Postoji velika sličnost u hemijskom sastavu između mikroorganizama, biljaka i životinja, pa su i osnovni metabolički putevi slični. ŠTA JE METABOLIZAM? Metabolizam (grč. μεταβολήσμός što znači promena) je širok pojam koji obuhvata sintezu, degradaciju i sve biohemijske transformacije organskih jedinjenja koje se dešavaju u živom organizmu.
Anabolizam - biosinteza kompleksnih organskih molekula, pri čemu se energija troši. Katabolizam - razgradnja kompleksnih organskih jedinjenja u jednostavnija, pri čemu se energija oslobađa. Primarni (osnovni) metabolizam je sličan kod svih živih organizama, dok se po sekundarnom metabolizmu oni veoma razlikuju. Primarni i sekundarni metabolizam su međusobno povezani metabolitima.. Metaboliti su intermedijeri i produkti metabolizma. Primarni metaboliti su neophodni za normalan rast, razvoj i reprodukciju živih organizama. Sekundarni metaboliti predstavljaju adaptaciju biljne vrste na različite ekološke faktore i omogućavaju opstanak vrste. Imaju važnu ulogu u odbrani od herbivora i patogena ili u odnosima sa drugim biljnim vrstama (alelopatije). Sekundarni metabolizam biljaka se obično odvija samo u specifičnim, diferenciranim ćelijama i nije neophodan za funkcionisanje tih ćelija, ali koristi organizmu u celini.
Svim živim bićima je za održanje života, kao i za rastenje i razviće, potrebna energija. Manja ili veća energija je akumulirana u hemijskim vezama koje neko jedinjenje sadrži i ona se može ponovo osloboditi raskidanjem tih veza u procesima oksidacije. Oksidacija u živim organizmima se sastoji od niza oksidativnih stupnjeva, u kojima se energija oslobađa u malim porcijama i postepeno. Deo oslobođene energije se ponovo transformiše u hemijske veze posebne vrste (npr. fosfatne veze). Oksidativni procesi, u kojima se energija različitih hemijskih jedinjenja transformiše u univerzalno upotrebljivu energiju fosfatnih veza, sačinjavaju proces disanja.
Centralno mesto u metabolizmu svih živih bića zauzima adenozin trifosfat (ATP), koji s jedne strane nastaje u oksidativnim procesima vezujući energiju oksidacije, a s druge strane, pri hidrolizi, oslobađa tu energiju i omogućava druge sintetičke procese u ćeliji. ATP je univerzalni prenosilac hemijske energije između različitih metaboličkih procesa.
Kako biljke dolaze do organskih jedinjenja koja su im neophodna za život? Biljke zahvaljujući prisustvu hlorofila, apsorbuju svetlosnu energiju i transformišu je u energiju fosfatnih veza (ATP). Ovako dobijenu energiju zelene biljke koriste za sintezu organskih jedinjenja od neorganskih sastojaka. Ključni stupnjevi u ovoj sintezi su reduktivni procesi, u kojima se neorganska jedinjenja CO 2, -NO 2 - i -SO 3 2- redukuju i ugrađuju u organske supstance koje su od vitalne važnosti za svako živo biće.
Sposobnost zelenih biljaka da iz spoljašnje sredine uzimaju samo ugljen-dioksid, nitrate, sulfate, a pored njih fosfat i vodu, i da od njih izgrađuju sve ugljene hidrate, proteine, nukleinske kiseline i lipide, označena je kao autotrofija. Sa malim izuzetkom hemosinteze, ovi procesi predstavljaju jedini način kojim danas u prirodi de novo nastaju organske supstance.
Procesi koji biljke čine autotrofima i specifični su za njih su: fotosinteza redukcija nitrata i nitrita redukcija sulfata i sulfita Uz proces ćelijskog disanja, ovi procesi su najvažniji metabolički procesi kod biljaka, neophodni za njihovo normalno funkcionisanje.
FOTOSINTEZA Autotrofni organizmi (primarni producenti) Heterotrofni organizmi
U fotosintezi kao sporedan produkt oslobađa se kiseonik, koji je uslov života svih aerobnih organizama. Biljke apsorbuju svetlosnu energiju i konvertuju u hemijsku potencijalnu energiju tj. ATP i NADPH. Dobijena hemijska energija se koristi u Kalvinovom ciklusu za redukciju CO 2 i sintezu organskih molekula (šećera). Konverzija svetlosne energije u hemijsku i produkcija kiseonika, bili su od fundamentalnog značaja za evoluciju živog sveta, a i danas imaju veliki značaj za održavanje života na Zemlji. Mahovine paprati I cvetnice Mrke alge Euglena Cyanobacteria Fotoautotrofi = poizvode organsku materiju u fotosintezi Hemoautotrofi = u autotrofiji koriste hemijsku energiju oslobođenu oksidacijom neorganskih jedinjenja
Apsorpcija svetlosti Sunčevo zračenje obuhvata: 1. nevidljivi deo spektra, u oblasti kraćih (ispod 400 nm) i dužih (preko 700 nm) talasnih dužina 2. vidljivi deo spektra ili svetlost koje obuhvata talasne dužine od 390 do 720 nm.
Apsorpcija svetlosti Sunčevo zračenje se odlikuje dualističkom prirodom, s obzirom da ima osobine talasa i osobine čestica. Elektromagnetno zračenje se karakteriše talasnom dužinom (λ), frekvencijom i energijom. Talasna dužina (λ) Frekvencija (v) Brzina talasa (c)
Svetlost se može odrediti talasnom dužinom ili količinom - fotona. Svaki foton sadrži određenu količinu energije kvanta. Prema Plankovom zakonu energija fotona: E = hc/λ = hv h Plankova konstanta C brzina svetlosti Λ talasna dužina V frekvenca zračenja (c/ λ) Količina energije pojedinačnog kvanta svetlosti direktno proporcionalna frekvenci oscilacije elektromagnetnih talasa, a obrnuto proporcionalna talasnoj dužini. Intezitet zračenja se definiše kao protok snopa fotona čija količina energije ( kvantum) zavisi od talasne dužine.
Spektrofotometrija T = I Io A = - log T T transparencija I intenzitet izlaznog zraka Io intenzitet upadnog zraka A apsorbanca (ekstinkcija) Beer - Lambert ov zakon : A = ε. c. l ε molarni ekstinkcioni koeficijent c koncentracija l debljina stuba tečnosti
Fotosintetički pigmenti apsorbuju svetlost određenih talasnih dužina. Hlorofili imaju dve zone apsorcije, jednu u plavom, a drugu u crvenom delu spektra. Karotenoidi apsorbuju samo u ljubičastom i plavom delu spektra.
Ekscitacija hlorofila pri apsorpciji plave i/ili crvene svetlosti Osnovno stanje elektroni koji čine spoljašnji omotač molekula vezani su za svoje orbite i nalaze se na najnižem energetskom nivou. Elektron čija se energija poveća primanjem kvanta svetlosti, prelazi na sledeću orbitu, koja odgovara povišenoj energiji ekscitirano ili pobuđeno stanje molekula. Light Photon e Chlorophyll molecule (a) Absorption of a photon 2 Excited state Light (fluorescence) Ground state Samo apsorbovana svetlost vodi hemijskoj promeni (Grotthuss-Draper-ov zakon ). 1 foton pobuđuje 1 molekul (Stark-Einstein-ov zakon). Apsorpcija fotona vodi prelazu elektrona u više energetsko stanje. Bitna je energija fotona a ne svetlosti.
Elektronska stanja hlorofila U molekulu hlorofila svaka energetska orbita ima nekoliko bliskih stanja ili vibracionih nivoa. Postoje 2 moguće orbite ekscitiranog stanja viša orbita odgovara energiji fotona plave = drugi singlet, a niža fotonu crvene svetlosti = prvi singlet. Apsorcija plavog dela spektra vodi višim energetskim stanjima, nego crvena svetlost zato što plavi deo spektra bogatiji energijom (kraće talasne dužine).
Ekscitirano stanje molekula je vrlo nestabilno i kratkotrajno. Brzo dolazi do deekscitacije kada se molekul hlorofila oslobađa primljene energije i vraća u osnovno stanje. Različiti putevi deekscitacije: 1. u vidu toplote (termalna disipacija) 2. fluorescencija 3. fosforescencija 4. indukovana rezonancija 5. Fotohemija (oksidacija) Apsorcija svetlosti, ekscitacija molekula hlorofila, prenos escitona i deekscitacija su fizički procesi u kojima se hemijski ne menjaju molekuli, Tek kad hlorofil izgubi elektron, počinju fotohemijske reakcije.
Fluorescencija iz iz prvog pobuđenog singulentnog stanja u osnovno stanje. Hlorofil u etarskom rastvoru fluorescira na 680nm. Fosforescencija prelazak iz tripletnog stanja u osnovno. Može da se dogodi da dođe do revizije spina u toku ekscitiranog stanja. Indukovana rezonancija je prenošenje energije sa jednog molekula na drugi, ako su molekuli dovoljno blizu.
ŠTA JE FOTOSINTEZA? Gde se dešava? Kako se dešava? Da li se fotosinteza odvija po istom obrascu nezavisno od uslova staništa?
FOTOSINTEZA: KONVERZIJA SVETLOSNE ENERGIJE Biološki smisao: korišćenje energije iz spoljašnje sredine i njena akumulacija u vidu stabilnih organskih jedinjenja, koja zatim služe kao izvor energije za sve energetske procese živog sveta planete. Ovako akumulirana energija se kontrolisano oslobađa kroz metaboličke procese.
Istorija proučavanja Joseph Pristley je 1771. godine - u zatvorenom prostoru pod staklenim zvonom sveća se gasi, a životinje se guše od "fiksiranog" vazduha. Vazduh se može "popraviti", ako se pod zvono unese i grana zelene biljke. Jan Ingenhousz je 1779. godine pokazao da biljke proizvode "vitalni" vazduh, ali samo na svetlosti, dok u mraku i one "kvare" vazduh isto kao životinje.
Nikolas Téodore de Saussure (1804.) bavio se proučavanjem kvantitativnog odnosa između usvojenog CO 2 s jedne, i proizvedenog O 2 i suve težine, s druge strane. Dobitak u težini biljke je bio veći od razlike u razmenjenim gasovima pa je de Saussure zaključio da u izgradnji biljnog tela mora učestvovati i voda, koja je u njegovom eksperimentu bila jedini materijal dostupan biljci, osim gasova. 1817 godine - Pelletier i Caventou su izolovali zeleni pigment iz lista i nazvali ga hlorofil. Robert Mayer (1845) formulisao zakon o konverziji energije. Primenjujući ovaj zakon, objašnjeno je da biljke apsorbuju jednu vrstu energije - svetlosnu, a zatim je pretvaraju u drugu vrstu - u hemijsku energiju koja je vezana u produktima fotosinteze.
U drugoj polovini XIX, Julius Sachs (1864) je pokazao da su glavni produkti fotosinteze ugljeni hidrati, a posebno skrob.
Tokom XIX veka utvrđeno je da se zeleni pigment hlorofil nalazi u posebnim organelama - hloroplastima. Engelmann (1883) je dokazao da se kiseonik oslobađa samo u hloroplastima. Mikroskopski preparat: deo končaste alge Spirogyra i kap iz kulture sa bakterijama truljenja. Bakterije su aerotaksične i nakupljaju se oko onih delova koji su osvetljeni crvenom i plavom svetlošću.
Opšta jednačina fotosinteze Svetlost 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O hlorofil 2 Ova jednačina pokazuje samo "ulaz" i "izlaz" iz jednog procesa i ne može se nikako shvatiti bukvalno, tj. da se kombinacijom ugljen-dioksida i vode dobijaju šećeri.
Umesto ove jednačine bolje je da se koristi shema koja prikazuje iste odnose, ali ostavlja mogućnost da se u bloku koji je nacrtan i označen kao "fotosinteza" dešavaju nepoznati složeni procesi. svetlost CO 2 [CH 2 O] fotosinteza H 2 O O 2 Fotosinteza je anabolički proces koji se kod viših biljaka dešava u hloroplastima i za koji su neophodni: ugljen dioksid (iz vazduha), voda (uglavnom iz zemljišta), svetlost i hlorofil.
Fotosinteza obuhvata dve komponente koje su nazvane: fotohemijska faza, koja zavisi od svetlosti, a kao i svi fotohemijski procesi ne zavisi od temperature, i biohemijska faza, koja zavisi od CO 2, a koja, kao i svi enzimatični procesi, zavisi od temperature. U prvu ulaze procesi koje direktno pokreće svetlost, a u drugu procesi u kojima učestvuje CO 2 i za koje je svetlost potrebna kao regulator, ali ne kao izvor energije.
Fotosinteza kao reduktivan proces Poreklo kiseonika koji se oslobađa u fotosintezi dugo nije bilo jasno. Po jednoj pretpostavci O 2 potiče iz CO 2, što bi značilo da se CO 2 razlaže i ugljenik vezuje za vodu, da bi se dobili šećeri [CH 2 O]. Po drugoj, kiseonik je poreklom iz vode, što znači da se voda razlaže, a da se CO 2 redukuje pomoću vodonika u [CH 2 O].
Značajan uticaj na studije fotosinteze imali su ogledi Van Niela, (1931. godine i dalje). Fotosintetičke sumporne bakterije sa kojima je Van Niel radio su anaerobne, ne mogu da žive bez H 2 S, a pri fotosintezi ne oslobađaju O 2, nego sumpor (2S). Otuda je Van Niel fotosintezu predstavio sledećom opštom jednačinom: CO 2 + 2H 2 A [CH 2 O] + 2A (ili A 2 ) + H 2 O Kod zelenih biljaka A označava kiseonik koji se oslobađa iz vode, a kod bakterija sumpor. Jedinjenje H 2 A se oksiduje, a CO 2 redukuje.
Ruben i Kamen (1941) korišćenjem izotopa kiseonika 18 O, su pokazali da je kiseonik poreklom iz vode, jer je izotopni sastav oslobođenog O 2 uvek odgovarao sastavu kiseonika iz vode, a ne onome iz ugljen dioksida.
GDE SE ODVIJA?
Osnovni fotosintetski organi biljaka su listovi. Evolucija njihove morfologije i anatomije je stoga išla u pravcu povećanja efikasnosti usvajanja svetlosti i njenog prenošenja do hloroplasta gde se obavlja proces fotosinteze. Fotosinteza se ne dešava samo u listovima...
Eukariotski fotosintetski organizmi sadrže u ćelijama plastide. Svi oni nastaju od proplastida. Fotosintezu obavljaju hloroplasti, koji sadrže pigmente hlorofile.
Lokalizacija fotosinteze u hloroplastu Ogledi Engelmanna su pokazali da se fotosinteza odvija u hloroplastu. U toku 1937. godine R. Hill je uspeo da iz zelenih listova izoluje hloroplaste i da ih van ćelije održi u funkcionalnom stanju. Kada je suspenzija hloroplasta osvetljena, oni su oslobađali O 2, ali samo ako je u rastvor dodat neki akceptor elektrona, kao što je feri jon (Fe 3+ ), koji se pri tom redukuje u fero oblik (Fe 2+ ).
Kada su hloroplasti bili razbijeni ultrazvukom i membranski sistem bio odvojen od tečnog dela hloroplasta, pokazalo se da se svetla faza obavlja u membranama, a tamna u stromi. Na taj način su ove dve faze i prostorno jedna od druge odvojene. 4Fe 3+ + 2H 2 O 4Fe 2+ + O 2 + 4H + Hillova reakcija je pokazala da su hloroplasti sposobni da obavljaju svetlu fazu fotosinteze nezavisno od drugih ćelijskih delova. U izolovanim hloroplastima svetlost pokreće transport reduktanta (elektrona) iz vode, ali ih prenosi na nefiziološke akceptore. Međutim, u Hillovim ogledima hloroplasti nisu obavljali tamnu fazu fotosinteze. Pedesetih godina su metodi izolacije znatno poboljšani. Arnon i saradnici su pokazali da izolovani hloroplasti mogu da obavljaju i tamnu fazu, bez učešća citoplazme.
Kod prokariotskih organizama (Cyanobacteria i fotosintetičke bakterije) fotosintetski pigmenti se nalaze ili u membranskim tvorevinama u citoplazmi ili u ćelijskoj membrani.
Građa i sastav hloroplasta Hloroplasti su ovalnog oblika, prečnika 4-10 m, debljine 3-4 m. Broj hloroplasta u ćeliji veoma varira, zavisno od biljne vrste, tipa ćelije i drugih uslova (izvesne alge imaju samo jedan hloroplast u ćeliji). Unutrašnjost hloroplasta je membranama podeljena na tri kompartmenta (odeljka), relativno dobro izolovanih jedan od drugog: periplastidijalni prostor luminalni prostor stroma
Ultrastruktura membrane ovojnice Hloroplasti su obavijeni sa dve membrane, čija je debljina 6 nm, a između njih se nalazi periplastidijalni prostor, širok 10-20 nm. Smatra se da je unutrašnja membrana glavni regulator transporta između hloroplasta i citoplazme, dok je spoljašnja mnogo propustljivija. Sadrži specifične transportere pomoću kojih se obavlja transport većine metabolita između hloroplasta i citosola.
Unutrašnji membranski sistem čine spljoštene membranske vezikule ili tilakoidi : Tilakoidi grana Tilakoidi strome Lumen tilakoida Luminarni prostor je jedinstven za ceo hloroplast
Sastav tilakoidnih membrana Sve membrane koje ulaze u sastav hloroplasta izgrađene su u skladu sa tečnim mozaičnim modelom. Spoljašnja je slična ostalim membranama u ćeliji, mada sa malim udelom fosfolipida, fosfatidilglicerola i fosfatidilholina. Membrane tilakoida se znatno razlikuju, jer se lipidi koji ulaze u njihov sastav veoma retko nalaze u nefotosintetičkim biološkim membranama. Masne kiseline u sastavu lipida su u izuzetno visokoj meri nezasićene, a pošto i sterola ima vrlo malo (0,5%), membrane tilakoida imaju najveću moguću fluidnost i omogućavaju visoku lateralnu pokretljivost integrisanih proteina.
Proteini, čiji je udeo oko 50%, sastoje se gotovo svi iz više polipeptida, koji nastaju u hloroplastu ili u citoplazmi. Pri formiranju membrana obrazuju jedinstvene komplekse. U kompleksima mogu imati različite enzimatske funkcije, ali prvenstveno služe kao nosači, za koje su na specifičnim mestima vezani pigmenti i prenosioci elektrona. Vezivanje u komplekse sa pigmentima i prenosiocima elektrona obezbeđuje da se prenos svetlosne energije i elektrona kroz tilakoidne membrane obavlja po tačno utvrđenom redosledu i u određenom pravcu.
Stroma je rastvor sličan citosolu, u kome se nalaze produkti fotosinteze (skrobna zrna) i mnogi metaboliti, proteini koji imaju enzimatske funkcije, kao i nukleinske kiseline. U stromi se izgrađuju i pigmenti koji učestvuju u fotosintezi. Stroma sadrži i plastoglobule, lipidne kapi, koje su naročito brojne kod biljaka koje rastu u mraku i u listovima koji stare. Regioni koji sadrže DNA hloroplasta, kao i ribozomi (70S), mrna i trna. Hloroplasti algi i prokariota se razlikuju od istih kod viših biljaka. Crvene alge imaju pojedinačne tilakoide, ne grade grana, a na površini nose fikobilizome (diskoidalne strukture koje sadrže pigmente).
PIGMENTI
U svim fotohemijskim procesima svetlost može biti aktivna samo ako je apsorbovana. Apsorbciju svetlost određenih talasnih dužina obavljaju pigmenti. Reflektovana ili propuštena svetlost nema nikakvu fotohemijsku aktivnost.
U fotosintezi učestvuju tri grupe pigmenata: Hlorofili Karotenoidi Fikobilini
Hlorofili Hlorofili su zeleni pigmenti hloroplasta koji apsorbuju oko 70% fotosintetičkog aktivnog zračenja u plavom i crvenom delu spektra. Po hemijskoj strukturi to su derivati cikličnih tetrapirola, koji grade porfirinski prsten u čijem centru se nalazi atom magnezijuma. Hlorofili su estri dikarboksilne hlorofilinske kiseline, u kojima je jedna kiselinska grupa esterifikovana ostatkom metanola, a druga fitolom (nezasićen alkohol, izoprenoidnog porekla). Poseduju i peti ciklopentanonski prsten. Hlorofili su nerastvorljivi u vodi i lipofilni.
Svi fotosintetički organizmi (sem bakterija) sadrže hlorofil a, a sve fotosintetičke bakterije bakteriohlorofil a. Euglenophyta, zelene alge i više biljke sadrže a i b. Crvene alge sadrže a i d, dok mrke alge sadrže a i c hlorofile.
Među hlorofilima a, b i d nisu velike razlike. Hlorofil a na C-7 atomu ima metil grupu, hlorofil b aldehidnu grupu, a hlorofil d ima aldehidnu grupu na C-3 atomu. Hlorofil c nema fitol, sadrži ostatak propionske kiseline na četvrtom prstenu.
I faza: Biosinteza 5- aminolevulinske kiseline (početno jedinjenje u sintezi porfirina). II faza: Procesi od prekursora do sinteze PROTOPORFIRINA IX, koji su indentični za sve porfirine. III faza: Procesi od protoporfirina IX do hlorofila. Faze I i II karakteristične su za sve žive organizme, dok faza III je specifična za fotosintetičke organizme.
2x 4x Sinteza porfirina: Glutamat + t RNK C5 put 5-aminolevulinska kis. (ALA) ALA dehidrataza Kondezacijom dva molekula ALA Porfobilinogen (pirol) Profobilinogen deaminaza Uroporfirinogen sintaza Porfirinski prsten
Mg-Protoporfirin obrazuje se peti izociklični prsten E redukcija Protohlorofilid A Hlorofilid A Hlorofil A redukcija esterifikacijom Hlorofil b postaje od hlorofila a, Pomoću enzima hlorofilna oksigenaza koja oksiduje metil grupu na C-7 atomu u formil grupu. Hlorofili se vezuju za proteine koji čine kompleksne globule u membranama tilakoida.
Svetlost je neophodna za: Biosintezu ALA iz glutaminske kiseline (faza I) Redukciju protohlorofilida u hlorofilid Enzimi značajni u sintezi hlorofila: Mg-helataza NADPH protohlorofilid oksidoreduktaza
Karotenoidi Karotenoidi su grupa pigmenata koja se nalaze u hloroplastima i hromoplastima. U prvom slučaju učestvuju u fotosintezi, a u drugom daju žuto, narandžastu ili crvenu boju cvetovima, plodovima... Apsorbuju u ljubičastom i plavom delu spektra. Dele se na dve grupe: karotene (CH) koji se sastoje od C i H, a vezivanjem hidroksilne grupe dobijaju se ksantofili (CHO). Pripadaju velikoj grupi izoprenoidnih jedinjenja. Osnovna gradivna jedinica je izopren, koji ne postoji slobodan već se kao izopentenil-pirofosfat (IPP) ugrađuje u karotenoide.
Najvažniji karotenoidi kod biljaka su β-karoten (provitamin A) i ksantofili: lutein, violaksantin i zeaksantin.
Biosinteza izoprenida počinje kondezacijom dva hemiterpena (izopentenil - pirofosfata IPP i dimetilalil - pirofosfata DMAPP) sa po pet C-atoma, čime se dobija monoterpen geranil pirofosfat GPP.
Izoprenoidni lanac se produžava dodavanjem nove jedinice IPP tako se dobija jedinjenje sa 15 C- atoma farnezilpirofosfat FPP, a zatim geranilgeranil-pirofosfat GGPP sa 20 C-atoma. Dimerizacijom GGPP dobijaju se tetraterpeni među kojima i fitoen zajednički prekursor za karotene i ksantofile. Većina karotenoida karakteriše se ciklizacijom na jednom ili oba kraja lanca, čime se formira jonski prsten.
Ovi pigmenti su označeni kao pomoćni pigmenti, jer energiju koju apsorbuju mogu predati hlorofilu a i na taj način povećati opseg i količinu svetlosti koju biljka koristi u fotosintezi. Imaju i zaštitnu funkciju, jer preuzimaju višak apsorbovane svetlosti, koja ne može biti iskorišćena u fotosintezi. Štite hlorofile od fotooksidacije, sprečavajući da višak energije dovede do nastajanja reaktivnih formi kiseonika koji deluju toksično i razaraju (izbeljuju) pigmente. Karotenoidi imaju i druge značajne funkcije kao što je apsorpcija svetlosti koja izaziva lokomotorne pokrete, fototaksije. Moguće je da učestvuju i u prenošenju drugih svetlosnih signala, kao npr. u fototropizmima.
Fikobilini Kod modrozelenih i crvenih algi. Pigmenti rastvorljivi u vodi. Sastoje se od proteina i prostetične grupe, koja je hromofor. Za protein su kovalentno vezani 1-2 molekula hromofora. Hromofori su fikobilini jedinjenja od 4 pirolova prstena u otvorenom nizu (nastaje od protoporfirina IX). Najrasprostranjeniji fikobilini: Fikocijani (pretežno Cyanobacteria) Fikoeritrini (pretežno Rhodophyta) Fikobiliproteini se nalaze u posebnim globulama -fikobilizomi koje su vezane spolja za membrane tilakoida.
Akcioni spektar se predstavlja grafički kao intezitet procesa (količina O 2 ) u funkciji talasne dužine. U svakom fiziološkom procesu može biti aktivana samo apsorbovana svetlost, jasno je da se akcioni spektri se moraju podudarati sa apsorcionim.
PRIMARNA SVETLOSNA REAKCIJA Primarna svetlosna reakcija podrazumeva apsorciju svetlosti i razdvajanje naelektrisanja (fotooksidacija hlorofila u reaktivnom centru). Fotosinteza počinje tek kada ekscitirani molekul hlorofila izgubi elektron. Potrebno je da u blizini ekscitiranog hlorofila postoji akceptor elektrona, neko jedinjenje koje taj elektron može da primi. Hlorofil postaje oksidovan, a akceptor se redukuje. Redukcija jedinjenja je fotohemijska pojava. U hlorofilu ostaje elektronska praznina i hlorofil sada prima elektron od trećeg jedinjenja, koje postaje donor. Ovim počinje fotohemijska faza fotosinteze.
Svetlosna energija predstavlja inicijalnu energiju koja pokreće sve fotosintetičke reakcije.
Svi procesi koje pokreće svetlost se dešavaju u sistemu fotosintetičkih membrana. Svi fotosintetički organizmi imaju po 4 do 5 supramolekulska kompleksa na tilakoidnoj membrani: fotosistem I fotosistem II kompleks citohroma b6f ili bc1 kompleks proteina i pigmenata koji skupljaju svetlost sintaza adenozin trifosfata (reverzna ATPaza) Fotosistemi obuhvataju specijalne molekule hlorofila a, primarne akceptore elektrona i antena pigmente.
Fotosistem I (PSI) Skupina proteina i pigmenata čiji reakcioni centar P700 apsorbuje svetlost talasne dužine 700 nm. Glavna funkcije je redukcija feredoksina i oksidacija plastocijanina. Smešten je u tilakidima strome i u delovima membrane po obodu grana koji su u kontaktu sa stromom.
Fotosistem I (PSI) U PSI postoji jezgro PSI i antena pigmenti PSI. Jezgro obuhvata najmanje 7 polipeptida IA, IB, II-VI, pri čemu polipeptidi IA i IB nose reakcioni centar i primarne akceptore elektrona. Reakcini centar se sastoji iz 2 molekula hlorofila a čine dimer, i pri apsorpciji svetlost od 700nm gube boju.
Fotosistem I (PSI) Akceptori elektrona su jedinjenja koja sukcesivno primaju elektron od P700: Ao monomerni hlorofil a A1 vitamin K Fx fero-sumporni centar Fa i Fb još dve fero-sumporne grupe sa po 4 atoma Fe i S.
Specijalni molekuli hlorofila a imaju sposobnost da izgube elektron i otpočnu fotosintezu. Oni čine reakcioni centar. Svi ostali hlorofili a, zatim drugi hlorofili i karotenoidi su pomoćni pigmenti koji ulaze u sastav kompleksa koji sakuplja svetlost.
Fotosistem I (PSI) U PSI postoji jezgro PSI i antena pigmenti PSI. PSI obuhvata i nekoliko polipeptida koji pripadaju kompleksu antena-pigmenti I koji sadrži oko 100 molekula hlorofila a, hlorofil b i beta-karoten. Feredoksin (Fd) je vezan na stromalnoj strani PSI, a kao asociran protein je vezan flavinski enzim feredoksin- NADPoksidoreduktaza. Plastocijanin je vezan na luminalnoj strani PSI.
Fotosistem II (PSII) U PSII postoji jezgro PSII i antena pigmenti PSII Kompleks čiji reakcioni centar apsorbuje svetlost talasne dužine 680 nm = P680. Smešten je u delovima tilakoida koji su zbijeni u grana. Glavna funkcija je oksidacija vode i redukcija plastokinona.
Fotosistem II (PSII) Jezgro PSII od najmanje 6 polipeptida. Dva među njima, D1 i D2 nose reakcioni centar i primarne akceptore elektrona. Reakcioni centar PSII sadrži 4 molekula hlorofila, od kojih dva grade dimer koji se fotooksiduje. Posebni polipeptidi (sadrže po 20-25 molekula hlorofila a i b) koji su deo PSII služe kao antena-pigmenti II. Kompleks (tri polipeptida) koji oksiduje vodu i razvija kiseonik je vezan na lumalnoj strani za PSII, kome predaje elektron iz vode. Za polipeptide D1 i D2 su vezani primarni akceptori elektrona.
Fotosistem II (PSII) Primarni akceptori elektrona i lokusi sa posebnim funkcijama su: Feofitin a Qa i Qb srodna kinonska jedinjenja Tirozin direktni donor elektrona za PSII Lokus za koji se vezuju neki herbicidi Beta-karoten i ne-hemsko gvožđe Citohrom b559
Kompleks proteina i pigmenata koji sakupljaju svetlost - LHCII Osim antena pigmenata hlorofila koji su sastavni deo fotosistema, postoji poseban kompleks koji ima tu funkciju, a može biti vezana prema potrebi za PSI ili PSII. Kompleks proteina i pigmenata koji skupljaju svetlost ili a/b antena-pigmenti ili LHCII učestvuju u prikupljaju svetlosne energiju koja se koristi u fotosintezi, zatim kontrolišu raspodelu apsorbovane energije između PSI i PSII. Sadrže 200-300 molekula hlorofila a i b (chla:chlb=1.3:1) i ksantofile.
Kompleks citohroma b6f i bc1 Kompleks citohroma b 6 f ili bc 1 povezuje PSI i PSII, tako što oksiduje plastokinon a redukuje plastocijanin. Takođe prenosi protone sa spoljašnje strane na unutrašnju tilakoida. Kod viših biljaka ovaj kompleks sadrži 4 polipeptida (sadrže mesta za vezivanje plastokinona) za koje su vezana 2 citohroma b6 i citohrom f i fero-sumporni centar. Dva citohroma imaju različit redoks potencijal (-0.15V i -0.05V).
Mobilni prenosioci elektrona Feredoksin, plastokinon i plastocijanin mali, pokretni molekuli koji održavaju vezu između proteinskih kompleksa koji su smešteni na različitim mestima na membrani. Feredoksin (sadrži fero-sumporni centar) - u fotosintezi on redukuje NADP, a može redukovati i plastokinon (on redukuje i neorganske akceptore elektrona kiseonik, sulfat, nitrit,..). Hidrofilan je i pokretan sa stromalne strane tilakoidne membrane. Plastokinoni (hidrofobna jedinjenja) nalaze se između PSII i citohromskog kompleksa. PQ-plastokinon pri redukciji prima dva elektrona i dva protona i prelazi u plastokinol-pqh 2. Plastocijanin (hidrofilan protein) održava vezu između PSI i citohromskog kompleksa b6f. Sadrži dva atoma bakra, plave je boje.
Adenozin trifosfatna sintaza = reverzna H+ ATPaza The thylakoid ATP synthase has two segments: CF0 is a transmembrane segment, and CF1 is a hydrophilic segment at the stomal surface. CF0 traslocates protons from the chloroplast lumen to the catalytic part of the enzyme and CF1 cataylses the conversion of ADP and inorganic phosphate to ATP. The chloroplast ATP synthase has nine different subunits. CF1 is made of two large subunits, α and β, plus three smaller subunits, γ, δ, and ε. The α and β subunits bind ADP and phosphate and catalyize the phosphorylation of ADP into ATP. Krupne globule na površini fotosintetičkih membrana. Ovaj enzim radi u obrnutom smeru u odnosu na ostale ATPaze on izgrađuje ATP, koristeći već na drugi način ostvaren gradijent protona (reverzna ATPaza). Sinonim koji se upotrebljava je kuplujući faktor koji se sastoji od dva dela CFo i CF1.
Walker i Boyer - dejstvo protonske motorne sile je indirektno, utiče na konformaciju enzimskih komponenata, koja omogućava da se ostvari sinteza ATP. Za konformacione promene u prvoj fazi je potrebna energija koja dolazi od transporta protona kroz membranu. Protoni se kroz CFO transportuju iz tilakoida u stromu, oslobađaju energiju koja u CF1 regionu dovodi do promene u konformaciji subjedinica ά i β. Na taj način dolazi do sinteze i oslobađanja ATP. Model vezivanja ADP i fosfata: O vezuje ADP i P, usled rotacije dolazi do promene konformacije kompleksa pa ADP + P dospeva u položaj labave veze (L). T - čvrstog vezivanja u kome dolazi do sinteze ATP i oslobađanja ATP.
SUŠTINA PROCESA
Fotosintezu čine dva procesa, svetla i tamna faza. Tokom fotosinteze dolazi do transformacije energije u nekoliko koraka. Svetlosna energija koji pigmenti apsorbuju konvertuje se u električnu energiju u obliku pobuđenih elektrona, a zatim se kinetička energija elektrona transformiše u hemijsku energiju visokoenergetskih veza u ATP-u. ATP se zatim koristi za sintezu glukoze i energija biva vezana u ugljenim hidratima. Transformacija svetlosne energije u hemijsku se dešava tokom svetle faze, a konverzija iz ATP-a u šećere tokom tamne faze.
Svetla faza obuhvata: apsorciju svetlosti i gubitak elektrona iz molekula hlorofila; oksidaciju vode i redukciju NADP u NADPH; fosforilaciju ADP u ATP i oslobađanje O 2, kao i transport elektrona i oksidoredukujuće reakcije. Tamna faza obuhvata: redukciju CO 2 i sintezu ugljenih hidrata i drugih organskih jedinjenja.
SVETLA FAZA FOTOSINTEZE A) Fotofizičke reakcije: apsorpcija svetlosne energije ekscitaciju i deekscitaciju molekula hlorofila prenos energije do reakcionih centara (do Hl a) B) Fotohemijske reakcije: transport elektrona stvaranje redukujućeg ekvivalenta NADPH fotoliza vode (oksidacija vode) fotosintetička fosforilacija (sinteza ATP)
FOTOSINTETIČKI TRANSPORT ELEKTRONA Početni donor elektrona je voda, a krajnji akceptor je CO 2. Od vode do CO 2 se elektroni prenose putem elektrontransportnog lanca. Dva puta transporta elektrona: Necikličan - linearan Cikličan Tokom transporta elektrona kroz tilakoidne membrane dolazi do generisanja elektrohemijskog potencijala (protonske motorne sile) preko membrane (usled nagomolavanja protona u lumenu tilakoida). Elektroni sa primarnog donora (reaktivni centar fotosistema) se prenose do NADP-a. Na osnovu protonske motorne sile ATP sintaza sintetiše ATP-fotosintetička fosforilacija Water-splitting photosystem NADPH-producing photosystem
Svetlost koju apsorbuju pigmenti omogućuju da hlorofil u centru reakcije izgubi svoj elektron i redukuje neko drugo jedinjenje. Događaji u svetloj fazi su niz skopčanih oksidacija i redukcija.
Pravac prenosa elektrona određen je redoks potencijalom prenosioca. Redoks potencijal je svojstvo jedinjenja da redukuje ili oksiduje drugo jedinjenje. Redoks potencijal je relativna veličina i određuje se u odnosu na vodoničnu elektrodu (- 0,42V, pri ph = 7). Jedinjenja koja imaju negativniji redoks potencijal mogu da redukuju ona sa pozitivnijim potencijalom. Primarni donor elektrona voda oksiduje se u O 2. Srednji redoks potencijal O 2 /H 2 O = + 0,81 V. Krajni akceptor elektrona CO 2 se redukuje. Redoks potencijal CO 2 /CH 2 O = -0,40V. U fotosintezi elektroni se kreću protiv gradijenta redoks potencijala.
Necikličan (linearni) transport elektrona Produkti linearnog transporta su O 2, NADPH i ATP. Elektron transportni lanac čine: reakcioni centri P700 i P680 dva niza primarnih akceptora elektrona, uz svaki centar po jedan jedan intermedijerni lanac koji povezuje P700 i P680, a obuhvata kompleks citohroma b6f i dva prenosioca van kompleksa, plastocijanin i plastokinon mobilni protein feredoksin i asocirani protein feredoksin-nadp reduktazu uz PSI kompleks koji razvija O 2 uz PSII (ovaj kompleks oksiduje vodu).
U osnovnom stanju redoks potencijal hlorofila je pozitivan. Posle apsorcije hlorofil u PSI stiče svojstva jakog reduktanta koji može da redukuje jedinjenje sa niskim negativnim redoks potencijalom. Hlorofil u PSII postaje snažan oksidant, koji može da oksiduje vodu. 1/2 O 2 Protoni u lumen Mn kompl. PSII P680* P680 Pheo Q A Q B PQ Cyt b 6 -f PC Protoni Protoni iz strome u lumen h.n PSI P700* A 0 A 1 F A F B F X P700 Fd NADP + NADPH Protoni iz strome h.n Fp (FAD) Elektroni prelaze put od luminalne do stromalne strane tilakoidnih membrana (razdvajanje pozitivnih i negativnih naelektrisanja). Stroma h.n Fotosistem II PQ 2 H + Cyt b 6 -f h.n Fotosistem I H + + NADP + Fd Fd ADP + P NADPH 3 H + ATP CF 1,CF 0 ATP sintaza Lumen 2 H + + 1/2 O 2 2 H + Cyt b 6 -f 3 H +
Neciklični transport elektrona transport elektrona oko PSI Transport elektrona počinje kada reakcioni centri oba fotosistema prime eksciton od antena pigmenata, pri čemu gube elektron. P700* predaje elektron akceptoru Ao (monomerni molekul hl. a).to je prva fotohemijska reakcija. Potom elektron prelazi na akceptor A1 (vitamin K1), pa posle toga preko Fx (fero-sumporni centar) na akceptore Fa i Fb. Istovremeno, P700 + koji je izgubio elektron, oduzima jedan elektron od plastocijanina. Elektron koji je napustio P700 predaje se feredoksinu, koji preko enzima feredoksin-nadp-reduktaze redukuje NADP. Feredoksin prenosi po jedan elektron, a za redukciju NADP su potrebna dva, najverovatnije 2Fd sukcesivno deluju.
Neciklični transport elektrona transport elektrona oko PSII P680* predaje elektron feofitinu. To je prva fotohemijska reakcija. Feofitin predaje elektron kinonima Qa i Qb, koji su na stromalnoj strani membrane. Ova reakcija se obavlja u 2 stupnja: 1. Qa prima 1 elektron od P680* preko feofitina i prenosi ga na Qb koji ga zadržava. 2. Pošto je P680 + izgubio elektron, oduzima jedan elektron od vode, on nakon ekscitacije otpušta i drugi elektron koji dolazi do Qb. U tom obliku Qb uzima 2 protona iz strome i postaje plastokinol PQH 2. Q A se redukuje samo jednim elektronom, tako da se dobija SEMIKINON. Za redukciju Q B potrebna su dva elekrona i dva protona. Kompleks citohroma b 6 f oksiduje plastokinol. Q B je labavo vezan za protein D1 (D1 je nestabilan protein). Mesto vezivanja Q B za D1 je mesto za koje se mogu vezati i neki herbicidi i blokirati ceo proces fotosinteze.
Neciklični transport elektrona transport elektrona oko PSII Plastokinol disosuje od proteina i ulazi u pul plastokinona, a na njegovo mesto se vezuje drugi oksidovani plastokinon. Ako je plastokinonski pul redukovan i ne može da primi nove elektrone, elektroni se vraćaju na P680 + dok se višak energije emituje kao kvant svetlosti. Ovo se naziva odložena emisija svetlosti jer je vreme ove emisije duže nego pri fluorescenciji. Moguće je da se elektron vraća na P680 + putem citohroma b559. Ali, ako se elektron sa Qa/Qb prenese na plastokinon, izostaće emisija svetlosti.
Da bi elektron prešao sa PSII na intermedijarni deo lanca potrebno je da ovi prenosioci ne budu redukovani. Njihovu oksidaciju omogućava P700 koji povlači elektrone prvo od plastocijanina. Funkcija citohroma je prenos elektrona kroz membranu i protona iz strome u lumen tilakoida. Na svaka dva elektrona koji se prenesu na P700+, kompleks citohroma b6f prenese iz strome u lumen 4 protona.
Oksidacija vode U procesu posreduje kompleks koji oslobađa kiseonik (3 polipeptida za koje su vezana 4 atoma mangana) potrebno je i prisustvo jona Cl - i Ca 2+. Za oslobađanje jednog molekula O 2, potrebna je energija 4 fotona apsorbovane svetlosti. Reakcija oslobađanja kiseonika: 2H 2 O 4H + + 4e - + O 2 Dva molekula vode se oksiduju u kiseonik, pri čemu se 4 elektrona prenose na P680 +, a 4H + ostaju u lumenu tilakoida. Protoni koji su u transportu elektrona od vode do NADP akumulirani u lumenu tilakoida, čine protonsku motornu silu, a ona se koristi u sintezi ATP.
Ciklični transport elektrona U njemu PSII uopšte ne učestvuje, tako da ne dolazi do oksidacije vode i produkcije kiseonika. Ciklični transport uključuje redukciju i oksidaciju plastokinona, a kako se protoni i u ovom slučaju prenose iz strome u lumen tilakoida, što omogućava sintezu ATP. Jedini produkt ovog procesa je ATP.
Ciklični transport elektrona Ekscitirani P700 predaje elektrone alkceptorima Ao, A1, Fx i Fa/b. Ovi akceptori dalje redukuju feredoksin. Feredoksin ne redukuje NADP, već predaje elektron plastokinonu koji je vezan za citohrom b 6 f.
Feredoksin predaje elektron plastokinonu preko feredoksinplastokinon oksidoreduktaze, koji je vezan za citohrom. Ponovna oksidacija plastokinona se dogadja kao i u necikličnom transportu preko citohroma. Najzad se plastocijanin redukuje i vraća elektron PSI. Pošto cikličan transport elektrona uključuje redukciju i oksidaciju plastokinona, i ovde se protoni prenose iz strome u lumen tilakoida, a to omogućava ATP sintezu. Zato se ovaj proces naziva ciklična fotosintetička fosforilacija i jedini njegov produkt je ATP.
Fotosintetička fosforilacija Hemiosmotska hipoteza Mitchell-a. Fosforilacija se može obaviti u nekoj membranskoj vezikuli hloroplasti (tilakoidi), mitohondrije ili bakterijske ćelije. Uslov je da je membrana nepropustljiva za pasivan transport protona, a da u njoj postoji elektron-transportni lanac. Zahvaljujući položaju nosača proteina, transport protona je vektorski oni se vezuju na jednoj, a otpuštaju na drugoj strani membrane. Tako se u tilakoidima protoni koji se uzimaju iz strome otpuštaju u lumen tilakoida. Gradijent protona može da dostigne znatne vrednosti. Pri transportu elektrona kroz membranu, ph vrednosti u lumenu mogu biti niže za nekoliko jedinica od ph vrednosti u stromi hloroplasta.
Elektroni prelaze put od unutrašnje (luminalne) strane do spoljašnje (stromalne) strane tilakoidne membrane. U lipidnom dvosloju membrane prenosioci elektrona su lateralno pokretljivi. U lancu se smenjuju komponente koje prenose pri redukciji i oksidaciji po jedan elektron sa komponentama koje prenose po dva elektrona i protona (PSII-kinoni-plastocijanin). Energija fotona se čuva kao hemijsko-potencijalna energija.
Transport elektrona kroz membranu povezan je sa transportom protona kroz tilakoidne membrane, stroma postaje sve baznija, a lumen tilakoida sve kiseliji. Protonska motorna sila koja se obrazuje na tilakoidnoj membrani usled nakupljanja protona u lumenu tilakoida, pokretač je sinteze ATP. Delovanje protonske motorne sile nije direktno nego preko promene konformacije subjedinica ATPaze. Sinteza ATP je potpuno reverzibilan proces.
Fotosintetička fosforilacija Izračunato je da za jedan izgrađen ATP u tilakoidu, 4 protona treba da se vrate kroz ATPazu iz tilakoida u stromu hloroplasta. Pri akumulaciji H + u lumenu dolazi do izlaska magnezijuma u stromu i primanja hlora u lumen tilakoida. Tako se ublažava razlika u membranskom potencijalu. Osim za fosforilaciju, promene ph vrednosti imaju značaj i za aktivnost enzima u stromi. ATP sintaza se nalazi samo u tilakoidima strome. Mehanizam sinteze ATP je identičan u mitohondriji i hloroplastu.
Pseudocikličan transport elektrona (Mehlerova reakcija) Pseudociklični transport elektrona je linearan transport kod koga se elektroni sa feredoksina umesto na NADP + prenose na O 2 i nastaje H 2 O 2. Sintetiše se ATP (pseudociklična fosforilacija), ali ne i NADPH. Obično se javlja u stresnim uslovima (suša i visoka temperatura). U uslovima visokog inteziteta svetlosti dolazi do akumulacije O 2 u hloroplastima, svi prenosioci elektrona su maksimalno redukovani, a njihova oksidacija je usporena zbog sporosti biohemijskuh procesa. U uslovima stresa, zatvaraju se stome, smanjuje usvajanje i redukcija (pomoću NADPH) CO 2. NADPH ne može da se vrati u oksidovani oblik i ukljući u linearni transport. Negativan efekat pseudocikličnog transporta je obrazovanje kiseoničnih radikala i H 2 O 2.
Koperacija dva fotosistema u linearnom transportu elektrona Apsorpciju svetlosti ne vrše svi molekuli hlorofila podjednako. Eksperimenti Emersona su pokazali da kada se listovi ili hloroplasti osvetljavaju svetlošću različitih talasnih dužina istovremeno, intenzitet fotosinteze je veći u odnosu onaj dobijen osvetljavanjem pojedinačnom svetlošću od 680 i 700nm (Emersonov efekat pojačanja). Na osnovu toga pretpostavljeno je da u fotosintezi funkcionišu dva fotosistema (PSI i PSII) koji apsorbuju svetlost od 680 i 700nm. Emersonov efekat pojačanja je potvrda da za produkciju kiseonika u fotosintezi oba fotosistema moraju da apsorbuju svetlost istovremeno.
Kvantni prinos ( ) Fotosinteza je srazmerna broju apsorbovanih kvanta svetlosti, bez obzira na talasnu dužinu. Vrednosti za kvantni prinos se kreću od 0 do 1 i one ukazuju na stanje fotosintetskog aparata. Maksimalne izmerene vrednosti za kvantni prinos fotohemije na osnovu oslobađanja O 2 su 0,08-0,09. Kvantni prinos opada na talasnim dužinama iznad 680 nm. Intenzitet fotosinteze zavisi od količine apsorbovane svetlosne energije. Da bi fotosinteza bila efikasna, oba fotosistema treba da budu snabdevena jednakom količinom energije. prinos fotohemijskih produkata Φ = ------------------------------------ ukupan br. apsorbovanih kvanata svetlosti
U raspodeli energije između fotosistema glavnu ulogu ima kompleks antena pigmenata LHCII. LHCII ima deo koji je lateralno pokretan što mu omogućava da se kreće kroz membranu i priključi i PSII i PSI. Pokretljivost LHCII u membrani tilakoida određuje fosforilacija tog kompleksa. Fosforilaciju katalizuje kinaza, a defosforilaciju fosfataza. Nefosforilovan LHCII je nepokretan i vezan je za PSII. Kada PSII apsorbuje više svetlosti, plastokinoni u pulu su redukovani i ako PSI ne radi istom brzinom u pulu nema oksidovanog plastokinona, PSII ne može da preda elektrone dalje (dešava se odložena emisija svetlosti, fluoresciraju pomoćni pigmenti itd.), aktivira se kinaza koja fosforiluje pokretni deo LHCII, on se odvaja od PSII. LCHII se premešta u blizinu PSI kojem pomaže da apsorbuje više svetlosti i ubrza oksidaciju plastokinona. Fosfataza dovodi do defosforilacije pokretnog dela LHCII, zbog čega se on vraća do PSII.
Necikličan i cikličan transport elektrona razlikuju se po krajnjim proizvodima. Izbor između ova dva puta transporta elektrona određen je balansom u potrošnji dva krajnja produkta necikličnog transporta ATP i NADPH. Potrebe za ATP-om su veće tako da u slučaju da nema dovoljno ATPa, zaustavlja se redukcija CO 2, nagomilava se NADPH. To vodi tome da u hloroplastima nema oksidovanog NADP +, već da je sav NADP redukovan. Usled nedostatka oksidovanog NADP feredoksin ne može da preda elektrone, elektronski transport se prebacuje na ciklični, tj. feredoksin predaje elektrone plastokinonu, i sintetiše se više ATPa. To sad podstiče redukciju CO 2 i dovodi do veće potrošnje NADPH, u hloroplastima ima oksidovanog NADP-a i situacija se normalizuje, tj. hloroplast može da se vrati na neciklični transport elektrona.
Fotoinhibicija fotosinteze Kada biljke apsorbuju više svetlosne energije, energija se prenosi na intermedijerne produkte koji oštećuju ćelijske membrane i enzime. Višak energije se uglavnom prenosi na kiseonik, čijom nepotpunom redukcijom se stvaraju štetne i toksične vrste O 2. Za redukciju O 2 je potrebno 4 elektrona i 4 protona pri čemu se dobija voda. Ali ako se redukuje pomoću jednog, dva ili tri elektrona dobija se superoksid (O 2._ ), vodonik peroksid (H 2 O 2 ) i hidroksilni radikal (OH. ) Ovo su toksične vrste kiseonika, koje sa izuzetkom vodonik peroksida sadrže slobodne radikale sa nesparenim elektronima. Kiseonični radikali postaju: direktnom interakcijom O 2 sa ekscitiranim hlorofilom (PSII). O 2 preuzima energiju od molekula antena hlorofila umesto reakcionog centra i prelazi u veoma reaktivno, singlet stanje. prenosom elektrona sa feredoksina na kiseonik (PSI) -Mehlerova reakcija.
Fotoinhibicija fotosinteze Mehanizmi zaštite od aktiviranih vrsta kiseonika: Termalno rasipanje apsorbovane energije (uključivanje karotena i ksantofila-violaksantin, anteraksantin, zeaksantin) Aktivaciju enzima koji uklanjaju štetne sastojke (SOD-redukuje suproksid u vodonik peroksid; POD; katalaze) Sposobnost za brzu popravku i zamenu oštećenih proteina
TERMALNO RASIPANJE ENERGIJE Karotenoidi kao pigmenti koji se nalaze u antena kompleksima u bliskoj su vezi sa pobuđenim hlorofilom. Molekul karotenoida može da preuzme energiju od pobuđenog hlorofila i kako ne može da pređe u pobuđeno stanje odaje energiju kao toplotu. U oslobađanju od viška energije značajnu ulogu ima ksantofilski ciklus (nalazi se u antena kompleksima) koji se sastoji od tri ksantofila: violaksantin, anteraksantin i zeaksantin. Ova tri ksantofila se među sobom razlikuju po stepenu epoksidacije.
Jonski prsteni ksantofila imaju po jednu nezasićenu vezu na kojoj se adicijom kiseonika obrazuje tročlani epoksidni prsten. Zeaksantin nema ni jednu epoksidnu vezu. U prisustvu kiseonika epoksidacija se vrši na jednom prstenu čime postaje anteraksantin, a zatim na drugom pa nastaje violaksantin.
Termalno rasipanje obavlja samo zeaksantin. Na jakoj svetlosti sav violaksantin prelazi u zeaksantin i višak svetlosne energije se odaje kao toplotna. Proces je regulisan deepoksidazom, koja se nalazi na lumalnoj strani tilakoida i aktivira se na nižoj ph vrednosti. Ponovna epoksidacija zeaksantina dešava se na stromalnoj strani, a epoksidaza je aktivirana na ph = 7,5. Za epoksidaciju potreban je kiseonik i NADPH (dolazi do oksidacije).