Metabolismus a regulace rostlinné buňky

Jaké jsou hlavní otázky této přednášky? Jak je redukce (fixace) CO2 integrována do celkového metabolismu? Metabolické dráhy u photoautotrofní buňky (sinice, řasy, rostliny). Kde se v přírodě bere redukovaný dusík ? Fixace a koloběh dusíku. Jak funguje buněčná signalizace u rostlin? Fytohormony a vnímání světla

Celková biomasa všech skupin organismů

Rozmanitost metabolismu – zdroj energie (elektronů) a uhlíku Photo-autotrofní versus heterotrofní metabolismus 2000 - lidé spotřebovávali kolem 20% celkového uhlíku fixovaného fotosyntézou 2030 - predikce 80%? bude spotřebováno lidskou populací

Calvin-Benson-Bassham cyklus Melvin Calvin (1911 - 1997) Andrew Benson (1917 - 2015)

Calvinův cyklus

Kam s elektrony ...... NAD(P)H, FADH2 a spol Přenašeče elektronů NAD(P)H a FADH2: udržují zásobu elektronů ve energeticky bohaté vodíkové vazbě (Redox balance) Slouží také jako donory a akceptory elektronů při enzymových (redox) reakcích Nikotin Amid Adenin Dinukleotid – NAD(H) Nikotin Amid Adenin Dinukleotid Fosfár – NADP(H) Flavin Adenin Dinukleotid

RUBISCO fixuje CO2 = zabudovává do organické hmoty Ribulosa-1,5 bisfosfát karboxyláza/oxygenáza (RuBisCo) 8x malá a 8x velká podjednotka

Calvinův cyklus kombinuje glykolýzu, pentózovou dráhu a dva enzymy navíc - fosforibulosa kináza + RUBISCO

Glutathion DNA/RNA heterotrofní buňka

Metabolismus uhlíku a autotrofní buňka Pentózofosfátový cyklus Glykolýza RUBISCO Kelvinův cyklus Krebsův cyklus

Dostupnost redukovaného dusíku, klíčový limitující faktor pro rozvoj života Velké množství NH4+ nutné na syntézu aminokyselin, dusíkatých bazí (DNA, RNA), tetrapyrolů (chlorofyl, hem), polyamínů Každý organismus musí udržovat poměr C:N Lyzin Arginin Dusíkaté báze Glutamin Spermín (polyamín) Hem

Koloběh dusíku v přírodě Dusíkatá hnojiva, výroba = ~ 2% veškeré energie produkované lidstvem

Termodynamika fixace dusíku – Gibbsova rovnice N2 + 3H2 => 2NH3 ΔG = DH (-92) - (298 x -0.199) = -32.7 kJ/mol Reakce je spontánní (exotermická) .... tak kde je problém? ΔG = ΔH - T x ΔS Molekulární dusík je velmi stabilní a ne-reaktivní (trojitá vazba). Je vyžadována velká aktivační energie.

Enzym nitrogenáza Redukuje (fixuje) vzdušný N2 , pouze určitá prokaryota Inhibován kyslíkem, FeS a MoFeS klastry 8 e- (NADPH) a 16 molekul ATP na jeden N2 (2x NH4+) e- N2

Fixace dusíku u sinic Při fotosyntéze vzniká kyslík – inhibuje nitrogenázu Různé strategie: – specializované buňky (heterocysty), - fixace N2 pouze v noci CO2 heterocysta

Fixace dusíku v oceánech – sinice Trichodesmium

Fixace dusíku v půdě – symbióza bakterií s rostlinami Ekonomicky důležité – leguminózy (sója, jetel, vojtěška, lupina) a baktérie Rhizobium Baktérie tvoří hlízky na kořenech

rostlina rhizobia Redukovaný dusík NH4+ Redukovaný uhlík malát, sacharóza rhizobia

Zabudování NH4+ do metabolismu – GS/GOGAT cyklus GOGAT - glutamine:oxoglutarát amidotransferáza Půda NO3- NH4+ NO3- 4 H+ Krebsův cyklus oxoglutarát

Fytohormony Fytohormony regulují aktivitu rostlinných buněk (dělení, prodlužování, diferenciaci), organogenezi, reprodukci, determinaci pohlaví a odpověď a biotický a abiotický stress.

Klasické fytohormony a “nová generace“ Auxin Cytokininy Gibereliny Kyselina abscisová Etylene Brassinosteroidy Salicyláty Jasmonáty Strigolaktony

Fytohormony regulují všechny stádia života rostliny Opylení a vývoj plodu Dormance semen embryogeneze Zrání plodů Klíčení Vývoj květů Růst a větvení

Rozdělení fytohormonů z hlediska regulace Kontrola vývoje rostliny Auxin Cytokininy Strigolaktony Gibereliny Brassinosteroidy Kontrola reprodukce Ethylen Kyselina abscisová Odpověď na stress Salicylaty Jasmonáty

Nefukční signalizace fytohormonů Arabidopsis Kontrola Mutovaný receptor na auxin nesyntetizuje brassinosteroid Giberelin Mutant – nesyntetizuje giberelin Hrách Auxin Brassinosteroid

Obecné schéma fungování fytohormonů Vazba na receptor Transdukce signálu Odpověď Downstream effects Transport Produkce aktivního hormonu H

Syntéza, transport, receptory Vazba na receptor Syntéza fytohormonu komplikovaná regulace H Transport Receptory hormonů – většinou membránový protein, několik identifikováno fytohormony se mohou distribuovat: jak xylem (mrtvé buňky) tak floém (živé buňky) přes buněčné membrány pomocí regulovaného transportu proteinů

Zpracování signálu Fosforylace proteinů P degradace proteinů Signály receptorů fytohormonů jsou převedeny různým mechanismem. Běžně se jedná o fosforylaci proteinů H Vazba na receptor Kinázová aktivita

Kontrola degradace proteinů u Eukaryot Navázání malého proteinu ubiquitinu nasměřuje cílový protein na degradaci Nutná kaskáda tří enzymů na navázání ubiquitinu (E1 - aktiváza, E2 - konjugáza, E3 - ligáza) ubiquitin

Proteazóm Eukaryot Protein určený k degradaci

Downstream effects (odpoveď na signál) Transkripce Regulace iontových kanálů Downstream odpověď zahrnuje změny v genové transkripci a další změny, jako je aktivita iontových kanálů

regulace iontových kanálů atd defosforilace proteinu Syntéza, přenos signálu, odpověď Vazba na receptor Activní fytohormon odpověď H Transport transkripce regulace iontových kanálů atd Syntéza fosforilace proteinu defosforilace proteinu P degradace proteinů

Receptory jsou často membránové proteiny ) ( H Ethylen Brassinosteroidy P Cytokininy Vazba hormonu způsobí konformační změny a spuštění signální kaskády

Signální dráha auxinu Blokován transkripční faktor ARF SCFTIR1 - součást E3 komplexu na ubiquitaci proteinů -> kontroluje degradaci proteinů v buňce SCFTIR1 Aux IAA ARF Aux/IAA 1. auxin se váže k SCFTIR1 a Aux/IAA

Signalní dráha auxinu SCFTIR1 Aux auxin ARF Aux/IAA 1. Auxin se váže k proteinům SCFTIR1 a Aux/IAA 2. Aux/IAA ubiquitovaný a degradovaný v proteazómu

Signalní dráha auxinu SCFTIR1 Aux IAA ARF Aux/IAA 1. auxin se váže k SCFTIR1 a Aux/IAA 2. Aux/IAA je ubiquitovaný a degradovaný v 26S proteasomu 3.Degradace represoru umožní transkripci určitého setu genů (ARF = transkripční faktor

Rostlinné fotoreceptory intenzita světa vlnové délky (barva světla) směr čas expozice .... Chromofor = chemická molekula, která absorbuje světlo, většinou kofaktor proteinu

Fotoreceptor na UV záření Dimer proteinu UVB8 Tryptofan, absorbance 320 nm Dimerní struktura fotoreceptoru je narušená po absorbci UV světla tryptofanem

Fototropiny – receptory na UV/A and modré světlo Funkce - fototropismus, růst směrem k světlu, nebo od světla - fotoperiodismus, orientace v čase během roku mutantní rostlina Flavoprotein Flavin mononukleotid jako chromofor

Kryptochromy – receptory modrého světla Dva geny u Arabidopsis cry1 - prodlužování hypokotylu cry2 – doba kvetení , nastavení cirkadialních hodin Chromofor - FAD a pterin Pterin FAD Aktivní spectrum kryptochromů

Fytochromy – jsou aktivované červeným světlem .. a deaktivované infračerveným světlem (far-red) Chromofór - fytochromobilín, syntetizovaný oxidací hemu Serine/threonin kinazová doména –> světlem-regulovaná kináza

Struktura fytochrómu

Aktivovaný fytochrom mění expresy genů v jádře WT phyA mutant

Proč receptor na červené/infračervené světlo? Detekce spektrálního složení slunečního světla během dne (poledne, večer) Během roku (např. vhodný čas na kvetení) Klíčení semen červené světlo indukuje klíčení infračervené inhibuje klíčení Zabránění zastínění Červené světlo je nutné k vývoji chloroplastu, modré není úplně nutné Synchronizace cirkadiálních rytmů