Plantefysiologi - plantenes stoffomsetning, vekst og utvikling Halvor Aarnes 2002. Sist oppdatert 2002. S.E. & O. Innholdsfortegnelse Fotosyntese...4 Respirasjon...36 Fett (Lipider)...43 Vann og vanntransport...48 Floemtransport...56 Mineralnæring...61 Aminosyremetabolisme...91 Sekundærmetabolisme...94 Plantehormoner...106 Signaloverføring...130 Frøhvile og knopphvile...133 Frøspiring...137 Plantekroppen...140 Celler og oppbygning av planten...140 Meristemer...147 Blomstring...165 Fytokrom...175 Blåttlysresponser...178 Tropismer og nastier...179 Kjøleskader og frostskader...184 Saltplanter - halofytter...189 Solplanter og skyggeplanter...191 Kjøttspisende planter...193 Fjellplanter...195 1
Sykdom og symbiose - en balansegang...199 Røde og blå farger på planter...204 Ultrafiolett stråling og planter...206 Oksidativt stress...207 Prokaryoter og mikronæringsnett...208 Småstykker...210 Cellens molekylærbiologi...214 Enzymer...217 Litt bakgrunnsstoff...220 Litteratur...224 2
Innledning "Borte i Skogkanten staar Bregner og Stormhat; Melbærlyngen blomstrer og jeg elsker dens smaa Blomster. Tak min Gud, for hver Lyngblomst jeg har set; de har været som smaa Roser paa min Vei og jeg graater av Kjærlighet til dem. Et eller andet Sted i Nærheten er vild Nellik, jeg ser den ikke, men jeg fornemmer dens Duft. Men nu i Nattens Timer har pludselig store, hvite Blomster utfoldet sig i Skogen, deres Ar staar aapne, de aander. Og lodne Tusmørkesværmere Sænker sig ned i deres Blade og bringer hele Planten til at skjælve. Jeg gaar fra den ene til den andre Blomst, de er berusede, det er kjønslig berusede Blomster og jeg ser hvorledes de beruses". Fra Knut Hamsun: Mysterier Plantene varierer i størrelse fra mikroskopisk encellete til de største organismene på jorda, og de kan fange opp og lagre solenergi, unntatt parasittplanter som mangler klorofyll. Det er plantene som sørger for næring til omtrent alt liv på jorda. Menneskene er helt avhengig av plantene i land-, skog- og hagebruk og av naturlig vegetasjon. Plantene gir oss mat, klær, husly, møbler, medisiner, krydder, papir og musikkinstrumenter. Blomster og vegetasjon gir oss estetisk nytelse. Tømmer, bambus, store blad og siv gir byggematerialer. Plantene gir oss en rekke naturfibre som bomull, lin, jute, hamp og ramie. Kulturplantene, spesielt kornslagene og erteplanter, karbohydratplanter som poteter, bananer og kassava, frukt og bær er mat for milliarder av mennesker. I tillegg til karbohydratene, vesentlig i form av stivelse, gir plantene oss protein med essensielle aminosyrer (bl.a. methionin og lysin), fett med essensielle umettede fettsyrer, vitaminer, antioksidanter (vitamin C, E og flavonoider), sukker, karotenoider, uorganiske makro- og mikronæringsstoffer og organiske syrer. Cellulose kan omdannes til papir, kunstige tøyfiber, og dispergeringsmidler. Pektin, stivelse og glukomannaner brukes til fortykningsmidler i næringsmiddelindustri. Plantene inneholder tusenvis av sekundærmetabolitter. Mange av disse stoffene danner grunnlaget for nytelsesmidler, krydder og medisiner: kaffe, te, tobakk, sjokolade, tobakk, pepper, muskat, ingefær, kanel, og nellik. I listen over medisiner fra planteriket finnes morfin, og kodein og antikreftmidler som taxol og vinblastin. Lignin kan gi kunstig vanilje (vanillin). Økt kunnskap om menneskets ernæring har satt søkelyset på kostfiber som kommer fra plantenes cellevegger. Enkelte stoffer får spesiell omtale i mediene. F.eks. resveratrol, et stilben som finnes i skallet på røde druer og derav i rødvin; og fytoøstrogener f.eks. lignaner som secoisolariciresinol og matairesinol. Imidlertid er mange av de ville plantene svært giftige. Folks interesse for helsebringende remedier har gitt oppkomst av mange useriøse kommersielle aktører som forsøker å sko seg på folks uvitenhet. Dyr kan forflytte seg eller endre atferd som resultat av miljøpåvirkninger. Plantene må ha et videre reportuar til å kunne respondere fysiologisk. Når dyr er ferdigutviklet stopper cellene å differensiere seg, mens plantene forsetter å være totipotente. Hos dyr lages reproduksjonsorganene tidlige i utviklingen, hos plantene seinere. Gjennom Darwinistisk evolusjon med stor grad av polyploidi, rekombinasjon, variasjon og naturlig utvalg, har plantene utviklet seg til det de er i dag, en utvikling uten noe bestemt mål og hensikt. Plantene er blitt tilpasset å tåle forskjellige varierende klimatiske forhold og potensielt sykdomsframkallende organismer. Genetisk like monokulturer med nytteplanter er sterkt utsatt for skadelige insekter, sopp og virus. Rhynia var en plante som eksisterte for 400 millioner år siden. Psilotum, dikotomt forgreinet uten blad og røtter, er en av de mest primitive nålevende plantene. Økosystemene er termodynamisk åpne systemer som det strømmer stoff og energi igjennom. Solenergien brukes til biomasseproduksjon, transportprosesser og varmekilde. Ifølge Prigogine organiserer de biologiske systemene seg slik at 3
entropiproduksjonen blir minimal. Genetiske forandringer som sørger for bedre bevaring av entropi kommer økosystemet til gode. Kokurransen mellom fotoautotrofe organismer følges av muligheten til å lage biomasse. Et tre bruker mer solenergi, har større assimilasjonsflate og dypere rotsystem enn en urtaktige planter. Fotosyntese "Alt livet er sol-kraft, sol-eld, skynar eg um natti. Når soli er burte, sloknar me". Fra Arne Garborg: Den burtkomne Faderen Fotoautotrofe organismer Grønne planter med vann som elektron- og protonkilde Fotoautotrofe organismer som grønne planter, alger og noen bakterier kan fange opp lysenergi som omdannes til kjemisk energi og reduksjonkraft brukt til reduksjon av karbondioksid. Omvandlingen av lysenergi skjer i pigment-proteinkomplekser i fotosyntesemembranene. Fotosyntesen hos eukaryoter skjer i kloroplaster (plastider), hos prokaryotene i membraner. Kloroplastene har sin opprinnelse fra blågrønnbakterier tatt opp ved primær endosymbiose. Noen alger inneholder bare en stor kloroplast per celle, men planter har mange små kloroplaster per celle og dette øker overflatearealet av kloroplastene. Blad av tofrøbladete planter har kloroplaster i to lag: et øvre palisademesofyll og et undre svampmesofyll. I en celle tar vakuloen ca. 70 % av volumet, kloroplastene 20 %, cytoplasma 6% og resten fordeles på cellevegg og kjerne. Kloroplastene hos høyere planter er omgitt av to membraner. Hos brunalger, diatoméer, gulgrønnalger, gullbrunalger, euglenoider, fureflagellater, og coccolitoforider er kloroplasten i tillegg omgitt av en kloroplast endoplasmatisk retikulum. Noe som indikerer at disse kloroplastene har sin opprinnelse fra sekundær endosymbiose. Flere alger i gruppen Protista har også evnen til å leve heterotroft. Fotosyntesen deles i en lysreaksjon som skjer i tilknytning til thylakoidmembranene hvor det lages kjemisk energi (ATP), reduksjonskraft (NADPH) og oksygen (O 2 ), og en karbonreaksjon hvor karbondioksid (CO 2 ) reduseres til karbohydrater vha. ATP og NADPH. Robert Hill oppdaget i 1937 at kloroplaster i lys kunne redusere kunstige elektronmottakere samtidig med at det ble produsert oksygen. I fotosyntesen hos planter blir vann oksidert og gir elektroner, protoner og oksygen. Ligningen for fotosyntese er: Anaerobe fotosyntetiske bakterier bruker sollys som energikilde for å lage organiske stoffer, men de bruker f.eks. hydrogensulfid (H 2 S) som elektron- og protonkilde istedet for vann. Hydrogensulfid blir oksidert til svovel. Det var mikrobiologen van Neils arbeider med fotosyntetiske bakterier som førte fram til konklusjonen om at oksygen kommer fra vann i fotosyntesen, ikke fra karbondioksid. 4
Ved hjelp av den tunge oksygenisotopen 18 O ble reaksjonen bekreftet. Lys Lys er elektromagnetisk stråling og kan betraktes både som bølge og partikkel. Et foton, en lyspartikkel, har en bestemt (diskret) mengde energi (E): hvor h er Plancks konstant = 6.626@10-34 J s, og < = svingninger per sekund (s -1 ). Lysenergien er omvendt proporsjonal med bølgelengden hvor 8 er bølgelengden og c er lyshastigheten = 3@10 8 m s -1. Ofte angis energien til et mol fotoner (N) som er lik Avogadros tall = 6.022@10 23 Representative bølgelengder for de forskjellige fargene i lysspekteret (ROGGBIF) er gitt i parentes: rød (660 nm), oransje (610 nm), gul (570nm), grønn (520 nm), blå (470 nm), indigo (430 nm) og fiolett (410 nm). Klorofyll - grønt molekyl med hode og hale Klorofyllmolekylet består av et vannelskende hode i form av en flat ring som gir grønn farge på alle planter. Sentralt i ringen sitter et molekyl magnesium. Til ringen er det festet et lang hale som ikke er løselig i vann. Denne halen fester klorofyllmolekylet til det indre av membranene i kloroplasten. Klorofyll finnes i flere former. Klorofyll b som virker som et hjelpepigment er gulgrønt av farge og er litt forskjellig fra det blågrønne klorofyll a. Både klorofyll og gulfargete karotenoider har elektronene i såkalte alternerende dobbeltbindinger i molekylet. Selvom vi må tegne dette slik er ikke alltid elektronene i dobbeltbindingen, men kan bevege seg fritt omkring i molekylet. Dette er en viktig egenskap når molekylet skal ta opp lysenergi. Klorofyllmolekylene i kloroplastenes sekkformede thylakoidmembraner fanger opp blå og røde lyspartikler. De grønne blir tatt opp i noe mindre grad. Den oppsamlede lysenergien overføres til to fotosystemer II og I. Klorofyll b hos planter og grønnalger og klorofyll c hos proklorofytter virker bare som antennepigment. Klorofyll d er funnet i fotosystem I i en Prochloron-lignende organisme Acaryochloris marina. Absorbsjon av lys og produksjon av kjemisk energi "Av måneskinn gror det ingenting". Torborg Nedreaas (1947). Klorofyll omgitt av proteinkomplekser i thylakoidmembranene fanger opp lys, ved å gå fra en grunntilstand til et eksitert nivå hvor et elektron i et klorofyllmolekyl går til et høyere orbital. 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 etelektronpar med antiparallelle spin. Det er en lav forekomst av triplett klorofyll med et elektronpar med parallelle spin. som har lenger levetid og 5
lavere energi enn singlett klorofyll. Det eksiterte elektronet i et klorofyllmolekyl kan gå tilbake til grunntilstanden i form av: 1) Varme 2) Utsendelse av et foton som fluorescens med lenger bølgelengde enn det lyset som ble absorbert. 3) Energioverføring til et molekyl i nærheten (energioverføring). 4) Miste et elektron til et annet molekyl (ladningsseparasjon). Reaksjoner i form av fluorescens skjer i løpet av nanosekunder (10-9 s), mens fotokjemi kan skje i løpet av picosekunder (10-12 s). Lyseksitasjonsenergien i et klorofyllmolekyll blir overført til et reaksjonssenterklorofyll, og det skjer en ladningsseparasjon ved at elektron overføres til en elektronakseptor. Elektronet beveger seg gjennom en tunnel jfr. Marcus-teori. Hos planter er denne elektronakseptoren feofytin, et klorofyllmolekyl uten chelatert magnesium. 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. Hos planter er det 2 fotosystemer som er en del av en elektrontransportkjede. Elektronene fraktes med elektrontransportører (plastokinon, cytokrom b 6 f og plastocyanin), som er koblet til protontransport over fotosyntesemembranen. Proton- og ladningsgradienten brukes til å lage ATP, og lysenergien blir lagret som fosfatesterbinding, 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. Den halifile 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, kalt antennepigmenter, spesielt klorofyll b. Det er ca. 250 klorofyllmolekyler per reaksjonssenter som virker som nedslagsfelt for lysenergi. Molekylene må ligge nær inntil hverandre for å få til en effektiv overføring av energi. Reaksjonssenteret absorberer ved lengre bølgelengde enn antennene. 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. Reaksjonssenterklorofyllene angis med bokstaven P og ved den bølgelengden de har maksimal absorbsjon. P 680 for fotosystem II og P 700 for fotosystem I. Reaksjonssenterklorofyll er en dimer, et spesielt par f.eks. P 865 hos den fotosyntetiske bakterien Rhodobacter sphaeroides. Michel, Deisenhofer og 6
Huber fikk nobelprisen i kjemi i 1988 for røntgenkrystallografiske studier av reaksjonssenteret hos den fotosyntetiske bakterien Rhodopseudomonas viridis, en modell for fotosystem II i planter. Studier av oksiderte og reduserte former av molekyler gjøres med spektroskopiske teknikker hvor man ser på den bølgelengden som gir størst oksidasjon i lys. Lysenergi absorbereres i høyere planter av to fotosystemer, fotosystem II og fotosystem I omgitt av lyshøstende klorofyll, proteiner og elektrontransporterende systemer (elektrontrapp). I hvert av disse fotosystemene er det mellom 400 og 500 klorofyllmolekyler og hjelpepigmenter som overfører lysenergien til reaksjonssenterklorofyll P680 i fotosystem II, og reaksjonssenterklorofyll P700 ved fotosystem I. I fotosystem II oksideres to vannmolekyler ad gangen til oksygen, elektroner og protoner, samtidig med av 4 manganatomer skifter valens.i begge fotosystemene vil absorbsjon av lysenergi indusere utsendelse og oppoverbakketransport av elektroner. 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 reaksjonssenterklorofyll P680 overføres raskt sitt elektron til feofytin og videre til plastokinon Q A festet til et kinonbindende protein D2, slik at det blir en ladningsseparasjon. Derved hindres elektronet i å hoppe tilbake der det kom fra. Elektronet går videre til plastokinon Q B bundet til proteinet D1. Lysenergien er derved fanget. Reaksjonssenterklorofyllet som har avgitt sitt elektron virker som en kraftig oksidant, og grabber et elektron fra vann som er et nærliggende donormolekyl. Elektronene blir derved overført fra vann til plastokinon katalysert av enzymet vann-plastokinon oksidoreduktase. Første trinnet i den fotokjemiske prosessen med energilagring er en oksidasjons-reduksjonsreaksjon. Cytokrom b 6 f består av jern-svovelprotein (Rieske) og overfører elektroner fra redusert plastokinon til oksidert plastocyanin, og ligner således på cytokrom bc 1 i kompleks III i respirasjonskjeden i mitokondriene. Fra P700 går elektronene videre til klorofyll a, fyllokinon, jern-svovelproteiner og til det løselige jern-svovelproteinet ferredoksin. Superraske glimt med laserlys gjør det mulig å studere den raske reaksjonskinetikken hvor ladningsseparasjonen skjer i løpet av pikosekunder. Elektronoverføringen skjer uavhengig av temperaturen, kan foregå i flytende helium (4K) og studeres med elektronspin resonans spektroskopi (ESR). P700 får elektroner fra redusert plastocyanin. 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 for det meste skjer det 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 (Mg 2+ ) i kjernen. Spaltingen av vann i fotosystem II utføres av et enzymkompleks som inneholder mangan (Mn 2+ ). 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 jernsvovelprotein 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 (NO 2 - ) og sulfitt (SO 3 2- ). Redusert ferredoksin kan også være med å regulere aktiviteten til enzymer i karbonassimilasjonen. 7
Fotosystem II og I har forskjellig plassering i thylakoidmembranene Fotosystem I (plastocyanin-ferredoksin oksidoreduktase) og fotosytem II (vannplastokinon oksidoreduktase) har forskjellige absorbsjonsegenskaper og er plassert på forskjellige steder i thylakoidmembranene. Stromalameller og ikke sammenpressete thylakoidmembraner er anriketmed fotosystem I i forhold til fotosystem II. Sammenpresset region i thylakoidmembranene (granastabler) inneholder mer fotosystem II. De to fotosystemene synes å være fysisk atskilt fra hverandre og det må derfor finnes flyttbare elektronbærere i membranen. Plastokinon er fettløselige kan diffundere i membranen Plastocyanin, løselig membranprotein og cytokrom b 6 f befinner seg i begge membrantyper, men ATP syntase befinner seg i den stromaeksponerte delen av thylakoidmembranene. Balansert fordeling av lysenergi mellom fotosystem II og I Fotosystem II er lysfølsomt og inaktiveres av for mye lys, spesielt ved mangel på elektronakseptorer f.eks. karbondioksid. Det kan være ubalanse mellom lysabsorbsjon i fotosystem II og I, elektrontransport, og elektronforbruk til CO 2 -assimilasjon. Dette gjelder spesielt ved høy solinnstråling, tørke, lav temperatur og næringsmangel. Mangel på CO 2 ved høy lysintensitet kan gi fotooksidasjon og bleking av klorofyll. 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. Fotosyntesen må ha evne til å kunne tilpasse seg forhold hvor fotonfluksen endrer seg 100-fold i løpet av sekunder. Mer langsiktige tilpasninger skjer ved endring i bladorientering, forflytning av kloroplaster i cellene og mengde klorofyll per arealenhet. Balansert fordeling av eksitasjonsenergi mellom fotosystem II og fotosystem I gir mest effektiv fotosyntese. 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 vegetasjonsskygge og får lite lys har mer granastabler (anriket med fotosystem II) enn solplanter. For skyggeplanter som får mest fotosystem I lys har et forhold mellom mengden fotosystem II/fotosystem I som er større enn 2. Hos planter varierer forholdet mellom mengden fotosystem II/fotosystem I fra 0.4-2.3, hos grønnalger er det ca. 1.4 og for rødalger og blågrønnbakterier er det ca. 0.4. Lyshøstende klorofyll-proteinkompleks i fotosystem II (LHCII) kan fosforyleres av en Mg 2+ avhengig lysaktivert proteinkinase, danner LHCII-P, som påvirker energifordelingen mellom fotosystem II og I. Fosforylert lyshøstende klorofyllkompleks kan bevege seg i thylakoidmembranen og overføre lysenergi til fotosystem I. Derved kan koblingen mellom LHCII og fotosystem II justeres. LHCII kinase aktiveres når mengden plastokinon i redusert form hoper seg opp, og LHCII-P beveger seg vekk fra fotosystem II. Når plastokinon blir oksidert aktiveres en fosfatase som fjerner fosfat fra LHCII-P. Når LHCII ikke er fosforylert overføres mer energi til fotosystem II og når det er fosforylert leveres mest energi til fotosystem I. 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. De fant at belyste man en grønnalge med lys over 680 nm falt kvanteutbyttet i 8
fotosyntesen, selv om det var lysabsorbsjon i klorofyll a. Kvanteutbyttet i mørkerødt lys, økte hvis man samtidig ga blått lys. Kvanteutbytte er forhold mellom antall produkter i forhold til antall absorberte kvanter. 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 mørkerødt 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. Fykobiliner er en vannløselig åpen tetrapyroll festet til proteiner med en thioeterbinding. Fykobiliproteiner er samlet i vifteformete fykobilisomer lokalisert på den ytre overflaten til thylakoidmembranene. Det er 5-6 staver i hver vifte. Lysenergien kan overføres fra fykoerythrin (450-570 nm)6fykocyanin (590-610 nm)6allofykocyanin (650-670 nm) 6klorofyll. Fykoerythrin befinner seg ytterst i viften, deretter følger plasticyanin og allofykocyanin nærmest membranen. Dinoflagellater har et peridinin-klorofyll a kompleks. Z-skjema - Fotosyntesens transport av elektroner og protoner Den fotosyntetiske lysreaksjon består av samvirke mellom elektronbærere, enzymer og pigmenter. Elektroner fraktes over et større spenn i redokspotensial i fotosyntesen hos planter, alger og blågrønnbakterier enn hos anaerobe fotoautotrofe bakterier. Fotosystem II og I henger sammen med en serie av elektronbærere i et Z-skjema forslått av Hill og medarbeidere på begynnelsen av 1960-tallet. Elektroner overføres fra vann til ferredoksin, den første stabile redoksforbindelsen. Ferredoksin i redusert tilstand har med sitt negative potensial (-0.43 V) mulighet til å redusere NADP +. Kinoner frakter to elektroner og to protoner ad gangen Kjernen i reaksjonssenter II utgjøres av D1/D2 proteinene med sine kinoner. Forkortelsen D har de fått fra det diffuse forløpet disse proteinene viser under gelelektroforese. Assosiert eller bundet til D1/D2 proteinene er reaksjonssenterklorofyll P680, plastokinoner, feofytin, jern (Fe 2+ ), mangan (Mn 2+ ), kalsium (Ca 2+ ) og klorid (Cl - ). Plastokinon Q A er bundet til D2-proteinet og Q B er bundet til D1-proteinet. D1-proteinet omsettes raskt og brytes ned av en protease for deretter å bli bygget opp på nytt. Feofytin er et spesialisert klorofyllmolekyl som mangler Mg 2+ i tetrapyrollkjernen og er bundet til D1-proteinet. Hos fotosyntetiske bakterier er den en symmetri i hvordan reaksjonssenterklorofyll, feofytin og kinoner er organisert. Elektronet går fra enelektrontransportøren Q A over til toelektrontransportøren Q B. Q står for kinon. Kinoner kan frakte to elektroner og to protoner ad gangen. Plastokinon inneholder et kinon og en hydrofob hale som fester det til membranen. I redusert tilstand er kinonet et hydrokinon (QH 2 ). Q B2- stabiliseres ved å binde to protoner fra stromasiden av thylakoidmembranen slik at det dannes et plastohydrokinon Q B H 2. Q B H 2 kan diffundere i membranen og avgi elektroner til cytokrom b 6 /f-komplekset. CP43 og CP47 er klorofyll ab bindende proteiner i tilknytning til reaksjonssenteret. 9
Jern som elektrontransportør i cytokromer og svovelproteiner. Kobber i plastocyanin Cytokrom b 6 7f-komplekset som er likt fordelt mellom grana og stromalameller inneholder to b-hem, ett c-hem (tidligere kalt cytokrom f) og Rieske jern-svovelproteiner (navn etter Rieske som oppdaget dem). c-hem i cytokrom c er kovalent bundet til protein med en thioeterbinding til cystein, mens cytokrom b av protohemtypen er ikke kovalent bundet. Bakterier og mitokondrier inneholder et cytokrom bc 1 -kompleks som ligner på cytokrom b 6 /f kompleks. Cytokrom b 6 /f komplekset er et hastighetsbegrensende ledd i fotosyntesen og er koblet sammen med fotosystem I via plastocyanin. Protoner fraktes over thylakoidmembranen inn i lumen via Q-syklus. Cytokrom f frakter elektroner til et blåfarget kopperprotein kalt plastocyanin som deretter reduserer reaksjonssenterklorofyll P700 i fotosystem I. Lysenergien gir her en svak oksidant P700 +. Noen alger og blågrønnbakterier inneholder et cytokrom c istedet for plastocyanin. Q-syklus På cytokromkomplekset er det et bindingssete for kinon på lumensiden av membranen og for kinon på stromasiden. Kinol oksideres til semikinon av Rieske jern-svovelproteiner og elektroner går via cytokrom f til plastocyanin. Semikinon blir oksidert av et hem. Syklisk elektrontransport Syklisk elektrontransport lager ATP og skjer ved at redusert P700 gir elektroner via ferredoksin som gir elektroner katalysert av en ferredoksin-plastokinon oksidoreduktase. Elektronene går videre gjennom cytokrom b 6 /f-komplekset og plastocyanin tilbake til P700. I dette tilfellet lages ikke oksygen og NADPH, men bare ATP. Betydningen av syklisk elektrontransport er omdiskutert. NADPH - reduksjonskraft fra ikkesyklisk elektrontransport NADPH er bærer av reduksjonskraft i form av elektroner og protoner. Nikotinamidringen i pyridinnukleotidet kan motta to elektroner og ett proton. NADH brukes mest for å lage ATP i oksidativ fosforylering, mens NADPH overfører 2 elektroner og 2 protoner i reduksjonen av karbondioksid. Elektrontransportørene er plassert assymetrisk i thylakoidmembranene. NADPferredoksin reduktase på utsiden av ikke-sammenpresset membran. Plastocyanin ligger inn mot lumen i thylakoiden og ferredoksin mot stromasiden. Redusert ferredoksin kan overføre elektroner til NADP + slik at det dannes NADPH + H + katalysert av ferredoksin- NADP oksidoreduktase. Redusert ferredoksin kan også gi elektroner i en syklisk elektrontransport rundt fotosystem I katalysert av ferredoksin kinon reduktase. ph gradient og Q-syklus for å lage ATP Syklisk og ikkesyklisk elektrontransport gir protoner og surgjøring av lumen og det blir en ph-gradient over thylakoidmembranen, )ph. ph gradienten er imidlertid ikke så stor som man tidligere har trodd. Det lages en ladningsgradient som skyldes ladningsoverføring over membranen i en Q-syklus. Protoner blir også forbrukt ved reduksjonen av NADP +, noe som hever ph i stroma. Den elektrokjemiske 10
potensialgradienten over thylakoidmembranen brukes til protondrevet syntese av ATP, fotofosforylering, katalysert av ATP syntase. Pseudosyklisk elektrontransport Mehler oppdaget i 1951 at thylakoider i lys kunne redusere oksygen. Det skjer på den reduserende siden av fotosystem I. Molekylært oksygen kan derved reduseres direkte av fotosystem I i en reaksjon kalt pseudosyklisk elektrontransport (Mehler-reaksjon). Dette gir superoksidadnionradikalet som omsettes av enzymet superoksid dismutase. Superoksid dismutase (SOD) er metallproteiner som inneholder kobber, zink, mangan eller jern. Cu-Zn SOD finnes hos i alle eukaryote celler, inkludert kloroplastene. Produksjon av dioksygen i fotosyntesen Ved ladningsseparasjon lages P680 + og feofytin -. P680 - reduserer feofytin (-610 mv) og overfører elektronet fra en høy potensialdonor og skaper en sterk reduktant og oksidant. Elektronet overføres raskt fra feofytin til et semikinon. P680 + er en sterk oksidant og brukes til å oksidere vann, hvor det frigis oksygen og fire protoner i lumen i thylakoidmembranen. Fire elektroner fraktes i elektrontransportsystemet frem til fotosystem I for hvert molekyl oksygen som blir frigitt. Mn trengs i vannspaltingen. Reaksjonen skjer i flere trinn. Fire positive ladninger skapt av P 680 + må akkumuleres før et molekyl oksygen frigis. Ifølge modellen til Kok og medarbeidere. Cl - virker som motion. Mangankomplekset bundet til et manganstabiliserende protein (33kDa) gjør at OH bindingen i vann blir svakere slik at to vannmolekyler kan kobles sammen og gi dioksygen. Redoksaktivt tyrosin-160 på D1-proteinet, kalt tyr Z, er elektrondonor til fotooksidert klorofyll. Tyr Z reduseres med elektroner som kommer fra en samling av mangankomplekser og blir til tyr ZA. Tyr Z er en rask elektrondonor som dannes sammen med frigivelse av H +. P680 + har meget sterkt oksidasjonskraft og må være fjernet ved ladningsseparasjon fra Q a - for å hindre at elektronet flyter tilbake igjen. Tyrosin Tyr Z blir reversibelt oksidert og redusert under utviklingen av dioksygen. Når Tyr Z avgir et elektron til den sterke oksidanten P680 + avgir det samtidig et proton og blir derved et tyrosinradikal Tyr ZC. For å kunne gjendanne nøytralt Tyr Z trengs det både ett elektron og ett proton som kommer fra vann via det oksygenutviklende proteinkomplekst. I vannspaltingsapparatet hos høyere planter inngår også proteinene PsbP (23 kda), PSBO (33 kda) og PsbQ (16 kda). I 1969 gjorde franskmannen Pierre Joliot eksperimenter med mørkeadapterte alger og kloroplaster hvor han studerte effekten på oksygenutviklingen ved å gi korte lysglimt. Joliot fant at oksygen ble utskilt i større mengder ved hvert 4. lysglimt. Nederlenderen Bessel Kok foreslo at fotosystem II lagret oksidasjonsekvivalenter ved hvert lysglimt til det ble samlet opp fire stykker som var nødvendig for å utvikle ett dioksygen fra to vannmolekyler. Dette ga opphav til en S-nivåsyklusteori med 4 S nivåer i en 4 elektron oksidasjon av vann koblet til mangankomplekset. Ugrasdrepere (herbicider) som blokkerer fotosyntesens elektrontransport Noen typer ugrasdrepere påvirker fotosyntesens elektrontransport. Dette gjelder triazin- 11