Фотосинтез. Что делать, когда все, что можно, уже окислилось презентация

Фотосинтез: что делать, когда все, что можно, уже окислилось? а/ умереть от отсутствия энергии б/ найти способ «регенерации» восстановленных соединений : СО2 + Н2О → (СН2О) + О2 Для этого необходимо: 1. Найти «псевдонеиссякаемый» источник энергии (вспоминая первую лекцию – безотказного кредитора для безнадежной игры…) 2. Придумать систему трансформации этой энергии в энергию восстановленных соединений.

Хлорофилл: двуликий Янус Red-Ox реакций Хлорофиллов >10: Хл. а, b, c1, с2, d, e; Б-хл. a, b, c, d. Единственная молекула которая может: 1. Поглощать hν и трансформировать эту энергию в е-* 2. Обратимо окисляться, т.е. отдавать е-* с последующим заполнением «дырки» Т.о. иметь два Еo’

Различия между хлорофиллами

Основные структурные особенности молекулы хлорофилла Конъюгированная система двойных связей: основная 18-членная π-система + дополнителные в I, II, V кольцах. Mg – минимум электроотрицательности; изменяет симметрию молекулы хлорофилла; «активирует» электроны пиррольных азотов V-кольцо – «форбиновая структура»: две важных группы: карбонильная при С9 (участвует в n – π переходах) и кетоэфирная при С10 – транс- (хл-л а) или цис- (хл-л а’). Гидрофобный «хвост» (обычно С20 – фитол). Структурная роль.

δ-амнолевулиновая кислота – проедшественник гема и хлорофиллов.

Спектры поглощения хлорофиллов

Энергетические уровни хлорофилла

Белковое окружение изменяет спектр поглощения хлорофилла

Первичные процессы фотосинтеза – временные интервалы различаются на 6 -7 порядков

Простейшая схема фотосинтеза - пурпурные бактерий.

Вторая простейшая схема фотосинтеза - серные зеленые бактерий.

Очередная проблема: где взять источник (донор) электронов (окисляемое соединение)? Основные требования к донору электронов: Ео’ меньше Ео’ хл+ (т.е. может отдавать е- на хл+) Продукты окисления нетоксичны (желательно) Его должно быть много Н2S – хорош по всем параметрам, кроме последнего: 1. Ео’н2S = -0,23 – электрон достаточно легко «забрать» 2. Продукт окисления (сера) - легко уводится из реакции Н2О – отвратителен по всем параметрам, кроме последнего: 1. Ео’н2о = +0,82 – очень много, электрон «оторвать» трудно 2. Продукт окисления (кислород) - очень токсичен. Но последний фактор оказался решающим.

Как решить проблемы водички в качестве донора электрона? Энергия квантов видимого света. 400нм (синий свет) - 700нм (красный свет)

Гениальное решение: соединить две фотосистемы!

Z-схема: оптимальное сочетание фотосистем позволяет «втиснуть» между ними еще и b6f-комплекс

Кофакторы ЭТЦ фотосинтеза: знакомые все лица... 2Fe-2S и 4Fe-4S-белки, хиноны (пластохиноны и филохинон), цитохромы

Z-схема фотосинтеза.

Red-Ox потенциалы компонентов ЭТЦ хлоропластов ФСII P680* - 0.7 Pheo - 0.6 QA - 0.1 QB ~ 0 cytb559 L + 0.08 cytb559 H + 0.38 H2O/O2 + 0.82 P680 +1.12

Организация фотосинтетического аппарата

Организация фотосинтетического аппарата весьма похожа на ЭТЦ дыхания

Организация фотосинтетического аппарата, «реальная картинка».

В6f-комплекс: два такта работы Q-цикла. Как в митохондриях…

Схема строения белков b6f-комплекса

В6f-комплекс и структура цитохрома f и FeS-белка Риске

В6f-комплекс и структура цитохрома f и FeS-белка Риске

Подвижные переносчики е- фотосинтетической ЭТЦ Пластохиноны (PQ) Eo’ ~ 0v min 9 видов (А, В, С..) Eo’ от -0,05 до +0,12v Пластоцианин (Pc), Eo’ +0,37v небольшой (10,5 kDa, 104 а-к) Cu-содержащий подвижный белок – аналог цит.С Принимает е- Tyr-83, затем Cu+, отдает - Hys-87 Ферредоксины (Fd) Eo’ –0,43v небольшие (6-12 kDa), 2Fe2S, (бакт. Fd – 4Fe4S)

Два типа реакционных центров: феофитин-хиноновый и железо-серный

Расположение кофакторов в различных реакционных центрах

Структура RC фотосистемы I 13 белков: А – 83 kDa, 751 a-к В - 82,5 kDa, 735 a-к Гетеродимер, на нем: Р700, А0, А1, Fx С – 8,9 kDa, - FA, FB D (19 kDa), E – связь с Fd F (19 kDa) - связь с Pc

Структура фотосистемы I в «реальном виде»

Структура реакционного центра пурпурных бактерий (прообраз ФСII)

Схема RC фотосистемы II 25 белков: D1 - 32 kDa, D2 - 33 kDa, Гетеродимер, на нем: Р680, Ph, ChlZ, QA, QB F (4 kDa), E (8 kDa) – сyt b559 O (33 kDa), P (24 kDa), Q (18 kDa) - все три формируют водоокисляющий комплекс - OEC

Структура фотосистемы II в «реальном виде».

Структура белка D1 RC фотосистемы II

Кинетика работы водоокисляющей системы

Марганцевый кластер системы фотоокисления воды

Не все так просто и не все так ясно в системе водоокисления…

Организация фотосинтетического аппарата, «реальная картинка».

Антенны. Фикобилисомы: светособирающий комплекс цианобактерий и красных водорослей

Фикобилипротеиды. По набору пигментов в антенных комплексах, можно заключить что симбиоз фототрофов происходил неоднократно..

Светособирающие комплексы различных организмов

Каротиноиды: каротины и ксантофиллы – тетратерпены (С40) Различия по концевым группам, содержанию кислорода, изомерии, числу двойных связей.

Каротиноиды. Максимумы поглощения, расположение в мембране.

Развлечения господ инженеров. Генных…

Хлорофилл-белковые комплексы ФСI и ФСII

Схема структуры фотосистемы II с антенными комплексами.

Расположение хромофоров в фотосистеме II Вид со стороны стромы RC: фиолетовые –хл-лы розовый – Phe Антенны: Хл-лы с 9 по 21 – СР43 Хл-лы с 22 по 37 – СР47 Зеленые и желтый – передают hν на RC, голубые - нет Красный – длинноволновый хл-л СР47, связанный с His-114 Вид сбоку (строма сверху)

Структурная модель ФС II на основе данных кристаллографии

Светособирающий комплекс LHC II (Lhcb 1&2) : мономер и тример

Структура фотосистемы II цианобактерий, вид «сбоку» и «сверху»

Структура «суперкомплекса» фотосистем II c ССК, вид со стороны люмена и «сбоку»

Фотосистема I со своими светособирающими комплексами (Lhca1 - Lhca4

Фотосистема I скорее всего существует в виде тримера

Светособирающие комплексы фотосистем I и II

LHC II - подвижный светособирающий комплекс

Гетерогенная организация тилакиодный структур

Гетерогенная организация тилакиодных структур

Гетерогенная организация тилакиодный структур

Гетерогенность расположения компонентов ФСА в тилакоидах

Механизмы регулирования и защиты ФСII от фотодеструкции нециклический поток, регулирование мобильными антеннами; циклические потоки вокруг каждой фотосистемы; псевдоциклический транспорт электронов Хлоропластное дыхание - ? виолоксантиновый цикл «тушение» триплетного состояния хлорофилла каротиноидами «обезвреживание» активных форм кислорода каротиноидами каротиноиды «на заклание» замена D1-белка

LHC II - подвижный светособирающий комплекс

Варианты работы ЭТЦ фотосинтеза

Циклический транспорт электронов вокруг фотосистемы I и хлоропластное дыхание

Циклическиe потоки электронов вокруг фотосистемы II

Функции каротиноидов 1. Антенны (400 – 500 нм) 2. Структурная (организация ССК) 3. Фотопротекторная (виолоксантиновый цикл) 4. Защита от УФ и высоких интенсивностей света a/ R˚ RН hν RH carо car PРЦ 1Р 3Р 3car 1car 3O2 P + 1O2 3car 1car b/ car + P+680 car+ + P680 («жертвенная»)

Каротиноиды в хлоропластах 1. Разные состояния: мономерная или агрегированная форма, связь с белками. 2. Изомеры: транс – в антеннах, цис – в РЦ. При этом в РЦ – β-каротины, в ССК – ксантофиллы. Ядро ФС I высших растений содержит 14 молекул β-каротина, 2 из них в РЦ, 12 – во внутренней антенне. Ядро ФС II: на D1 и D2 белках расположены симметрично 2 молекулы β-каротина. На D1 – все-транс форма, на D2 – 15-цис форма. Внутренняя антенна (СР43 и СР47) – 2-3 молекулы β-каротина и несколько молекул лютеина. ССК (СР24, СР26, СР29) – в каждом 1 -2 молекулы лютеина, а также молекулы неоксантина, зеаксантина, антероксантина и виолоксантина. Антенная функция – все-транс форма. Защитные функции - все-транс форма β-каротина на D1 белке – альтернативный донор е- для Р680 при низких tо и нарушении работы OEC. 15-цис форма на D2 – тушение триплета Р680 за счет изомеризации во все-транс-форму.

Виолоксантиновый цикл –основа NPQ («нефотохимического тушения»)

Фотозащита. «Переключение» виолоксантиновой системы.

D1 белок – «камикадзе» растительной клетки Разборка ФС II: уходят белки OEC, снимаются атомы Mn, отсоединяются CP43, CP47 Удаление «испорченного» белка: «отгрызаются» выступающие из мембраны участки D1 белка (работает специальная протеаза degP2), специальный белок «выталкивает» его останки из мембраны Синтез нового D1 белка: синтез идет в ламеллах, процессинг (удаляется N-концевой метионин, оставшийся треонин ацетилируется, этот треонин может обратимо фосфориллироваться). Миграция D1 белка в граны: белок пальмитинируется и в таком виде мигрирует в граны. Обратная сборка ФС II Время «полужизни» D1 белка – 30 минут

Темновая фаза фотосинтеза – образование «основных фондов» из НАДФН и АТФ

Восстановительный пентозо-фосфатный цикл (ВПЦ)