Fotosünteesi keemia (referaat) (0)

Tallinna Ülikool
FOTOSÜNTEESI KEEMIA
Taimefüsioloogia referaat
Koostanud : Luise Tiks
Tallinn 2014
Sissejuhatus
Fotosüntees on protsess, mille abil mitmed bakteritüübid, vetikad ning vaskulaarsed taimed muundavad valgusenergia orgaaniliste ainete keemiliseks energiaks. Fotosüntees hõlmab mitmeid füüsikalisi ning keemilisi reaktsioone, mille käigus sünteesitakse valgusenergia abil taandavaid agente (ferredoksiine ja NADPH -d) ning ATP-d. Saadud ühendeid kasutatakse lihtsate orgaaniliste ainete sünteesiks süsihappegaasist ning lämmastik- ja sulfaatioonidest. Sellised reaktsioonid on omased nii prokarüootidele kui eukarüootidele ning on aluseks taime funktsioneerimisele.
Käesoleva töö eesmärgiks on anda ülevaade fotosünteesi pimedusstaadiumis toimuvatest keemilistest reaktsioonidest, mis võimaldavad organismidel keemiliste ühendite energiaks muundatud päikeseenergiat kasutada süsiniku sidumiseks ning orgaaniliste ainete sünteesiks. Lihtsustamise eesmärgil on töös lähemalt kirjeldatud vaid C3 tüüpi fotosünteesi.
Töö põhineb David W. Lawleri raamatul „Photosynthesis” ( Oxford : BIOS, 2001).

ELEKTRONTRANSPORT FOTOSÜNTEESIS
Valgustsükli reaktsioonides toimub valgusenergia muundamine keemiliseks energiaks. Valgusenergia mõjul toimub fotosünteesi aktiivtsentri klorofülli-molekulide ergastamine, selle tulemusena vabaneb elektron , mis transporditakse primaarsete aktseptoriteni, et produtseerida tugevalt redutseeritud vaheühendeid. Saadud vaheühendeid kasutatakse fotosünteesi pimedusstaadiumi reaktsioonides süsihappegaasi taandamiseks.
Footoni jõudmine fotosüsteemi ning ergastumise liikumine fotosüsteem II ja I kannab energiat, mis on vajalik vee oksüdatsiooniks, elektronide liikumiseks elektroni aktseptorile ning prootonite liikumiseks tülakoidi luumenisse, et saaks toimuda ATP süntees. Valgusenergia jõudmisel fotosüsteem II ( PSII ) reaktsioonitsentrisse, toimub klorofülli (P680) ergastumine, mille tagajärjel vabaneb elektron. Selle tulemusena reaktsioonitsentri P680 oksüdeerub ning tekib P680+. Tugeva oksüdeerijana eemaldab P680+ vett-lõhustavalt kompleksilt elektroni, taastades nii neutraalse seisundi.
Vett-lõhustav kompleks on ensüüm, mis paikneb tülakoidmembraani lumenaalsel küljel ning vastutab vee oksüdeerimise eest. Ensüümkompleksiga on seotud Mn2+ ioonid , mille oksüdeerumisel vabanev elektron liigub P680+-ile. Mn3+ ioonid omakorda osalevad väävli oksüdeerimisel. S toimib laengut akumuleeriva kompleksina - vee oksüdeerimiseks peab eelpool kirjeldatud oksüdeerimiste ahel toimuma neli korda, kuni produtseeritakse S4+. S4+ reageerib kahe veemolekuliga:
S4+ + 2H2O → S + 4H+ + O2
Vabanenud 4H+ kasutatakse edaspidi ATP sünteesis.
Fotosüsteem I (PSI) ergastub samuti valgusenergia mõjul, seal vabaneb elektron ning selle tulemusena toimub PSI-ga seotud ferredoksiini redutseerimine . Redutseeritud ferredoksiin võtab elektrondoonorina osa mitmetest bioloogilistest protsessidest, näiteks NADP+ taandamine ferredoksiin NADP+ oksüdoreduktaasi mõjul edasise fotosünteesi käigus:
NADP+ + H+ + 2 ferredoksiin- → NADPH + ferredoksiin
NADPH-d kasutatakse fotosünteesi pimedusstaadiumi reaktsioonides.
P680-lt vabanenud elektron liigub edasi läbi keerukate reaktsioonide ning komplekside fotosüsteem I (PSI), taastades seal klorofülli neutraalse seisundi.

ATP SÜNTEES
Adenosiin trifosfaadi süntees on põhiline energia salvestamise ning edasi kandmise viis bioloogiliste protsessides. ATP võimaldab nii energiat üle kanda kui ka fosforüleerimisprotsesse läbi viia. ATP sünteesi mehhanism on sarnane nii bakterites , loomades kui taimedes. Taimedes saadakse ATP sünteesiks vajalik energia fotosünteesi valgusstaadiumist, kus kõrge redokspotentsiaaliga elektronide liikumisel tülakoidis toimuvate reaktsioonide tulemusel vabanevad vesinikioonid tekitavad prootongradiendi. Kõrge prootonite kontsentratsioon kloroplasti luumenis põhjustab prootonite liikumise läbi ATP süntaasi basaalse osa stroomasse, kus prootonite kontsentratsioon on madal. Prootonite liikumine läbi ATP süntaasi paneb ensüümi roteeruva kompleksi pöörlema ning varustab seeläbi ATP sünteesiks vajaliku energiaga.
Reaktsiooni aktiveerimiseks peavad ADP ja fosfaatrühm liituma ATP süntaasi „avatud” saidiga. Seejärel toimub rotatsioon, mille tulemusena muutub aktiivsaidi struktuur ning ADP ja fosfaatrühm moodustavad ATP, eraldub vesi. Edasisel rotatsioonil vabaneb ATP ning aktiivsaidi struktuur taastub , mis võimaldab ADP ning fosfaatrühma seondumist. Roteeruva kompleksi ühe täisringi jooksul sünteesitakse 3 ATP molekuli ning selleks peab 12 H+ iooni liikuma läbi ATP süntaasi. ATP sünteesi kiirus on reguleeritud valguse hulgaga , kuna suurem prootongradient võimaldab intensiivsemat rotatsiooni. Reguleerivaks faktoriks on ka NADPH ja ATP koguste suhe – NADPH liia korral suureneb ka ATP süntees, et elektrone ning prootoneid maksimaalselt ära kasutada.

SÜSINIKU SIDUMINE NING SÜSINIKUÜHENDITE SÜNTEES
Süsiniku omastamine on väga täpselt reguleeritud hästi integreeritud mehhanismide poolt, mis võimaldab fotosünteesi aktiivsust pidevalt vajaduse ning muutuvate tingimustega vastavuses hoida. Süsiniku assimilatsioon on tsükliline, autokatalüütiline protsess, mida sageli nimetatakse ka Calvini tsükliks või PCR tsükliks. CO2 assimilatsiooni mehhanismi, mis toimib PCR tsükli kaudu, nimetatakse C3 fotosünteesiks, kuna esimene protsessi käigus tekkiv stabiilne vaheprodukt on kolme-süsinikuline. Lisaks C3 fotosünteesile eristatakse veel C4 ning CAM fotosünteesi, mille puhul eelnevad PCR tsüklile CO2 siduvad protsessid.

PCR tsükli reaktsioonid
PCR tsükkel on 13-astmeline karboksüleerimisprotsess (vt joonist 1), millest võtab osa 11 ensüümi. PCR tsükli alguseks loetakse primaarset süsiniku ja ribuloos-1,5-bisfosfaadi (RuBP) sidumise reaktsiooni, mida katalüüsib RuBP karboksülaas- oksügenaas ( Rubisco ):
RuBP + CO2 → 2 3-PGA
Tavaolekus on Rubisco inaktiivne ning aktiivtsentrisse on tugevalt seondunud RuBP molekul , mis takistab aktivatsiooniks vajalikku CO2 seondumist. Reaktsiooni käivitamiseks on vaja Rubisco aktivaasi, mis eemaldab dekarbamüleeritud (inaktiivsest) aktiivtsentrist RuBP ning võimaldab karbamüleerimist ning Mg2+ liitumist aktiivtsentrisse. Seeläbi formeerub katalüütiliselt aktiivne tsenter , kuhu liitub uuesti RuBP. Reaktsiooni käigus reageerib CO2 otseselt ning elektrofiilselt RuBP tautomeerse kompleksi C2-ga, moodustades 6-süsinikulise vaheühendi 2-karboksü-3-ketoarabinitool-1,5-bisfosfaadi. Seejärel toimub vee mõjul vaheühendi lagunemine kaheks 3-fosfoglütseerhappe molekuliks – vesi loovutab hüdroksüülrühma C3 karbonüülrühmale, moodustades deprotoneeritava gem-diooli, põhjustades C2-C3 sideme lagunemist. Antud reaktsioon on PCR tsüklile ainomane ning seda katalüüsiv ensüüm Rubisco esineb kõigis fotosünteesivates organismides ning on tõenäoliselt üks levinumaid valke maal, moodustades kuni 50% kõrgemate taimede lehtedes leiduvatest lahustuvatest valkudest.
Teises PCR tsükli etapis fosforüleerib fosfoglütseraadi kinaas ATP abil 3PGA 1,3-difosfoglütseerhappeks, mis on tänu kahele happelisele anhüdriidsidemele aktiivsem. Seejärel asendab NADP glütseeraldehüüd-3- fosfaadi dehüdrogenaas 1,3-difosfoglütseraadi fosfaatrühma H+ vastu, moodustades glütseeraldehüüd-3- fosfaadi (GAP). Vesinikuallikana kasutatakse valges NADP+, kuid pimedas kataboolse ATP sünteesi ajal NAD+. Tegemist on PCR tsükli ainsa taandamisreaktsiooniga. GAP sünteesitakse trioos fosfoisomeraasi toimel dihüdroatsetoonfosfaadiks (DHAP). 3-süsinikulistest GAP ja DHAP molekulidest sünteesitakse aldolaaside mõjul 6-süsinikuline fruktoos -1,6-bisfosfaat (FBP) või 7-süsinikuline sedoheptuloos-1,7-bisfosfaat (SBP). Fruktoos-1,6-bisfosfaas defosforüleerimisel fruktoosi bisfosfataasiga saadakse fruktoos-6- fosfaat (F6P). Osa fruktoos-6-fosfaadi molekule kasutatakse tärklise sünteesiks, osa on vajalikud RuBP taastamiseks.
RuBP taastamine saavutatakse 3-, 4-, 5- ja 6-süsinikuliste ühendite vastastikuste üleminekute kaudu. Selleks eemaldab transketolaas fruktoos-1,6-fosfaadilt ning sedoheptuloos-7-fosfaadilt 2-süsinikulised fragmendid , moodustades nii vastavalt erütroos-4-fosfaadi (E4P) ning riboos-5-fosfaadi (R5P). Erütroos-4-fosfaat reageerib omakorda DHAP-ga – tekib sedoheptuloos-1,7-bisfosfaat, mis defosforüleeritakse bisfosfataasi mõjul ja muundatakse transketolaasi mõjul riboos-5-fosfaadiks ning seejärel ribuloos-5-fosfaadiks (Ru5P). Samal ajal moodustub transketolaasi mõjul glükoaldehüüdist ja glütseeraldehüüd-3-fosfaadist ksüluloos-5-fosfaat, mis ribuloos-5-fosfaat 3-epimeraasi toimel Ru5P-ks konverteeritakse. Calvini tsükli viimaseks sammuks loetakse RuBP taastamist Ru5P fosforüleerimisel fosforibulokinaasi abil.
Joonis 1. PCR tsükkel

PCR tsükli produktide metabolism
Fotosünteesi üks põhilisemaid produkte on sahhariidid, mis on edaspidiseks energiaallikaks nii taimele endale, kui ka loomorganismidele. Kõige levinum oligosahhariid taimedes on sahharoos – varuaineid transporditakse taimeorganite vahel peamiselt sahharoosi kujul. Sahharoos koosneb glükopüranoosist ning fruktofuranoosist, mis on omavahel seotud 1-2 glükosiidsidemega. Sahharoosi sünteesi esimene etapp on fruktoos-1,6-bisfosfaadist hüdrolüüs:
Fru-1,6-BP + H2O > F6P + Pi
Seejärel katalüüsib sahharoosi fosfaatsüntaas Fru-6-P reaktsiooni uridiindifosfaat-glükoosiga (UDPG). Selle tulemusena liigub glükoosijääk UDPG-lt F6P-le:
UDPG + F6P > UDP + sahharoos-6-fosfaat + H+
Sahharoosi sünteesi viimases etapis toimub sahharoos-6-fosfaadi defosforüleerimine sahharoosi fosfataasi poolt:
Sahharoos-6-fosfaat + H2O > sahharoos + Pi
Sahharoosi süntees on võimalik ka UDPG ning fruktoosi reaktsioonil, sellisel juhul jääb defosforüülimisetapp vahelt ära. Taimedes on säärasel reaktsioonil ebaoluline tähtsus.
Teine põhiline varuaine taimedes on tärklis, mille põhiline funktsioon on energiavarude säilitamine taimes. Tärklis sünteesitakse PCR- tsüklis toodetud fruktoos-6-fosfaadist, mis heksoosfosfaatisomeraasi toimel glükoos -6-fosfaadiks konverteeritakse. Seejärel muundatakse glükoos-6-fosfaat fosfoglükomutaasi toimel glükoos-1-fosfaadiks, mis omakorda ADP glükoosi pürofosforülaasi toimel ADP-ga liidetakse:
Glükoos-1-fosfaat + ATP → ADP-glükoos + PPi
ADP-glükoosi kasutatakse tärklise sünteesimisel, lisades tärklise süntaasi abil ADP-glükoosile 1,4-sidemete kaudu glükoosimolekule.
Peale sahhariidide sünteesitakse kloroplastides ka organellile vajalikke lipiide ning aminohappeid .
Lipiidid moodustavad kloroplasti kuivmassist umbes ühe kolmandiku. Rasvhapete sünteesis kasutatakse PCR tsükli produkte, taandavaid agente (nt ferrodoksiin ning NADPH) ja ATP-d ning peale kloroplasti toimub sünteesi osa etappe ka tsütosoolis ning mitokondrites. PCR-i produktidest sünteesitakse stroomas dihüdroksüatsetoonfosfaat, mis liigub tsütosooli, ning sealt edasi mitokondrisse, kus sünteesitakse atsetüül-CoA, mis liigub kloroplasti tagasi. Kloroplastis konverteeritakse atsetüül-CoA-st malonüül-CoA ning seejärel malonüül-ACP. Ühe atsetüül-ACP ning seitsme malonüül-ACP liitmisel ning taandamisel NADPH abil saadakse palmitüül-ACP, mis edasi hüdrolüüsitakse palmithappeks. Võimalik on ka palmitüül-ACP edasine pikendamine teisteks rasvhapeteks ning rasvhapete edasine modifitseerimine.
Kloroplastides leidub ensüüme enamiku valkudes leiduvate aminohapete sünteesiks. Aminohapete sünteesis on väga oluline roll lämmastiku assimilatsioonil. Taimed seovad lämmastikku peamiselt NO3- kujul. Seejärel taandatakse nitraatioon nitritiooniks ning ammoniaagiks:
NO3- + 2 e- + 2H+ → NO2- + H2O
NO2- + 6 e- + 7 H+ → NH3 + 2 H2O
Seejärel seotakse NH3 2-oksoglutaraadiga või glutamaadiga:
2-oksoglutaraat + NH3 + NAD(P)H + H+ → glutamaat + NAD(P) + + H2O
Glutamaat + NH3 + ATP → ADP + Pi + H2O
Edasises aminohapete sünteesis kasutatakse peamiselt glutamaati ning PCR tsükli produkte. Näiteks sünteesitakse 3PGA-st fosfoenoolpüruvaat (PEP), seejärel konverteeritakse PEP püruvaadiks, mille transamineerimisel glutamaadiga moodustub alaniin.
Mõned aminohapped sünteesitakse osaliselt kloroplastis ning osaliselt tsütoplasmas, kuid peamised prekursorid aminohapete sünteesiks sünteesitakse kõik fotosünteesi või fotosünteesi produktide modifitseerimise tulemusena kloroplastides.
KOKKUVÕTE
Fotosüntees on äärmiselt keerukas protsess, millest võtab osa hulgaliselt ensüüme ning kofaktoreid. Kloroplastis on välja kujunenud sünteesirajad enamiku vajalike sahhariidide, kloroplastilipiidide ning aminohapete sünteesiks. Lisaks sellele toodetakse sahhariide kõigi teiste rakuosade ning mitte fotosünteesivate rakkude varustamiseks. Seetõttu on fotosüntees äärmiselt kompleksne ning hästi reguleeritud protsesss. Fotosünteesi lähteaineteks võib lugeda süsihappegaasi ja vee, produktideks peamisel fruktoos-6-fosfaadi ning lipiidide sünteesi puhul ka dihüdroksüatsetoonfosfaadi. Protsessi erinevad etapid kulgevad peamiselt tülakoidmembraanil, aga ka kloroplasti stroomas ja luumenis. Erinevate etappide koostoime on tagatud seeläbi, et iga etappi koordineerib hulk ensüüme, mille hulgast olulisimaks võib lugeda Rubisco.