FOTOSÜNTEESI KEEMIA Koostanud: Luise Tiks ELEKTRONTRANSPORT FOTOSÜNTEESIS • Valgusenergia mõjul toimub fotosünteesi aktiivtsentri klorofülli-molekulide ergastamine, selle tulemusena vabaneb elektron e- P680 → P680+ • Tugeva oksüdeerijana eemaldab P680+ vett- lõhustavalt kompleksilt elektroni, taastades nii fotosüsteemi neutraalse seisundi • Vett-lõhustava kompleksi Mn2+ ioon loovutab elektroni ning oksüdeerub Mn3+ iooniks • Mn3+ ioonid omakorda osalevad väävli oksüdeerimisel. • Vee oksüdeerimiseks peab eelpool kirjeldatud oksüdeerimiste ahel toimuma neli korda 4Mn3+ + S → S4+ + 4Mn2+ • S4+ reageerib kahe veemolekuliga: S 4+ + 2H2O → S + 4H+ + O2 • Fotosüsteem I ergastub samuti valguse mõjul,
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
vabu radikaale. *Fükobiliinid e fükotsüanobiliinid vetikates. 6.Valgusraktsiooni ül: *toota energia kandjat ATP (ADP fosforrüülimine); *toota redutseerijat taandatud NADPH; *hapniku formeerimine. Pimereaktsiooni ül: CO2-st orgaaniliste ühendite süntees. 7. a) Mõlemat fotsosüsteemi vajavad taimed vetikad ja tsüanobakterid ehk O 2 produtseerivad organismid; b) Fotosüsteeme eristatakse lainepikkuse järgi P700 (FS I) ja P680 (FS II); c) FS I ja FS II üheaegsel funktsioneerimisel produtseeritakse O2, ATP ja NADPH; d) vaid FS I funktsioneerimisel produtseeritakse ATP-d. 8. Fosünteesi Z-skeem on kujutatud loeng 20 slaid 17 ja 18. Redokspotensiaalide suurenemise suund tagab elektronide liikumise termodünaamiliselt soodsas suunas. 9. Calvin-Bensoni tsükli lähteühendiks loetakse ribuloos-1,5-difosfaati.
Kõrgemates taimedes on a ja b vormi suhe 2:1. Mõlema vormi olemasolu rakus laiendab neeldumisriba ning organism on võimeline kasutama valgusenergiat laiemas nähtava valguse spektrialas. Klorofüll on alati seotud spetsiaalsetele valkudele, mis orienteerivad klorofülli molekule üksteise suhtes ning kinnitavad membraanidele. Nii moodustuvad valgust absorbeerivad kompleksid. Fotosünteesi maksimumid asuvad spektri punases (lõpp) ja violetses osas (algus). 4. Fotosüsteemid I ja II, P680 ja P700 paiknemine, koostis, mida nad produtseerivad. Oksügeensetel (O2 eraldavatel) fototroofidel (taimed, rohevetikad ja tsüanobakterid) on kaks fotosüsteemi, fotosünteesivaatel mitte-oksügeensetel bakteritel ainult üks fotosüsteem (FSI väävlibakteritel ja FSII purpurbakteritel). Palju klorofülli molekule, kuid vaid üks reaktsioonitsenter. Fotosüsteem koosneb sadadest valgust püüdvatest klorofüllide ja abipigmentide molekulidest pluss mõni
Mis toimub footoni neeldumisel? Porfüriini rõngas ja Mg selle sees (resonantsahel). Klorofüll a hakkab valgusenergiat konverteerima keemiliseks energiaks ning hakkab pihta elektrontransportahel. Valguskvandi neeldumisel klorofüll a-s , saavutab klorofüll a elektron selle kvandi energia ning tõuseb vastavalt kõrgemale energianivoole st liigub tuumast kaugemale ergastub. Elektroniülekanne doonorpigmendilt P680aktseptorkinoonvee lagundamine ja oksüdeerunud P680 taasreduts cytbf plastotsüaniin P700 elektronid ferredoksiinile NADP-le Klorofüll b molekulid liiguvad apolaarses voolutis kiiremini/aeglasemalt/sama kiirusega kui klorofüll a molekulid. Ühe mittepolaarse metüülrühma asemel (klorofüll a) polaarne formüülrühm (klorofüll b). Vooluti heksaan : atsetoon (9:1) kasutamisel on fotosünteesivate pigmentide järjekord (alates kiiremini liikuvast) õhukesekihikromatograafia plaadil c) karotiinid, klorofüll a, klorofüll b
fotokeemiliselt reaktiivne klorofülli molekul nn reaktsioonitsenter. Valguskvant kantakse resonantsenergia teel ühelt klorofüllilt teisele, kuni jõuab reaktsioonitsentrisse. 4. Kõik klorofülli molekulid kuuluvad ühte kahest fotosüsteemi. Fotosüsteem I (FSI (P700)) absorbeerib kiirgust 700 nm juures (klrfl a ja lisapigmendid) Fotosüsteem II (FSI (P680)) absorbeerib kiirgust 680 nm juures (klrfld a ja b ning lisapigmendid). Koosneb enam kui 20 subühikust. Tuuma moodustavad polüpeptiidid D1 ja D2, mis seovad P680, feofütiine ja kinoone QA ja QB. P700 paikneb luumeni poolel. Esineb 2 fotofosforüleerimise tüüpi: (1) atsükliline- osalevad FSII ja FSI, sünteesitakse ATP ja NADPH ning eraldub O2. Iseloomulik Z-skee. (2) tsükliline osaleb ainult FSI, ATP on ainus produkt, O2 ei genereerita ja NADPH ei sünteesita.
b) klorofülla karotiinid klorofüll b c) karotiinid klorofüll a klorofüll b d) klorofüll b karotiinid klorofüll a 14. Fotosüsteem I paikneb ..strooma...tülakoidides, fotosüsteem II .graani.tülakoidides 15. Loetlege PS I ja PS II peamised erinevused tsentri poolest erinevad: PSI ja PSII klorofüllid aga ei ole spektraalselt ühesugused: PSI-s on kaugpunased Chl-d (doonorpigment P700), PSII-s ei teata olevat (doonorpigment P680) ehk tsentraalklorofüllid on erineva neeldumisspektriga (PSI's P700 ning PSII's P680); PSII on Mn-kompleks, mis lagundab H2O'd PSI annab oma elektronid edasi valkudele, PSII't lähevad nad edasi plastokinoonile; elektronide doonorid ja aktseptorid on erinevad: - PSII't doonoriks H2O ja akseptoriks plastokinoon; - PSI'l doonoriks plastotsüaniin ja akseptoriks ferredoksiin;
Neelatud kvandi energia antakse ühelt pigmendimolekulilt teisele, kuni ta kas jõuab aktiivtsentrisse ja indutseerib fotokeemilise reaktsiooni, või kiirgub poolel teel välja fluoestsentsikvandina või hajub soojusena. Neelatud ja fotokeemilistesse tsentritesse üle antud kvantide energia muundatakse keemiliste sidemete energiaks reaktsioonide süsteemis, mis moodustavad fotosünteetilise elektronide ülekande ahela. Süsteem sisaldab kaht fotokeemilist reaktsioonitsentrit: lühemalaineline P680 (H2O2 laguneb katalaasi osavõtul veeks ja O2-ks. Plastokinoonses ahelas toimub ADP fosforüleerimine, mille juures moodustuv ATP kasutatakse CO2 assimilatsiooni süsteemis.) ja pikemalaineline P700 (moodustunud NADPH kasutatakse ära CO2 assimilatsiooni süsteemis). Need protsessid kulgevad kloroplastides. Fotokeemiliste reaktsioonide produktid ATP ja NADPH võimaldavad CO2 redutseerimist ja selle arvel orgaanilise aine sünteesi de novo.
karotiinid; b) klorofülla karotiinid klorofüll b; c) karotiinid klorofüll a klorofüll b; d) klorofüll b karotiinid klorofüll a 9. Loetlege PS I ja PS II peamised erinevused Kus, ülesanne, tsentripigment, e-aktseptor, e-doonor PS I strooma tülakoidides, tegeleb NADPH moodustamisega, P700, Fdx, valkude koostis ja pigmendid antennides erinevad, PC PS II graani tülakoidides, tegeleb oksüdeerimisega, P680, PQ, vett lagundav kompleks, H2O 10. Loetlege tunnuseid mille poolest PS I ja PS II on sarnased Tülakoidide membraanis, sisaldavad 2 Chla/karotenoidi molekuli/(e) , footon põhjustab elektroni tõusmist kõrgemale energiatasemele, reaktsioonid sõltuvad valgusest. 11. Kuidas toimub fotosüsteemi antennis neeldunud kvantide energia liikumine reaktsioonitsentrisse Antennideks on pigmendid, mis koguvad valgust ja kannavad selle energia üle reaktsioonitsentrile. Kombineeruvad 2 mehhanismi: 1
Klorofüllid a ja b neelavad peamiselt punases ja sinises spektriosas. Kloroplastis abipigmendid, karotenoidid, rohelise ja kollase valguse kasutamiseks. Abipigmendid annavad oma ergastuse edasi klorofüllile. Vett lagundav kompleks on fotosüsteemiga ühendatud tülakoidi luumenipoolsel küljel. selle koosseisus on tähtsad neli Mn aatomit. Lõppaktseptoriks on kinoon QA. Trap limited mudel – eksiton liigub pidevalt antenni ja tsentri vahet. Elektron eraldub tsentripigmendis, mis PSIIs on P680 ja PSIs P700 (tähistatud vastavalt lainepikkusele). Tsentripigment on klorofüllide dimeer. Lisaks on läheduses veel PSII feofütiin. Lõpuks elektron stabiliseerub aktseptorpoolel kinooni molekulil. PSIIs redutseerunud plastokinoon Q B eraldub ja difundeerub membraani sees, seda asendab teine, oksüdeerunud kinoon. Redutseerunud kinoon difundeerub Cyt b6f kompleksini kus oksüdeerub andes elektroni edasi Cyt b6f kompleksis olevatele heemidele Cyt f ja Cyt b. PSI liigub elektron edasi seotud
on vahemikus 20-30°C (sobivaim keskkond on troopika). Energia migratsioon: a) Fotokeemiliselt aktiivsed pigmendid: A-klorofüll b) Fotokeemiliselt inaktiivsed pigmendid: B-klorofüll, karotinoidid, fükobiliinid, enamik a-klorofülli molekule Fotosünteesi fotokeemiline faas: 1. Fotokeemilised reaktsioonid: a) I fotosüsteem (P700): Reduktiivjõu NADPH tekkimine ja tsükliline fotofosforüülimine b) II fotosüsteem (P680): Vee fotooksüdatsiooniks vajaliku tugeva oksüdeerija genereerimine 2. Elektrontransport a) Atsükliline e. mittetsükliline protsess b) Tsükliline protsess Leht kui FS organ: Kloroplastid kui FS organid. Pigmendid – klorofüll, karotinoidid, fükobiliinid. FS toimub taimedel kloroplastides, nad on olemas lehtedel. Leht ei ole paks, see annab rohkem kasutada päikesekiirgust. Lehtedes on vesi, mida me saame turgori abiga. Toimub selle abiga gaasivahetus.
Klorofüllid koos abipigmentidega moodustuvad kloroplastide membraanidele valgustneelavaid komplekse. Fotosüsteemid Fotosüsteemid koosnevad sadadest valgustpüüdvatest klorofüllide ja abipigmentide molekulidest pluss mõnest eriotstarbelisest fotokeemiliselt reaktiivsest klorofülli molekulist ehk reaktsioonitsentrist. Fotosüsteemid jagunevad kaheks: · fotosüsteem I ehk P700 neelab valgust 700nm juures. Koosneb klorofüll a'st ja lisapigmentidest. · fotosüsteem II ehk P680 neelab valgust 680nm juurest. Koosneb klorofüll a ja b'st ning lisapigmentidest. Kloroplastid, mida valgustatakse mõlema lainepikkuse juures, toodavad rohkem hapinikku, kui eraldi kokku võimalik. Rubisco Rubisco on bifunktsionaale ensüüm, omab nii karboksülaadi aktiivsust kui ka oksügenaasi aktiivsust. Rubisco katalüüsib anorgaanilise CO2 liitmise pentoosile, mille tulemusel tekib vaheühendina heksoos, mis seejärel lõigatakse kaheks trioosiks
neeldumisspektri ja fotosünteesi aktsioonispektri (fotosünteesi intensiivsuse sõltuvus valguse spektraalsest koostisest) kokkulangevus. 6.)Kuidas tagatakse elektronide liikumine fotosünteetilises ETA-s, millised valgulised kompleksid osalevad.: Elektronide liikumise teed veelt NADP-le mitmete vaheülekandjamolekulide vahendusel nimetatakse fotosünteetiliseks elektronide transpordi ahelaks (fsETA). Kui plastokinoon (QB) võtab 2e- P680 -lt, siis ta vabaneb reaktsioonitsentrumist ja difundeerub tülakoidi membraanis kuni puutub kokku cytb/f kompleksi luumenipoolse küljega ja seotakse (cytb/f kompleks on sarnane mitokondrite CoQ cytc reduktaasiga). Kaks prootonit, mis võeti stroomast plastokinooni redutseerumisel, antakse ära luumenisse. (kaks e- liiguvad kinooni ja tsütokroomide vahel kaks korda ringi - nn Q tsükkel - ja seetõttu transporditakse stroomast luumenisse kokku 8 prootonit iga elektroni
annaabi.ee 
