Fotosinteza

Question 1

Do čega dolazi u procesu fotosinteze?

Answer 1

U procesu fotosinteze dolazi do pretvorbe svjetlosne energije Sunca u kemijsku energiju. Gotovo sva energija koja se troši u biološkim sustavima potječe od svjetlosne energije zarobljene u procesu fotosinteze.

Question 2

Kako dijelimo proces fotosinteze? Što u kojem procesu nastaje?

Answer 2

Proces fotosinteze se može podijeliti na reakcije na svjetlu (svjetlosne reakcije) i reakcije u tami (Calvinov ciklus). Svjetlosne reakcije proizvode O2, NADPH i ATP, dok reakcije u tami upotrebljavaju sintetizirani NADPH i ATP za redukciju CO2 što rezultira sintezom šećera.

Question 3

Čemu su slične reakcije na svijetu i zašto? Koje su razlike?

Answer 3

Reakcije na svjetlu su slične reakcijama oksidacijske fosforilacije jer u oba procesa tok visokoenergijskih elektrona kroz lanac za prijenos elektrona stvara proton-motornu silu koja zatim pokreće sintezu ATP-a djelovanjem ATP-sintaze. Međutim, dok se u procesu oksidacijske fosforilacije energija i elektroni dobivaju oksidacijom molekula supstrata (šećera, masti, proteina) do CO2, u fotosintezi su izvor energije fotoni.

Question 4

Koje molekule sakupljaju energiju svjetlosti i za šta se ona koristi?

Answer 4

Energiju svjetlosti sakupljaju specijalizirane molekule pigmenta - klorofili. Svjetlosna energija koju upiju klorofili se složenim sustavom, u kojem sudjeluje veliki broj proteinskih kompleksa i drugih molekula prenositelja, upotrebljava za dobivanje visokoenergijskih elektrona iz vode uz istovremenu proizvodnju O2. Na račun apsorbirane energije sintetizira se NADPH te stvara gradijent protona na tilakoidnoj membrani kloroplasta koji će omogućiti sintezu ATP-a djelovanjem ATP-sintaze.

Question 5

Gdje su smješteni klorofili i kako su građene te strukture?

Answer 5

Klorofili su u stanicama biljaka smješteni u posebnim organelama, kloroplastima, specijaliziranim za odvijanje fotosinteze. Kloroplasti imaju unutrašnju i vanjsku membranu između kojih se nalazi međumembranski prostor. Unutrašnjost kloroplasta, stroma, je prostor omeđen unutrašnjom membranom u kojem se nalaze topljivi enzimi koji kataliziraju reakcije sinteze šećera (reakcije u tami, Calvinov ciklus). U stromi se nalaze i tilakoidne vrećice koje su gusto naslagane jedna do druge i povezane tzv. strominim lamelama. Sadržaj tilakoidnih vrećica (tilakoidni prostor) je od strome odvojen tilakoidnom membranom. Oksidoredukcijske reakcije koje stvaraju proton-motornu silu odvijaju se u tilakoidnom prostoru. Tilakoidna
membrana sadrži klorofil, proteine za prikupljanje energije svjetla, reakcijske centre, elektrontransportne lance i ATP-sintazu. Unutarnja membrana kloroplasta i tilakoidna membrana su nepropusne za većinu molekula i iona, dok je vanjska membrana kloroplasta propusna za male molekule i ione.

Question 6

Što sve sadrži tilakoidna membrana?

Answer 6

Tilakoidna membrana sadrži klorofil, proteine za prikupljanje energije svjetla, reakcijske centre, elektrontransportne lance i ATP-sintazu.

Question 7

Koji je glavni fotoreceptor biljaka? Kako je građen?

Answer 7

Glavni fotoreceptor biljaka je klorofil a, koji je po građi magnezij-porfirin u kojem su četiri dušikova atoma pirolskih prstenova koordinirana na atom magnezija.

Question 8

Zašto je klorofil a efikasan fotoreceptor u vidljivom djelu spektra?

Answer 8

Mreža naizmjenice poredanih jednostrukih i dvostrukih veza u ovoj molekuli čini ju efikasnim fotoreceptorom sa jakim apsorpcijskim vrpcama u vidljivom dijelu spektra.

Question 9

Koji su pomoćni pigmenti klorofilu a i gdje se nalaze?

Answer 9

Pomoćni pigmenti koji sudjeluju u apsorpciji svjetla drugih valnih duljina su klorofil b i karotenoidi (likopen, β-karoten). Pomoćni pigmenti se nalaze u kompleksima za prikupljanje svjetla koji okružuju tzv. reakcijsko središte.

Question 10

Što su karotenoidi?

Answer 10

Karotenoidi su dugolančani polieni koji apsorbiraju svjetlo valnih duljina između 400 i 500 nm.

Question 11

Po čemu se razlikuju klorofil a i klorofil b i koja je posljedica te razlike?

Answer 11

Klorofil b se od klorofila a razlikuje po supstituentu na jednom od pirolnih prstenova – kod klorofila b se nalazi formilna skupina umjesto metilne. Posljedica je razlika u apsorpcijskom spektru, pa tako klorofil b apsorbira svjetlost valne duljine između 450 i 500 nm, koju klorofil a ne može apsorbirati.

Question 12

Koja je uloga posebnog para klorofila?

Answer 12

Većina molekula klorofila samo apsorbira energiju svjetlosti i zatim prenosi apsorbiranu energiju pobuđenja na par povezanih molekula klorofila (tzv. ˝posebni par˝) koji se nalazi u reakcijskom središtu u kojem se zbiva kemijska reakcija. Molekule posebnog para klorofila imaju nižu energetsku razinu u pobuđenom stanju od ostalih molekula klorofila, zahvaljujući utjecaju mikrookoline tj. interakcijama sa proteinskim lancima u reakcijskom središtu. Zbog toga djeluju kao ˝stupice za hvatanje energije˝ u koje se ˝slijeva˝ energija pobuđenja okolnih molekula klorofila.

Question 13

Objasni pojavu fotoinduciranog razdvajanja naboja.

Answer 13

Apsorpcija energije svjetlosti dovodi do pobuđivanja elektrona u molekuli posebnog para klorofila koji se zatim prenosi na prikladnu susjednu molekulu koja djeluje kao akceptor elektrona. Uslijed prijenosa elektrona molekula donora elektrona poprima pozitivan naboj, a molekula akceptora elektrona negativan naboj. Ova pojava se naziva fotoinduciranim razdvajanjem naboja.

Question 14

Kao je građeno reakcijsko središte fotosintetskih bakterija?

Answer 14

Reakcijsko središte fotosintetskih bakterija sadrži četiri polipeptidna lanca - L, M, H i C. Podjedinice L i M su transmembranske i tvore srž fotoreakcijskog centra, dok podjedinica H leži na citoplazmatskoj strani stanične membrane, a podjedinica C na vanjskoj strani membrane izložena u periplazmatskom prostoru (prostor između stanične membrane i stanične stijenke). Sa podjedinicama L i M su u srži kompleksa nekovalentno povezane četiri molekule bakterioklorofila b (BChl-B), dvije molekule bakteriofeofitina b (Bph), dva kinona (QA i QB) i ion željeza.

Question 15

Što su bakterioklorofil i bakteriofeofitin?

Answer 15

Bakterioklorofil molekula pigmenta koja sakuplja energiju svjetlosti u bakterija. Sličan je klorofilu, ali ima apsorpcijski maksimum pomaknut više prema valnim duljinama od 1000 nm. Bakteriofeofitin je bakterioklorofil koji umjesto magnezijevog iona u
središtu ima dva protona.

Question 16

Objasni niz prijenosa elektrona kojim dobimo QH2.

Answer 16

Reakcija počinje apsorpcijom svjetla pomoću posebnog para BChl koji maksimalno apsorbira svjetlo pri 960 nm, zbog čega se još označava kao P960. Apsorpcija svjetla dovodi do izbacivanja elektrona koji se prenosi na bakteriofeofitin (BPh) i dolazi do fotoinduciranog razdvajanja naboja pri čemu P960 postaje P960+
, a BPh postaje BPh-. Kako bi se spriječio povratak elektrona sa BPh- na P690+, elektron se sa BPh- brzo prenosi na QA koji mu je vrlo blizu (manje od 10 nm udaljenosti), dok se nedostatak elektrona na P960+ nadoknađuje primanjem elektrona sa blizu smještenog citokroma C (smješten na periplazmatskoj strani membrane). Elektron se zatim sa čvrsto vezanog kinona QA prenosi na slabo vezani kinon QB. Ovaj niz se mora ponoviti dva puta da bi dobili reducirani QB koji uz elektrone prima i dva protona i time postaje QH2. Budući da vezno mjesto QB leži na citoplazmatskoj strani membrane time se iz citoplazme crpe dva protona, što pridonosi stvaranju gradijenta protona na membrani. Reducirani kinon QH2 se zatim otpušta u membranu.

Question 17

Kako se nadoknađuje nedostatak elektrona na P960+?

Answer 17

Nedostatak elektrona na P960+ nadoknađuje primanjem
elektrona sa blizu smještenog citokroma C koji se time oksidira.

Question 18

Kako se oksidirani citokrom c reducira?

Answer 18

Oksidirani citokrom C se ponovno reducira, uz posredovanje kompleksa citokroma bc1 smještenog u membrani, uzimanjem dvaju elektrona sa reduciranog kinona QH2. Citokrom bc1 je homologan mitohondrijskom kompleksu III u respiracijskom lancu. QH2 nakon otpuštanja iz reakcijskog središta odlazi do citokroma bc1 i oksidira se u Q, a kompleks citokroma bc1 se reducira i prenosi elektrone na topivi citokrom c2 koji se nalazi u periplazmatskom prostoru. Prilikom ovog prijenosa elektrona pumpaju se protoni u periplazmatski prostor. Konačno se elektroni sa citokroma c2 prenose na citokrom C reakcijskog središta čime se on regenerira u reducirano stanje.

Question 19

Objasni cijelu reakciju apsorpcije svjetlosne energije u stanica fotosintetskih bakterija?

Answer 19

Reakcija počinje apsorpcijom svjetla pomoću posebnog para BChl koji maksimalno apsorbira svjetlo pri 960 nm, zbog čega se još označava kao P960. Apsorpcija svjetla dovodi do izbacivanja elektrona koji se prenosi na bakteriofeofitin (BPh) i dolazi do fotoinduciranog razdvajanja naboja pri čemu P960 postaje P960+, a BPh postaje BPh-. Kako bi se spriječio povratak elektrona sa BPh- na P690+, elektron se sa BPh- brzo prenosi na QA koji mu je vrlo blizu, dok se nedostatak elektrona na P960+ nadoknađuje primanjem
elektrona sa blizu smještenog citokroma C (smješten na periplazmatskoj strani membrane). Elektron se zatim sa čvrsto vezanog kinona QA prenosi na slabo vezani kinon QB.
Ovaj niz se mora ponoviti dva puta da bi dobili reducirani QB koji uz elektrone prima i dva protona i time postaje QH2. Budući da vezno mjesto QB leži na citoplazmatskoj strani membrane time se iz citoplazme crpe dva protona, što pridonosi stvaranju gradijenta protona na membrani. Reducirani kinon QH2 se zatim otpušta u membranu. Oksidirani citokrom C se ponovno reducira, uz posredovanje kompleksa citokroma bc1 smještenog u membrani, uzimanjem dvaju elektrona sa reduciranog kinona QH2. QH2 nakon otpuštanja iz reakcijskog središta odlazi do citokroma bc1 i oksidira se u Q, a kompleks citokroma bc1 se reducira i prenosi elektrone na topivi citokrom c2 koji se nalazi u periplazmatskom prostoru. Prilikom ovog prijenosa elektrona pumpaju se protoni u periplazmatski prostor.
Konačno se elektroni sa citokroma c2 prenose na citokrom C reakcijskog središta čime se on regenerira u reducirano stanje. Protonski gradijent koji se stvara ovim ciklusom upotrebljava ATPsintaza za sintezu molekula ATP-a.

Question 20

Koja dva sustava razlikujemo u tilakoidnim membranama biljaka? Čemu služe?

Answer 20

U tilakoidnim membranama biljaka se razlikuju dva fotosustava – fotosustav I (PS I) koji pobuđuje svjetlost valnih duljina ispod 700 nm, i fotosustav II (PS II) koji pobuđuje svjetlost valnih duljina ispod 680 nm. Fotosustav I, koji apsorbira svjetlost valne duljine ispod 700 nm, koristi visokoenergijske elektrone za redukciju NADP+u NADPH. Za redukciju jedne molekule NADP+ u NADPH potrebna su dva elektrona. Elektroni potrebni za redukciju NADP+ potječu iz fotosustava II, koji se pobuđuje valnom duljinom svjetlosti ispod 680 nm. Fotosustav II preuzima elektrone sa molekula H2O. Stoga kao nusprodukt djelovanja fotosustava II nastaje molekula O2.

Question 21

Kako putuju elektroni sa PII na PI? Što još radi taj kompleks?

Answer 21

Elektroni putuju sa fotosustava II na fotosustav I preko membranskog proteinskog kompleksa citokroma bf, koji je homologan kompleksu III u respiracijskom lancu. Citokrom bf generira gradijent protona na tilakoidnoj membrani što pokreće sintezu ATP-a.

Question 22

Što je fotosustav II i što on katalizira?

Answer 22

Fotosustav II (PSII) je veliki transmembranski kompleks koji, sumarno gledano, katalizira svjetlom potaknut transfer elektrona sa vode na molekulu plastokinona koja se time reducira.

Question 23

Što je plastokinon?

Answer 23

Plastokinon je elektron akceptor po strukturi sličan ubikinonu (koenzimu Q) iz mitohondrijskog elektron-transportnog lanca.

Question 24

Nabroji sve strukture koje su povezane u prijenosu elektrona u fotosustavu II.

Question 25

Objasni prijenos elektrona sa P680 na molekulu plastokinona.

Answer 25

Reakcija počinje pobuđivanjem klorofila a posebnog para (P680) koji brzo prenosi elektron na susjednu molekulu feofitina. Sa feofitina se elektroni prenose prvo na čvrsto vezani plastokinon na mjestu QA, a zatim na mobilni plastokinon na mjestu QB. Primitkom dvaju elektrona i dvaju protona mobilni plastokinon prelazi u reducirani oblik. Energija dvaju fotona je na ovaj način pohranjena u obliku redukcijskog potencijala reduciranog plastokinona. Elektroni u reduciranom plastokinonu su na višoj energetskoj razini nego što su bili u molekuli vode, što je ostvareno na račun apsorbirane energije svjetlosti. Kao nusprodukt reakcije nastaje O2.

Question 26

Kako se neutralizira pozitivan naboj reakcijskog centra (odn. P680+)?

Answer 26

Kako bi se neutralizirao pozitivan naboj reakcijskog centra koji nastaje izbacivanjem elektrona sa P680, P680+ (kao jaki oksidans) uzima elektrone molekuli vode vezanoj na dio kompleksa fotosustava II koji sadrži tzv. manganski centar. U manganskom centru se nalaze četiri iona mangana koji mogu postojati u više oksidacijskih oblika (Mn2+, Mn3+, Mn4+, Mn5+) i stvarati jake veze sa molekulama koje sadrže kisik. Svaki put kada foton izbaci jedan elektron iz P680, pozitivno nabijeni P680+ povlači jedan elektron iz manganskog centra. Ioni mangana zauzvrat uzimaju elektrone iz molekula H2O uz nastajanje O2 i H+. Da bi se preuzelo četiri elektrona sa vode i proizvela jedna molekula O2 potrebno je da P680 apsorbira četiri fotona. Četiri elektrona preuzeta od vode se zatim koriste za redukciju dviju molekula plastokinona.

Question 27

Sumarna reakcija PII?

Question 28

Objasni način stvaranja gradijenta prtona kroz tilakoidnu membranu pomoću PII.

Answer 28

Fotosustav II je u tilakoidnoj membrani smješten tako da se mjesto za redukciju plastokinona nalazi na strani strome, a manganski centar i mjesto gdje se oksidira voda u tilakoidnom lumenu. Stoga, četiri protona koji se uzimaju prilikom redukcije plastokinona potječu iz strome, a četiri protona koji se otpuštaju prilikom oksidacije vode ostaju u tilakoidnom lumenu. Na ovaj način se stvara gradijent protona kroz tilakoidnu membranu pri čemu je veća koncentracija protona u tilakoidnom lumenu nego u stromi. Prilikom prijenosa elektrona sa plastokinona na plastocijanin, citokrom bf kompleks prenosi za svaki plastokinon po 2 protona iz strome u tilakoidni lumen što dodatno pridonosi nastajanju gradijenta protona na membrani. Osim toga pri oksidaciji 2 plastokinona oslobađaju se 4 protona koji se također otpuštaju u tilakoidni lumenn.

Question 29

Kako se oksidira reducirani plastokinon?

Answer 29

Reducirani plastokinon se oksidira djelovanjem citokrom bf kompleksa, što ujedno rezultira tokom elektrona sa fotosustava II na fotosustav I. Citokrom bf kompleks katalizira prijenos elektrona sa reduciranog plastokinona na mali topljivi protein u tilakoidnom lumenu plastocijanin (Pc) koji sadrži bakrov ion. Pri tome se u tilakoidni lumen oslobađaju dva protona sa reduciranog plastokinona koji se oksidira dok se plastocijanin reducira. Ova je reakcija slična reakciji kataliziranoj kompleksom III u procesu oksidacijske fosforilacije i većina komponenata citokrom bf kompleksa su homologni onima kompleksa III. Prilikom prijenosa elektrona sa plastokinona na plastocijanin, citokrom bf kompleks prenosi za svaki plastokinon po 2 protona iz strome u tilakoidni lumen što dodatno pridonosi nastajanju gradijenta protona na membrani. Oksidacijom dvaju plastokinona se u tilakoidni lumen unese ukupno 8 protona.

Question 30

Opiši cijeli tok elektrona na fotosustavu II.

Question 31

Opiši prijelaz elektrona u fotosustavu I sa P700 na ferodoksin.

Answer 31

Reakcijsko središte fotosustva I sadrži posebni par klorofila a sa maksimumom apsorpcije na 700 nm (P700). Apsorpcijom fotona P700 započinje fotoinducirano razdvajanje naboja. Elektroni teku sa P700 preko klorofila na A0 položaju i kinona na A1 položaju na niz Fe-S proteina. Zatim se elektroni prenose na feredoksin (Fd), topivi protein koji sadrži Fe-S kompleks. Feredoksin predaje elektrone na NADP+. P700+, koji je nastao prilikom predavanja elektrona na klorofil A0, uzima elektron sa reduciranog plastocijanina da bi se vratio u reducirano stanje (P700)

Question 32

Opiši reakciju oksidacije feredoksina.

Answer 32

Reducirani feredoksin u konačnici predaje elektrone na NADP+ u reakciji koju katalizira feredoksin–NADP+ reduktaza, uz FAD kao prostetsku grupu. Vezani FAD prima dva elektrona i dva protona sa dviju molekula reduciranog feredoksina pri čemu se reducira u FADH2. Enzim zatim prenosi hidridni ion (H-) na NADP+ i nastaje NADPH. Ova reakcija se odvija na strani tilakoidne membrane okrenutoj prema stromi, tako da vezanje protona prilikom redukcije NADP+ dodatno doprinosi stvaranju gradijenta protona na tilakoidnoj membrani.

Question 33

Što je omogućeno povezivanjem PI i PII?

Answer 33

Sumarno gledano, povezivanjem fotosustava I i II omogućen je tok elektrona sa H2O na NADP+.

Question 34

Što doprinosi gradijentu protona u PI?

Answer 34

Enzim feredoksin–NADP+ reduktaza prenosi hidridni ion (H-) na NADP+ i nastaje NADPH. Ova reakcija se odvija na strani tilakoidne membrane okrenutoj prema stromi, tako da vezanje protona prilikom redukcije NADP+ dodatno doprinosi stvaranju gradijenta protona na tilakoidnoj membrani.

Question 35

Za što se koristi proton motorna sila stvorena reakcijama na svijetlu?

Answer 35

Proton-motorna sila, stvorena reakcijama na svjetlu, se djelovanjem ATP-sintaze kloroplasta koristi za sintezu ATP-a.

Question 36

Opiši strukturu i djelovanje ATP-sintaze u kloroplastima.

Answer 36

ATP-sintaza u kloroplastima je strukturno jako slična mitohondrijskoj ATP-sintazi, a naziva se još i kompleksom CF1-CF0, pri čemu CF0 provodi protone kroz tilakoidnu membranu, dok CF1 katalizira sintezu ATP-a iz ADP i Pi. Orijentacija CF1-CF0 kompleksa je međutim suprotna orijentaciji F1-F0 jedinica ATP-sintaze u mitohondrijima, pa protoni teku iz tilakoidnog prostra u stromu gdje se sintetizira ATP. Za razliku od F0 podjedinice mitohondrijske ATP sintaze, CF0-ATP sintaze u kloroplastima sadrži 12 kanala za prijenos protona, pa je za puni okret CF0-ATP sintaze u tilakoidnoj membrani potreban povrat od 12 H+ u stromu. Međutim, CF1-ATP sintaze u kloroplastima je istovjetna mitohondrijskoj i sadrži 3 β podjedinice. Stoga je za sintezu 3 ATP-a potrebno kroz CF0-ATP podjedinicu propustiti 12 H+ (4 H+/ATP).

Question 37

Što je proces cikličke fosforilacije?

Answer 37

Pri visokoj koncentraciji NADPH elektroni koji dolaze sa fotosustava I se mogu alternativno usmjeriti tako da se sa reduciranog feredoksina prenesu na citokrom bf kompleks, koji zatim reducira plastocijanin. Reducirani plastocijanin se oksidira predajući elektrone na P700+ čime se krug zatvara bez sinteze NADPH. Ovaj proces senaziva cikličkom fotofosforilacijom budući da se njime stvara proton-motorna sila (citokrom bf kompleks crpi protone) koja se koristi za sintezu ATP-a. U ovom procesu dolazi do sinteze ATP-a bez istovremene sinteze NADPH, a kako u prijenosu elektrona ne sudjeluju fotosustav II nema niti nastajanja O2 iz vode.

Question 38

Objasni dobitak energije u obliku ATP-a priliom toka elektrona kroz PI i PII.

Answer 38

Sumarno gledano apsorpcijom četiri fotona na fotosustavu II se stvara jedna molekula O2 i otpuštaju četiri protona u tilakoidnom prostoru. Dvije molekule reduciranog plastokinona se oksidiraju predajući elektrone na kompleks citokrom bf, pri čemu se prebacuje još 8 protona u tilakoidni prostor. Apsorpcijom još 4 fotona u fotosustavu I dolazi do prijenosa četiri elektrona sa plastocijanina na feredoksin. Četiri reducirana feredoksina reduciraju dvije molekule NADP+ u NADPH, uz vezanje još dva protona iz strome prilikom redukcije NADP+, što pridonosi gradijentu protona na membrani. Dvanaest protona prebačenih u tilakoidni prostor teče kroz FC0 podjedinicu ATP-sintaze natrag u stromu, pri čemu se sintetizira 3 ATP-a (4 protona / ATP-u). Tih 12 protona su unesena u tilakoidni lumen na račun energije 8 fotona, što znači da je za sintezu 3ATP-a potrebno 8 fotona (2,7 fotona / ATP).

Question 39

Je li ciklička fosforilacija produktivnija i zašto da/ne?

Answer 39

Ciklička fotofosforilacija je produktivnija jer se na račun apsorpcije 4 fotona u fotosustavu I otpušta 8 protona u tilakoidni lumen putem kompleksa citokroma bf. Vraćanjem tih protona kroz ATP-sintazu nastaju dvije molekule ATP-a. Iz toga proizlazi da su za sintezu jednog ATP-a procesom cikličke fotofosforilacije dovoljna dva fotona. Međutim, ovim putem ne dolazi do sinteze NADPH.