => O2 + 2 NADPH + 2 H+ 4 elektroner må overføres for å få dannet 2 NADPH og dette krever 8 fotoner, 4 i hvert system Som for mitokondrienes elektrontransport-kjede mangler vi ennå å få dannet ATP Vi har fått dannet NADPH og en kraftig H+-gradient P680, feofytin og PQa samt P700, Ao, A1 og Fe-S proteinet sitter tett assosiert => svært rask elektronoverføring

Z-systemet H+ pumpes inn i thylakoiden

Vannsplitningskomplekset Elektronkilden i oksygendannende fotosyntese er H2O Det kreves 8 fotoner får å spalte 2 H2O og få dannet O2 4 é hentes ut fra P680 en av gangen mens de må hentes ut fra de 2 H2O samtidig En tyrosinsidekjede er é-donor og får erstattet é fra Mn-komplekset

Nettoreaksjon: 2 H2O + 8 fotoner + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi -> O2 + 3 ATP + 2 NADPH Det trengs 8 fotoner for å sende 4 é gjennom PSI og PSII, 4 til hvert system Fire é fører til reduksjon av 2 NADP+ til 2NADPH Fire é fører til innpumping av 12 H+ Vannsplittingskomplekset pumper 4 H+ Cytokrom b6f pumper 8 H+ Innpumping av 12 H+ fører til syntese av ca 3 ATP

ATP-syntasen ATP-syntasen består av CFo og CF1 som i mitokondriene CFo tillater H+ å passere gjennom membranen fra thylakoidens indre rom til stroma Protongradienten er motsatt mitokondrienes med høy H+-konsentrasjon inne og lavere i stroma (1000X). Thylakoid-volumet er ikke stort.

ATP-syntasen Ladningsgradienten er mindre her enn for mitokondrier, den betyr også mindre G = RT lnC2/C1 + ZF = 2,3 RT lnpH + ZF CF1 danner ATP ved hjelp av protondrivkraften ATP syntese foregår i stroma, derfor ingen behov for transportsystem

ATP-syntasen For hver 4 é som passerer gjennom systemet pumpes det ut ca 12 H+ Fire H+ kommer fra H2O splittingen og 8 fra cytokrom b6f DG = 2,3 RT ln DpH + ZFDY = -17 kJ/mol  DY bidrar ikke her fordi overføring av motioner utjevner ladningsgradienten Overføring av 12 H+ tilsvarer en DG på - 200 kJ/mol ATP utbyttet er ca 3 ATP

Regulering av ATP og NADPH syntesen Syklisk fotofosforylering Syklisk elektron overføring tillater kloroplasten å redusere produksjonen av NADPH samtidig som ATP syntesen forblir uendret Elektroner fra P700 føres frem til ferrodoksin men derfra sendes de tilbake til cytokrom b6f komplekset Elektronene vandrer i en syklus som kun fører til dannelse av ATP Her dannes ingen O2 ADP + Pi lys ATP + H2O Karbonfiksering krever ATP og NADPH i forholdet 3:2

Regulering av PSI og PSII I kraftig sollys absorberer PSII mere energi enn PSI Herved produseres mere PQH2 enn PSI kan ta imot PSII-aktiviteten reduseres ved å flytte LHCII bort fra PSII Høyt nivå av PQH2 fører til aktivering av kinase som fosforylerer Thr på LHCII. Denne dissosierer fra PSII og beveger seg ut av grana-området

Mitokondriet vs. kloroplasten Mitokondriet: H+ pumpes ut. ATP-syntesen foregår på den alkaliske side av indre membran, dvs inne i matriks. Transportsystemer nødvendig. ATP-syntesen drives av protongradient Kloroplast: H+ pumpes inn. ATP-syntesen foregår på den alkaliske siden av membranen, dvs i stroma. Transportsystemer ikke nødvendig. ATP-syntesen drives av protongradient