Plantefysiologi

Fotosyntese

Absorbsjon av lys og produksjon av kjemisk energi

"Av måneskinn gror det ingenting". Torborg Nedreaas (1947).

Lyset bruker 8 minutter fra Sola til Jorda, og i løpet av 10 -15 sekunder blir energien til et lyskvant fanget opp av pigmentantenner og  klorofyllproteinkomplekser i fotosyntesen. Fotosyntesen består av lysabsorbsjon hvor klorofyll omgitt av proteiner i thylakoidmembranene fanger opp lys ( hν).

klorofyll + hν → klorofyll* (eksitert klorofyll)

Ved absorbsjon av et lyskvant går klorofyll fra en grunntilstand til et eksitert nivå hvor et pi-elektron i karbon-karbon dobbeltbindinger når et høyere orbital og energinivå. Både grunnivå og eksitert nivå har flere energinivåer som skylder rotasjoner og vibrasjoner i klorofyllmolekylet, noe som gir brede absorbsjonsbånd. Rødt lys kan eksitere klorofyll til 1. singlett og blått lys eksiterer til 2. singlett. Eksiterte singlettnivåer har et elektronpar med antiparallelle spin.    Det er en lav forekomst av triplett klorofyll med et elektronpar med parallelle spin,  som har lenger levetid og lavere energi enn singlett klorofyll.    Eksiterte klorofyllmolekyler er meget ustabile, ogfaller ned til grunntilstanden i løpet av 10-9 sekunder, Eksitasjonsenergien kan overføres til et klorofyllmolekyl i nærheten ved Förster resonansenergioverføring (jfr. to stemmegafler ved siden av hverandre). I fotokjemi inngår eksitasjonsenergien meget raskt i en kjemisk reaksjon.og avgir eksitasjonsenergien i form av varme eller utsendelse av et foton som fluorescens med lenger bølgelengde enn det lyset som ble absorbert.

Lyseksitasjonsenergien blir overført et reaksjonssenterklorofyll og det skjer en ladningsseparasjon ved at elektroner overføres til en elektronakseptor. Når reaksjonssenterklorofyll har avgitt et elektron blir det en kraftig oksidant som mottar et elektron fra vann, for å erstatte det elektronet som ble avgitt. Elektronene fraktes med elektrontransportører, som er koblet til protontransport over fotosyntesemembranen. Proton- og ladningsgradienten brukes til å lage ATP. Lysenergien blir lagret som fosfatesterbinding i ATP og som reduksjonskraft i form av NADPH (NADH hos noen fotosyntetiske bakterier). Lysenergien som blir omformet til kjemiske energi i fotosyntesen brukes til å assimilere og redusere karbondioksid i en reduktiv pentosefosfatvei (Calvin-syklus).

Hvilke fotosyntesepigmenter som deltar, type reaksjonssentere, og redoksforandringer, varierer med type fotosyntese.

Bakterien Halobacterium halobium har et fotosyntesepigment, bakterierhodopsin, som ligner på rhodopsin i vårt øye. Bakterierhodopsin frakter ikke elektroner, men lager ATP ved hjelp av en bakterierhodopsin protonpumpe.

Lysabsorbsjon og elektrontransport skjer i membraner

I bakterier skjer fotosynteseen ved innfoldinger av cellemembranen. Hos eukaryotene skjer fotosyntesen i plastider kalt kloroplaster. Inne i kloroplastene er det stabler med thylakoidmembraner. Det finnes forskjellige typer klorofyll. Klorofyll a, b, c og bakterieklorofyll. Klorofyll ligner strukturelt på hem, men har magnesium chelatert i midten av tetrapyrollmolekylet istedet for jern. I tillegg er det en pentanonring og en fytolsidekjede som sitter bundet med en esterbinding til karbonatom 7 i tetrapyrollkjernen i klorofyll a og b. En liten andel av klorofyllene utgjøres av reaksjonssenterklorofyll som virker som en felle for lysenergien. De andre virker som lyshøstende klorofyll. Karotenoider og fykobiliproteiner er andre typer antennepigmenter.

Overføringen av eksitasjonsenergi mellom klorofyllmolekylene skjer ikke ved at lyskvantet hopper fra molekyl til molekyl, men ved at eksitasjonsenergien er felles eiendom og den beveger seg tilfeldig fra molekyl til molekyl fram til reaksjonssenteret. Overføringen av ekistasjonsenergi skjer ved induktiv resonans. Når et pigment har mottatt lysenergien fra et lyskvant blir det eksitert. Det eksiterte molekylet vibrerer og det skjer resonansoverføring mellom molekyler med overlappende absorbsjonsbånd ved en dipol-dipol interaksjon. Oscillasjons- og vibrasjonsenergien overføres til neste molekyl. Det er ikke elektronene som flytter seg, men den absorberte lysenergien, helt til man kommer til et reaksjonssenterklorofyll, som meget raskt overfører et elektron til feofytin. Elektronet beveger seg i en tunnel fra donor til akseptormolekyl. Marcus fikk nobelprisen i kjemi i 1992 for studier som forklarer slik elektrontransport. Elektronet går deretter meget raskt til et kinon QA, festet til et kinonbindende protein, og man har fått en ladningsseparasjon. Lysenergien er derved fanget. Reaksjonssenterklorofyllene angis med bokstaven P og ved den bølgelengden de har maksimal absorbsjon. P680 for fotosystem II og P700 for fotosystem I. P870 og P840 er reaksjonssenterklorofyll hos fotosyntetiske bakterier. Lysenergi absorbereres i høyere planter av to fotosystemer, fotosystem II og fotosystem I omgitt av lyshøstende klorofyll, proteiner og elektrontransporterende systemer. I hvert av disse fotosystemene er det mellom 400 og 500 klorofyllmolekyler og hjelpepigmenter som overfører lysenergien til reaksjonssenterklorofyll P680 i fotosystem II, hvor også oksidasjonen av vann skjer, og reaksjonssenterklorofyll P700 ved fotosystem I. I begge fotosystemene vil absorbsjon av lysenergi indusere utsendelse og oppoverbakketransport av elektroner fra vann.

Grunntilstanden av klorofyllmolekylet er en singlett med elektronene i par med motsatt spin i ytre orbital, med totalt spinkvantetall lik 0. Absorbsjon av lysenergi hever et elektron fra banen nærmest klorofyllmolekylet (grunntilstanden) til et eksitert nivå. Elektronspinnene er fremdeles i par. Det eksiterte reaksjonssenterklorofyllet overføres raskt sitt elektron til feofytin og et kinon slik at det blir en ladningsseparasjon. Derved hindres elektronet i å hoppe tilbake der det kom fra. Reaksjonssenterklorofyllet som har avgitt sitt elektron virker som en kraftig oksidant, og grabber et elektron fra et nærliggende donormolekyl som er vann. Første trinnet i den fotokjemiske prosessen med energilagring er en oksidasjons-reduksjonsreaksjon.

I fotosyntetiske bakterier er elektrontransporten vanligvis en syklisk prosess som leder til reduksjon av NAD+ til NADH. Hos planter og alger skjer det også en syklisk elektrontransport, men mest av en lineær ikkesyklisk elektrontransport som fører til reduksjon av NADP+ til NADPH. Elektrondonoren er vann, og fire elektroner og fire protoner frigis for hvert molekyl oksygen.

Flere grunnstoffer deltar i fotosyntesen

Flere grunnstoffer deltar i fotosyntesen. Klorofyll har magnesium (Mg2+) i kjernen. Spaltingen av vann i fotosystem II utføres av et enzymkompleks som inneholder mangan (Mn2+). I det vannspaltende system virker en samling av mangan for å lagre energi før oksidasjonen av to molekyler vann. Mangan virker sannsynligvis som bindingssted for vannmolekylene før spalting. Cytokromer som inneholder jern, sammen med jern-svovelproteiner, deltar i elektrontransporten mellom fotosystem II og I. En av elektrontransportørene er plastocyanin som inneholder kobber. Ferredoksin er et jern-svovelprotein som finnes løst i stroma i kloroplastene. Redusert ferredoksin i kloroplasten virker som elektrondonor for andre stoffer. I reduksjonen av NADP+ i fotosyntesen og til reduksjon av nitrit (NO2-) og sulfitt (SO32-). Redusert ferredoksin kan også være med å regulere aktiviteten til enzymer i karbonassimilasjonen.

Fotosystem II og I har forskjellig plassering i thylakoidmembranene

Stromalameller og ikke sammenpressete thylakoidmembraner er anriket på fotosystem I. Sammenpresset region i thylakoidmembrane inneholder mer fotosystem II. Hvis fotosystemene er fysisk atskilt må det være flyttbare elektronbærere i membranen. Plastokinon er fettløselige kan diffundere i membranen, mens plastocyanin er vannløselig og sitter på innsiden av membranen.

Balansert fordeling av lysenergi mellom fotosystem II og I

Det er ikke alltid balanse mellom lysabsorbsjon i fotosystem II og I, elektrontransport, dannelse av redusert NADPH og elektronforbruk f.eks. til CO2-assimilasjon. Dette gjelder spesielt ved høy solinnstråling, tørke, lav temperatur og næringsmangel. Overskudd av eksitasjonsenergi inn i fotosystemene gir en reversibel reduksjon i fotosynteseaktivitet kalt fotoinhibering. For mye lysenergi kan også lede til irreversibele skader som nekrose og klorose som skyldes fotooksidasjon. Dette siste skjer når obligate skyggeplanter får for mye lys når f.eks. en beskyttende skog hogges ned.

Det trengs lik fordeling av eksitasjonsenergi mellom fotosystem II og fotosystem I. Antennepigmentene kan tilpasse fordelingen av absorbert eksitasjonsenergi mellom de to fotosystemene som gir maksimal elektronstrøm. Hvis det trengs mye ATP i forhold til NADPH vil det være fordel å ha mye syklisk fotofosforylering

Planter i undervegetasjon får lys som er anriket med mørkerødt og hvor blått og rødt lys er fjernet av bladene over. Planter i skygge som får lite lys har mer granastabler (anriket med fotosystem II) enn de i sol.

Lyshøstende klorofyll-proteinkompleks i fotosystem II kan fosforyleres av en Mg2+ avhengig lysaktivert proteinkinase. Fosforylert lyshøstende klorofyllkompleks kan bevege seg ti thylakoidmembranen og overføre lysenergi til fotosystem I.

Fotosystem I og II som har forskjellige absorbsjonsegenskaper er plassert på forskjellige steder i thylakoidmembranene. Thylakoidmembranene inneholder en protein kinase som kan fosforylere threonin i proteinet i antennepigmentene (LHCII) til fotosystem II. Når LHCII ikke er fosforylert overføres mer energi til fotosystem II og når det er fosforylert leveres mest energi til fotosystem I. Protein kinasen aktiveres av stor mengde redusert plastokinon. Fosforylert LHCII beveger seg vekk fra en stablede området i grana til intergranalameller.

Ubalanse oppdages av plastokinol-poolen. Økt reduksjon aktiverer en protein kinase som fosforylerer LHCII (state 2) og som atskilles fra PSII. Ikkefosforylert LHCII kalles state 1 og LHCII beveger seg da tilbake til granastablene. På denne måten kan lysenergien fordeles mellom de to fotosystemene.

Emersons økningseffekt - indikasjon på to fotosystemer

Emerson og medarbeidere var de første som fant bevis for to forskjellige lysreaksjoner i fotosyntesen. De fant at belyste man en grønnalge med lys over 680 nm falt kvanteutbyttet i fotosyntesen, selv om det var lysabsorbsjon i klorofyll a. Imidlertid kunne kvanteutbyttet øke hvis man samtidig ga rødt og oransje lys eller rødt og blått lys. To bølgelengder ga mer oksygen, enn hver enkelt av dem alene. Fenomenet ble kalt Emerson økningseffekt og oppstår når en bølgelengde ikke eksiterer begge fotosystemene likt. Når bare fotosystem I tar opp lys med bølgelengde >690 nm, minsker energiutbyttet. Bølgelengder <690 nm kan drive begge fotoreaksjonene, men mest effektivt fotosystem II.

Rødalger og blågrønnbakterier - fykobiliproteiner i fotosyntesen

Rødalger og blågrønnbakterier skiller seg fra plantene ved å inneholde fykobiliproteiner som virker som lyshøstende pigmenter som fanger opp lys i fotosyntesen.

Fykobiliproteiner er samlet i fykobilisomer lokalisert på den ytre overflaten til thylakoidmembranene. Dinoflagellater har et peridinin-klorofyll a kompleks.

Syntese av klorofyll og hem

Klorofyll lages fra aminosyren glutamat (glutaminsyre). Klorofyll- og hem-porfyriner er tetrapyrroler. \(\delta -\)(5)- aminolevulinsyre (ALA) lages fra glutamat via 2-oksoglutarat og 2,5-dioksovalerat i en prosess koblet til tRNA katalysert av glutamyl-tRNA reduktase (Figur). Porfobilinogen som gir utgangspunkt for pyrrolringene i klorofyll lages fra to molekyler ALA katalysert av ALA dehydratase. Fire pyrrolringer gir protoporfyrin IX og til hit danner felles biosyntesevei for hem og klorofyll. Deretter settes Mg2+ inn i kjernen av molekylet katalysert av en Mg-chelatase på biosynteseveien til klorofyll. Fe2+ settes inn hvis det skal lages hem katalysert av ferrochelatase. De videre trinnene i klorofyllsyntesen er at Magnesium protoporfyrin IX metyleres og blir deretter omdannet til protoklorofyllid ved at det dannes en 5. ring av en propionsyresidekjede. Protoklorofyllid fotoreduseres til klorofyllid katalysert av enzymet protoklorofyllid oksidoreduktase. Dette er en lysavhengig reaksjon som bruker NADPH og finnes hos blågrønnbakterier, grønnalger, moser, gymnospermer og angiospermer. Det finnes også en lysuavhengig reduksjon av protoklorofyllid, som anses for å være en mer primitiv, og finnes hos purpurbakterier, grønnalger, moser og gymnospermer. Siste trinn i klorofyllsyntesen er påhekting av fytolhalen katalysert av enzymet klorofyll syntetase. Geranylgeranyl reduktase katalyserer reduksjonen (hydrogenering) av geranylgeranyldifosfat til fytyldifosfat. Fytyldifosfat kan brukes både til å lage fytolhalen på klorofyll og til syntese av a-tokoferol.

Chelatering med jern i protoporfyrin IX ga som tidligere nevnt hem. Hem oksygenase omdanner hem til biliverdin IXa katalysert av hem oksidase. Biliverdin IXa omdannes til 3Z-fytokromobilin katalysert av fytokromobilin syntase. En isomerisering gir deretter 3E-fytokromobilin

Klorofylldegradering

Nedbrytningen av klorofyll i aldrende blad skjer først ved at fytol fjernes katalysert av en klorofyllase. Deretter fjernes Mg2+ katalysert av magnesium dechelatase og protoporfyrinringen åpnes til tetrapyrroler av en oksygenavhengig oksygenase.

Thylakoidmembraner i kloroplasten

Thylakoidmembranene (thylakoidlamellene) lager sammenpressede stabler kalt grana (granalameller), hektet sammen med enkle ustablede intergranalameller, også kalt stromalameller. Det indre rommet danner et intrathylakoidrom kalt lumen. Kloroplastmembranene inneholder mye av galaktolipidene monogalaktosyldiacylglycerol (MGDG) og digalaktosyldiacylglycerol (DGDG), litt svovellipid sulfoquinovosyldiacylglycerol (SQDG) og fosfolipid fosfatidylglycerol. Thylakoidmembraner fra eukaryote alger og lavere planter inneholder i tillegg betainlipidene diacylglyceryltrimetylhomoserin og diacylglyceryltrimetyl-D- transb-alanin. Glycerol er forestret med fettsyrer i sn-1 og sn-2 posisjon og det vanligste fettsyrene i kloroplasten er a- linolensyre i MGDG og palmitinsyre i DGDG. Fosfatidylglycerol inneholder i tillegg fettsyren -hexadecanoic syre bestående av 16 karbonatomer og 3 dobbeltbindinger ved karbonatom 7, 10 og 13. I blågrønnbakterier finnes og tetraumettede fettsyrer.

Thylakoidmembranene kan deles i sammenpresset, ikke-sammenpresset og kantområder. De sammenpressete områdene inneholder mest av fotosystem II med lyshøstende klorofyllkompleks II (LHCII), mens de ikke-sammenpressete områdene er anriket med fotosystem I og CF0-CF1 komplekset i ATP syntase. Cytokrom b6f-komplekset er likt fordelt mellom sammenpresset og ikke sammenpresset region. I tillegg finnes det en flyttbar form av LHCII som i fosforylert form fjernes fra fotosystem II og diffunderer til ikke-sammenpresset region for å lette energioverføringen til fotosystem I. Kantområdene har lite protein siden membranen her blir sterkt bøyd.

Import av protein i kloroplasten

Genene som koder for fotosynteseproteiner befinner selv delvis i plastigegenomet (plastomet) og delvis i cellekjernen. Det er ialt 24 forskjellige proteiner kjent fra fotosystem II. Plastocyanin lages fra kjernegenomet og blir fraktet inn kloroplasten merket med et transitpeptid.

Fotosynteseproteiner som lages i cytoplasma må fraktes inn i kloroplasten gjennom membranene. Protein som skal importeres innholder en N-terminal transittsekvens. Når proteinet er kommet inn fjernes signalsekvensen av en spesiell protease. Proteindelen av ferredoksin er et eksempel på protein som blir importert.

Av Halvor Aarnes
Publisert 3. feb. 2011 14:43 - Sist endret 3. mai 2019 17:17