Ugrás a tartalomhoz

Növényélettan

Ördög Vince, Molnár Zoltán (2011)

Debreceni Egyetem, Nyugat-Magyarországi Egyetem, Pannon Egyetem

Chapter 3. Növényi biokémia, szerves anyagtermelés a növényben

Chapter 3. Növényi biokémia, szerves anyagtermelés a növényben

A földi élet alapvetően függ a napfény energiájától. A fotoszintézis az egyetlen biológiai jelentőséggel bíró folyamat, amely ennek az energiának a begyűjtésére képes. Emellett a rendelkezésünkre álló energiaforrások, a jelenlegi és a fosszilis egyaránt a fotoszintetikus tevékenység eredménye. Becslések szint évente 200 milliárd tonna CO2 alakul át biomasszává. Ennek mintegy 40%-a származik a tengeri fitoplankton tevékenységéből. A fotoszintézis tárgyalásakor eltekintünk az algák és a cianobaktériumok, továbbá a kemoszintézisre képes vas- és kénbaktériumok szervesanyag termelésétől, csupán a magasabbrendű növények fotoszintézisének a lényegét mutatjuk be.

A magasabbrendű növények legaktívabban fotoszintetizáló szövete a levelek mezofilluma. A mezofill sejtekben jelentős számú kloroplasztisz van. A fotoszintézis oxidációs és redukciós folyamatokból áll:

  • oxidáció: a vízből elektronokat von le, az oxigén melléktermékként képződik,

  • redukció: a széndioxid redukciója, amelyből szerves vegyületek, szénhidrátok képződnek.

Az elektrondonor a víz, az elektronakceptor a széndioxid. A fotoszintézis folyamatát két szakaszra bonthatjuk fel, fényszakaszra és sötét szakaszra (2.1. ábra). Utóbbit újabban a fotoszintézis szén-reakcióinak is neveznek.

Figure 3.1. 2.1. ábra: A fotoszintézis fény- és sötét szakasza.

2.1. ábra: A fotoszintézis fény- és sötét szakasza.

Forrás: Taiz-Zeiger, 2010

A fényszakaszban megy végbe a fényabszorpció (fényelnyelés), a fotokémiai reakciókban közvetlenül résztvevő pigmentekre történő energiaszállítódás és a fényenergia kémiai energiává való átalakulása. A fényszakaszban történik meg a vízbontás (oxigéntermelés), valamint a széndioxid megkötéséhez szükséges redukáló ágens (NADPH) és a nagy energiatartalmú ATP képződése. A 10-15-10-3 másodperc alatt lejátszódó folyamatok függnek a fényintenzitástól, de csupán kismértékben a hőmérséklettől.

A 2. főfejezet első fejezetében a fotoszintetikus energiatárolás fizikai alapjait mutatjuk be, valamint jelenlegi ismereteinket a fotoszintetikus apparátus szerkezetéről és működéséről. A fotoszintézis kifejezés ténylegesen a „fény felhasználásával történő szintézis”-t jelenti. A fotoszintetizáló szervezet a napfény energiájával szintetizál olyan szén-vegyületeket, amelyek energia befektetése nélkül nem képződnének. Kissé részletesebben: a növény széndioxidból és vízből a napfény energiájával szénhidrátokat szintetizál, miközben oxigén szabadul fel. A szénhidrátokban tárolt energia a növényi sejtekben végbemenő folyamatok hajtóereje lehet, továbbá mindenféle élet energiaforrásául szolgálhat. A 2.1. fejezetben a fény fotoszintézisben betöltött szerepével foglalkozunk, a fotoszintetikus apparátus szerkezetével és azzal a folyamattal, amely a klorofill fény hatására történő gerjesztésével kezdődik és az ATP + NADPH szintéziséhez vezet.

A fotoszintézis fényszakaszában, a kloroplasztiszok tilakoid membránjában termelt nagy energiatartalmú vegyület (ATP) és a „redukáló erő” (NADPH) előfeltétele a kloroplasztiszok sztrómájában végbemenő széndioxid-fixálásnak. A fotoszintézis fényszakaszában végbemenő reakciók időtartama 10-4-10-2 másodperc. A fényszakasz és a „sötétszakasz” egymástól elválasztható, az elektronokat mesterséges elekronakceptorok is felvehetik, pl. diklórfenolindofenol jelenlétében és széndioxid hiányában is termelődik oxigén. A folyamatról korábban úgy gondolták, hogy független a fénytől, ezért a fotoszintézis „sötétszakaszának” is nevezték. Tekintettel azonban arra, hogy a sztrómában végbemenő reakciók a fotokémiai folyamattól függnek és azokat a fény közvetlenül szabályozza helyesebb őket a fotoszintézis szén-reakcióinak nevezni. A 2.2. fejezetben ezért a CO2 fixálás és redukció ciklikus folyamatait vizsgáljuk. Bemutatjuk a széndioxid koncentrálás biokémiai mechanizmusait, amelyek lehetővé teszik a növény számára a C4 és a CAM típusú széndioxid fixálást.

A fotoszintézis fényszakasza

A kloroplasztiszok felépítése

A kloroplasztisz a proplasztiszból alakul ki. Részei a külső és a belső membrán, valamint a tilakoid membrán-rendszer, továbbá a kloroplasztiszt kitöltő anyag a sztróma. A sztrómával alkotott kapcsolatuk alapján vannak sztóma és gránum tilakoidok. A gránum tilakoidoknak van kapcsolt és nem kapcsolt régiója. A tilakoidok belső tere a lumen, amely vizet és oldott sókat tartalmaz.

A fotoszintézisért felelős színanyagok a tilakoid membránba épült klorofillok és karotinoidok, valamint a cianobaktériumokban és vörösmoszatokban előforduló fikobilinek. A karotinoidok két nagy csoportja a karotinok, amelyek tisztán szénhidrogének, és a xantofillok, amelyek oxigént is tartalmaznak. A klorofillok és karotinoidok nem kovalens kötéssel a tilakoidok integrális fehérjéihez kötve találhatók. A cianobaktériumokban található fikobiliszómákban a fikobilinek perifériális proteinhez kapcsolódnak. A tylakoid membrán lipidtartalmának a felét a kloroplasztisz színanyagai adják. A lipidek jelentős mennyiségű telítetlen zsírsavat tartalmaznak, ami fluidabbá teszi a tilakoid membránokat, így bizonyos vegyületek könnyebben mozognak bennük.

A növények fényabszorpciójának az alapjai

A növények számára hasznosítható fény a sugárzó energiának csupán azt a részét képviseli, amely az emberi szem számára látható (400-700 nm). A fény részint hullám természetű, részint részecske-természetű. A fény fotonok formájában terjed, ez adja részecske természetét. A foton diszkrét energiatartalmú részecske, amely specifikus hullámhosszal társul. A foton energiája fordítottan arányos a hullámhosszal: az ibolya és a kék a legnagyobb, a narancs és a vörös a legkisebb energiájú.

A fényabszorpció alapját a Stark-Einstein törvény adja, miszerint egy molekula egyszerre csupán egy fotont tud abszorbeálni és az egy foton csupán egy elektron gerjesztésére képes. A vegyérték elektronok gerjesztődnek, az alapállapotból gerjesztett állapotba kerülnek és ezzel a pigment molekula is gerjesztett állapotba kerül. Ez a gerjesztési energia használódhat fel a fotoszintézisre. A klorofillok fényabszorpciója a következőképpen írható fel:

CHL + h.υ >> CHL*, ahol h = Planck-féle állandó (6,626x10-34 J.s), υ = a fény frekvenciája. A gerjesztett állapot csupán nanosecond ideig (10-9) marad meg.

Az alapállapotba történő visszatérés többféleképpen lehetséges: (1) a gerjesztési energia hő formájában teljesen elvész, (2) a gerjesztési energia hő és fluoreszcens fény alakjában elvész, (3) a levelekben a gerjesztési energia a fotoszintézisre használódik fel gyenge fluoreszcencia mellett. A kék fény a vörösnél mindig kevésbé hatékony, mert a kék fény hatására gerjesztett elektron hővesztés mellett gyorsan, ugyanarra az energiaszintre jut vissza, mintha vörös fénnyel lett volna megvilágítva.

A fotoszintézis előfeltétele az, hogy a gerjesztett elektron energiája egy energiagyűjtő pigmenthez a reakciócentrumba szállítódjon. Az energiavándorlás induktív rezonanciával történik, amit másnéven Förster-transzfernek is neveznek. Tisztán fizikai folyamat, amit két egymás mellé megfelelően elhelyezett hangvilla példájával lehet szemléltetni. Az egyik rezgő hangvilla rezgésbe hozza a másikat is.

Az antenna pigment rendszerekben a fényenergia átadása a hosszabb hullámokat jobban elnyelő pigmentek felé halad, pl. a 650 nm-es fényt erősebben elnyelő klorofill-b-ről a 670 nm-es fényt jobban elnyelő klorofill-a-ra. A kettő közötti energia különbség hő alakjában elvész. Ha különböző hullámhosszú fénnyel megvilágított pigment fényelnyelését vizsgáljuk, akkor megkapjuk a pigment abszorpciós spektrumát (2.2. ábra). A klorofilloknál például az ibolya, a kék, a narancs és a vörös fény elnyelése mutat csúcsot, míg az 500-600 nm közötti zöld és sárgászöld fényt nem nyelik el - ezért zöld a színük.

Figure 3.2. 2.2. ábra: Néhány fotoszintetikus pigment abszorpciós spektruma: 1. bakterium klorofill-a, 2. klorofill-a, 3. klorofill-b, 4. fikoeritrobilin, 5. β-karotin.

2.2. ábra: Néhány fotoszintetikus pigment abszorpciós spektruma: 1. bakterium klorofill-a, 2. klorofill-a, 3. klorofill-b, 4. fikoeritrobilin, 5. β-karotin.

Forrás: Taiz-Zeiger, 2010

A karotinoidok csupán az ibolya és a kék fényt abszorbeálják. A visszavert zöld, sárga, narancs és vörös fény keveréke adja a karotinoidok sárga vagy narancs színét. A karotinoidok nem csupán a fényenergia gyűjtését végzik, hanem védik a klorofillokat az oxigén jelenlétében bekövetkező károsodástól, fotooxidációtól, ami túlzottan erős fényen jöhet létre. Ha ugyanis a fény által gerjesztett klorofill nem tud gyorsan visszajutni az alapállapotba, akkor az oxigénnel reagál és rendkívül reakcióképes szinglet oxigént képez. A szinglet oxigén károsítja a sejtalkotókat, főleg a lipideket. A karotinoidok ilyenkor kioltják a gerjesztett klorofillt miközben az energia hő alakjában elvész.

Ha valamely fotoszintetikus funkciót vizsgálunk a megvilágító fény hullámhossza függvényében, akkor megkapjuk a fotoszintézis akcióspektrumát. Az akciós spektrum egy vörös maximumot és egy kisebb kék csúcsot mutat.

Az élő növény tilakoidjában a fehérjéhez kötött klorofill-a a jellemzőtől eltérően több apró elnyelési csúcsot mutathat. Ezek közül a P680 és a P700 a legfontosabb, mert ezek a reakciócentrumok pigmentjei. Az Emerson-effektus szerint, ha a hosszúhullámú vörös fény mellett rövid hullámhosszú fényt is adagolunk, akkor a fotoszintézis gyorsabb lesz, mint a külön adagolt ugyanilyen fények hatásának az összege. Ebből jöttek rá, hogy két pigmentrendszer kell legyen a növényekben, a PSI és a PSII.

Tilakoid komplexek

Az izolált kloroplasztiszok izolált tilakoidjaiból megfelelő pufferekkel és ultracentrifugálással négy főkomplex különíthető el, a PSII, a Cyt b6-f, a PSI és az ATP-szintetáz (2.3. ábra).Az izolált kloroplasztiszok izolált tilakoidjaiból megfelelő pufferekkel és ultracentrifugálással négy főkomplex különíthető el, a PSII, a Cyt b6-f, a PSI és az ATP-szintetáz (2.3. ábra).

PSII

A II. fotoszisztéma egymással nem-kovalens kötéssel kapcsolódó integrális polipeptidekből áll és tartalmazza a P680 reakció centrumot is. A polipeptidekből kettő a D1 és D2. Ezek kötik meg a P680-at és néhány kinont, amely a víz oxidációjához szükséges. A PSII-höz egy PSII fénygyűjtő komplex (light harvesting complex - LHCII) csatlakozik, amely a P680-hoz szállítja a fényenergiát.

A PSII fő funkciója, hogy a PQ-t (plasztoquinont) redukált plasztokinonná alakítja (PQH2), amelyhez az elektront a víz szolgáltatja. Mivel kettő H2O-ra (4 elektronra) van szükség a széndioxid redukciójához és mert két fotonra van szükség mindegyik vízmolekula oxidálásához, ezért a PSII működése a következőképpen foglalható össze:

2 H2O + 4 foton + 2 PQ + 4 H+  O2 + 4H+ + 2 PQH2

A 4 H+-t azért kell mindkét oldalon feltüntetni, mert a víz oxidációja a tilakoid lumenben jár H+-felszabadulással, míg a PQ a sztrómából veszi fel a protont. A PSII csupán a gránum-tilakoidok kapcsolt régiójában fordul elő.

Figure 3.3. 2.3. ábra: A fehérje komplexek elhelyezkedése a tilakoid membránban. A PSII zömmel az összenyomott gránumokban, a PSI és ATP-szintetáz pedig főleg a sztróma tilakoidokban fordul elő. A citokróm b6f a tilakoid membránokban mindenütt megtalálható.

2.3. ábra: A fehérje komplexek elhelyezkedése a tilakoid membránban. A PSII zömmel az összenyomott gránumokban, a PSI és ATP-szintetáz pedig főleg a sztróma tilakoidokban fordul elő. A citokróm b6f a tilakoid membránokban mindenütt megtalálható.

Forrás: Taiz-Zeiger, 2010

Citokróm b6 f komplex

A komplex egyformán előfordul mind a gránum- mind a sztróma-thylakoidokban. Funkciója az, hogy elektront visz a PSII-ről a PSI-re, amit úgy tesz, hogy oxidálja a PQH2-t és redukál egy kis, rendkívül mozgékony réz-tartalmú proteint, a plasztocianint (PC). Így kerül végülis a levált proton a külső térből a tilakoid belső terébe:

2 PQH2 + 4 PC(Cu2+)  2 PQ + 4 PC(Cu+) + 4 H+ (lumen)

PSI

A PSI két legnagyobb polipeptidje köti meg közvetlenül a P700-at, ezeket Ia és Ib névvel illetik. Fénygyűjtő pigmentrendszere az LHCI. A PSI kizárólag a sztróma-tilakoidokban és a nem kapcsolt gránum-tilakoidokban található. Fő funkciója, hogy oxidálja a redukált PC-t és átviszi az elektront egy oldható Fe-S-proteinre, a ferredoxinra. A ferredoxin egy alacsony molekulasúlyú perifériális fehérje, amely a tilakoid sztróma oldalához kapcsolódik. A benne lévő vas oxidálódik, ill. redukálódik:

fény + PC(Cu+) + 4 Fd(Fe3+)  4 PC(Cu2+) + 4 Fd(Fe2+)

A mozgékony ferredoxinról az elektronok egy végső elektrontranszport lépésben a NADP+ redukciójára használódnak fel (NADPH). A reakció a sztrómában megy végbe és a ferredoxin-NADP-reduktáz katalizálja:

4 Fd(Fe2+) + 2 NADP+ + 2 H+  4 Fd(Fe3+) + 2 NADPH

PSII/PSI-arány

A PSII és PSI térbeli elkülönülése jelzi, hogy az 1:1 arányú sztöchiometria a két PS között nem feltétlenül létezik. Sokkal inkább valószínű, hogy a PSII reakciócentruma egy közös elektronszállító poolba (raktárba) továbbítja az elektront, ami redukált plasztokinon felhalmozódását eredményezi. Ebből a közös poolból viszi tovább az elektront a PSI és nem egy hozzátartozó PSII-ről. Mérések szerint a növényekben több PSII van, mint PSI, arányuk 1,5:1, de ez a növény fejlődési stádiumától és a fényviszonyoktól is függ.

A két PS-hez tartozó fénygyűjtő antenna-rendszer a megvilágítástól függően eltérő mennyiségű fényenergiát abszorbeál. Ez limitálhatja a kevesebb fényt abszorbeáló PS működését. Ennek kiküszöbölésére szolgál egy protein-kináz. Ha túl sok a redukált PQ, ami a PSII túlzott működését jelzi, akkor aktiválódik a protein-kináz, foszforilálja az LHCII-öt, ami átvándorol a PSI-hez és annak adja át a begyűjtött fényenergiát. Ha sok az oxidált PQ, aakkor az defoszforilálást és a PSII-höz való visszatérést eredményezi.

ATP-szintetáz, vagy coupling faktor

Az ATP-szintetáz összesen 9 polipeptidből áll. Két fő része a CF0-nak nevezett nyél, amely a tilakoid lumenből átvezet a sztrómába és a fej, amely a sztrómában található és CF1-nek nevezzük. Funkciója, hogy az ADP + Pi-ből ATP-t készít. Mivel az elektron- és proton-transzporthoz kapcsolja az ATP-képzést, ezért coupling factor-nak is hívják. Az ATP anyagcsere energetikája fejezetben leírt kemiozmotikus elmélet alapján képződik a tilakoid membránrendszer külső és belső tere között kialakult pH és töltéskülönbség munkavégző képességét kihasználva.

Az oxigéntermelő komplex

Két vízmolekulából 4 elektront kell elvonni ahhoz, hogy O2 szabaduljon fel. Elméletileg ez úgy mehet végbe, hogy a megvilágítás hatására egy molekula, vagy molekulák pozitív töltést halmoznak fel, majd négy töltés elérésekor egy lépésben négy elektront vesznek fel két vízmolekulából és visszaalakulnak az eredeti állapotukba. Ezeket az állapotokat Bessl-Kok S0, S1, S2, S3 és S4 néven nevezte el. Az S0 az S1-é úgy alakul, hogy lead egy elektront. Ugyanez történik az S1-S2 átalakulásakor és így tovább. Végül az S4 a két vízmolekulából felvéve a négy elektront visszaalakul S0-á. Ezt hívják víz-oxidáló órának (2.4. ábra).

Figure 3.4. 2.4. ábra: A vízoxidáló óra. Az S0 és S4 kettő vagy több mangán ion egyre növekvő oxidációs állapotát jelzi.

2.4. ábra: A vízoxidáló óra. Az S0 és S4 kettő vagy több mangán ion egyre növekvő oxidációs állapotát jelzi.

Forrás: Salisbury-Ross, 1992

Az S kémiai természetét vizsgálva bizonyos volt, hogy nem lehet a P680, mert az csupán egy elektront tud egyszerre leadni és csupán egy pozitív töltést tud felhalmozni. Kiderült, hogy a különböző S-állapotok a mangán különböző oxidációs formái: Mn2+, Mn3+ és Mn4+. Tudjuk, hogy a PSII-höz 4 mangán kapcsolódik, amelyek mind fontosak a vízbontásban (O2-termelésben).

Elektron-transzport a víztől a NADP-ig

A fotoszintézis során a vízből származó elektron elektron-akceptorokon és –donorokon át jut el a NADP-ig (2.5. ábra). Nem ciklusos elektron-transzportról beszélünk akkor, amikor az elektronok a tilakoid membránon áthaladva a NADPH képzésére fordítódnak, tehát nem jutnak vissza a vízhez. Ciklusos elektron-transzportnál az elektron a ferredoxinról nem a NADPH képzésére fordítódik, hanem a citokróm b6-hoz, majd a P700-hoz jut vissza. Az elektron-transzport kapcsolódik a ciklusos és nem ciklusos fotofoszforilációhoz, ahol 3 H+-nak kell szállítódnia a lumenből a sztrómába egy ATP képződéséhez. Az uncouplerek a H+-t úgy szállítják ki a lumenből, hogy közben nem képződik ATP. Az ATP-képzés elméleti alapja a kemiozmotikus elmélet.

Figure 3.5. 2.5. ábra: A fotoszintézis Z-sémája. A 2. fotokémiai rendszer (PSII) által abszorbeált vörös fény energiája egy erős oxidáló és egy gyenge redukáló ágenst eredményez. A hosszabb vörös hullámhosszú fény energiája az 1. fotokémiai rendszerben (PSI) egy gyenge oxidáló és egy erős redukáló ágenst produkál. Az erős oxidáns oxidálja a vizet, amelyből a felszabaduló elektronok a NADP+ redukcióját végzik el.

2.5. ábra: A fotoszintézis Z-sémája. A 2. fotokémiai rendszer (PSII) által abszorbeált vörös fény energiája egy erős oxidáló és egy gyenge redukáló ágenst eredményez. A hosszabb vörös hullámhosszú fény energiája az 1. fotokémiai rendszerben (PSI) egy gyenge oxidáló és egy erős redukáló ágenst produkál. Az erős oxidáns oxidálja a vizet, amelyből a felszabaduló elektronok a NADP+ redukcióját végzik el.

Forrás: Taiz-Zeiger, 2010