Фотосинтез
6 CO 2 + 6 H 2 O + свет = C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Особенности растительной клетки 1. Пластидный аппарат / оксигенный фотосинтез 2. Б/Х многообразие терминальных оксидаз, антиоксидатнтных систем 3. Цитол. Пероксисомы / Глиоксисомы 4. Сигналинг. Высокая чувствительность к редокс-статусу 5. Цитол. Митохондрии 6. Б/Х Крахмал и олигосахара 7. Цитол. Амилопласты и вакуолярная система 8. Прочная клеточная стенка, механосенсорная система 9. Плазмодесмы: симпласт и апопласт
ФОТОЛИТОАВТОТРОФЫ • ФОТО - (источник энергии - свет) • АВТО - (источник углерода – углекислота) • ЛИТО – (источник электрона – минеральное вещество) • ХЕМО - (источник энергии – химические реакции) • ГЕТЕРО (углекислоты не достаточно) • ОРГАНО – (источник электрона – органическое вещество)
Ficus benjamina ‘Starlight’
Функции пластид • Фотосинтез – NB • Синтез: все жирные кислоты, многие аминокислоты, синтез пуринов и пиримидинов, альтернативный путь синтеза изопреноидов (в том числе в спецпластидах – лейкопластах), шикиматный путь (параллельно цитозолю) • Восстановление нитритов, сульфатов • Запас (крахмал) – временный (хлоропласты), долгосрочный (амилопласты) • Экологические – окраска плодов, цветков (хромопласты – каротиноиды). Пластиды – «фабрика горячих и вредных производств» растительной клетки
Хлоропласт – «главный» представитель пластид
Взаимопревращения пластид контролируются ядерным геномом
Фитоферритин в пропластидах мезофилла сои, амилопласт
Этиопласт: структура проламеллярного тела, формирование хлоропласта
Структура хлоропластного генома риса.
Сходства и отличия хлоропластного генома и белоксинтезирующей системы от бактериальных • • Сходства: Кольцевая ДНК Содержание G/С аналогично бактериальному (36 -40%) ДНК не связана с гистонами Прокариотический мотив в промоторах генов Полицистронное считывание м. РНК 70 S рибосомы Синтез белка начинается с N-формилметионина Синтез белка ингибируется хлорамфениколом Различия • Наличие интронов, сплайсинга, в том числе транс-сплайсинга • Метилирование ДНК • Редактирование м. РНК
Транспорт ядерно-кодируемых белков в хлоропласт
Гены хлоропластов 1. Транскрипция. 4 гена субъединиц пластидной РНК-полимеразы (rpo) 2. Синтез белка. - 4 гена р. РНК (оперон rrn) - около 20 генов белков пластидных рибосом (rpl/rps) - около 30 генов т. РНК (trn) 3. Фотосинтез. - 6 генов белков фотосистемы I (psa) - 14 генов белков фотосистемы II (psb) - 6 генов ЭТЦ фотосинтеза (pet) - 6 генов пластидной АТФ-зы (atp) - ген большой субъединицы Рубиско (rbc. L) 4. Около 20 генов с другими функциями - гены пластидной НАД Н-дегидрогеназа, - гены биосинтеза жирных кислот и др. Всего: 110 - 120 генов, из них около 40 – «рабочих» и около 60 – «домашнего хозяйства» .
Эуариотическая, бактериальная и пластидные РНК-полимеразы, множественность промоторов хлоропластных генов 1. Гены со стандартными эубактериальными промоторами (почти все «рабочие» гены). Собственная РНК-полимераза пластид 2. Гены с неканоническими промотрами (гены РНК-полимеразы пластид). РНК-полимераза фагового типа, кодируемая в ядре. 3. Гены с универсальными промоторами (гены «домашнего хозяйства» ). Обе РНК-полимеразы
Процессинг хлоропластной пре-р. РНК растений
Автосплайснг хлоропластных РНК с интронами двух типов
Процессинг и автосплайсинг psb-оперона хлоропластов растений.
Транс-сплайсинг генов хлоропластных РНК
Структуры зрелой пластидной и ядерной и. РНК
Функции пластид • Фотосинтез – NB • Синтез: все жирные кислоты, многие аминокислоты, синтез пуринов и пиримидинов, альтернативный путь синтеза изопреноидов (в том числе в спецпластидах – лейкопластах), шикиматный путь (параллельно цитозолю) • Восстановление нитритов, сульфатов • Запас (крахмал) – временный (хлоропласты), долгосрочный (амилопласты) • Экологические – окраска плодов, цветков (хромопласты – каротиноиды). Пластиды – «фабрика горячих и вредных производств» растительной клетки
Введение энергии в биологические системы Фоторецепторная система фотосинтеза строится на основе двух основных химических структур: 1. - тетрапирролы, образующие циклическую структуру хлорофилла (магний-порфирины), а также открытую тетрапиррольную структуру другой группы пигментов – фикобилинов; 2. – полиизопреноиды, которые являются структурной основой большого и разнообразного класса пигментов – каротиноидов.
Спектры поглощения ФАР : 380 – 710 нм Почему видимый свет ? 1. Оптимум энергии: 1 – 3 эв. 2. Максимальная «прозрачность» атмосферы для этих длин волн – более 50%. Хлорофиллы: в красной области спектра 640 -700 нм в синей - 400 -450 нм Каротиноиды: 400 -550 нм главный максимум: 480 нм
МЕТОД ХРОМАТОГРАФИИ Михаил Семенович Цвет РАСТВОРИТЕЛИ
СН 3 Хлорофилл А СНО Михаил Семенович Цвет Хлорофилл В Другие каротиноиды каротин
Бесхлорофилльный мутант гороха каротин СН 3 Хлорофилл А СНО Хлорофилл В
Хлорофилл: двуликий Янус Red-Ox реакций СН 3 Хлорофилл А СНО Хлорофилл В Хлорофиллов >10: Хл. а, b, c 1, 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 Хл. с2 Хл. d Хл. а Хл. с1 2 Бхл. а Бхл. с
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 С 9 (участвует в n – π переходах) и кетоэфирная при С 10 – транс- (хл-л а) или цис- (хл-л а’). • Гидрофобный «хвост» (обычно С 20 – фитол). Структурная роль.
Биосинтез хлорофилла • Глутамат → Глутамил-т. РНК →Глутамат-1 семиальдегид → δ-Аминолевулиновая кислота • δ-Аминолевулиновая кислота →Порфобилиноген →Гидроксиметилбилан →Уропорфириноген. III →Копропорфироноген. III →Протопирфириноген. IX →Протопорфирин IX • Mg-хелатаза • Mg-протопорфирин → Mgпротопорфиринмонометиловый эфир →Дивинилпротохлорофиллид а →Моновинилпротохлорофиллид а • Протохлорофиллид →СВЕТ! →Хлорофиллид а →Хлорофилл b
Этиопласт: структура проламеллярного тела, формирование хлоропласта
Энергетические состояния молекулы хлорофилла S 0 – основное синглетное состояние S*2 , S*1 – синглетные возбужденные состояния Т* - триплетное возбужденное состояние
Схема Яблонского 1 – флуоресценция S*2 10 -12 2 – миграция энергии сек 3 – тепло 1 S*1 2 3 T 430 S 0 680 4 - фосфоресценция 10 -9 сек 4 3 10 -3 сек
Белковое окружение изменяет спектр поглощения хлорофилла
Свето. Собирающий Комплекс (ССК) Неподвижная Антенна Реакционный Центр (РЦ) е- Пигменты Антенны (хлорофиллы + каротиноиды) Н 20 02+2 Н+
Хл b(S 1)* + Хл a(S 0) Хл b(S 0) + Хл a(S 1) * Хл а(S 1)* + Хл a(S 0) Хл а(S 0) + Хл a(S 1) * Хл а(T 1)* + O 2(T 0) Хл a(S 0) + O 2(S 1) *
Хлорофилл способен к окислительновосстановительным превращениям. «Реакция Красновского» Д - (Хл-Хл)680* - А Д - (Хл-Хл) 680+ - АД+ - (Хл-Хл) 680 - А-
Фотосинтетичекая единица Фотосинтетическая единица– представляет взаимодействие светособирающего комплекса и реакционного центра фотосистемы.
Кванты света запускают последовательность окислительновосстановительных реакций на внутренней мембране хлоропласта h Донор е Хлорофилл Акцептор е ЭТЦ Электрон-транспортная цепь ФС
Фикобилисомы: РЦ и светособирающий комплекс некоторых бактерий и водорослей После поглощения hν РЦ «закрывается на фотохимию» - и надолго. Для эффективной работы РЦ после его «открытия» он должен сразу получить следующий квант. Квантами РЦ снабжают антенны: пигменты (хлорофиллы, каротиноиды), расположенные на специальных белках.
Фикобиллипротеиды
Фотосинтез
Каротиноиды
Два пути синтеза изопреноидов в растениях: «мевалонатный» в цитозоле и «альтернативный» в хлоропластах