Modul: Fotosyntéza – uhlíkové reakce (temnostní fáze?) Calvinův cyklus Rostliny typu C3, C4 a CAM Sacharosa a škrob Inovace studia botaniky prostřednictvím e-learningu CZ.1.07/2.2.00/07.0004

Základní principy fotosyntézy Princip fotosyntézy, asimilace, ATP, NADPH ATP + NADPH vzniklé ve fotochemické fázi se zde spotřebovávají při asimilaci CO2. Inovace studia botaniky prostřednictvím e-learningu CZ.1.07/2.2.00/07.0004

Stadia C3 cyklu podle Calvina H2O CO2 Karboxylace 2PGA ATP Ribulosa-1,5-bifosfát ADP ADP Spotřeba NADPH + H+ při redukci PGA na PG ATP NADPH+H Redukce NADP+ Ribulosa-5-fosfát Calvinuv cyklus, karboxylace, ribulosa-1,5-bifosfát Transport Regenerace glyceraldehyd-3-fosfát Spotřeba ATP - k tvorbě meziproduktu (1,3-bifosfoglycerová kyselina) - k fosforylaci ribulosa-5-fosfátu na RuBP = k regeneraci primárního akceptoru CO2

Aktivita rubisco je regulovaná světlem Ferredoxin-thioredoxin systém reguluje aktivitu dalších klíčových enzymů C cyklu v závislosti na světle (fruktóza-1,6-bisfosfátfosfatasy, sedoheptulóza-1,7-bisfosfátfosfatasy, ribulóza-5-fosfátkinasy a NADP-gyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasy) Rubisco, ferredoxin,regulace světlem

1,3-bisfosfoglycerová kyselina HPO3-+H+ ATP ADP + CO2 + H2O RUBISCO 3-fosfogycerátkinasa RuBP 2 molekuly kys. 3-fosfoglycerové 1,3-bisfosfoglycerová kyselina HPO3-+H+ NADPH+H Rubisco, triosafosfáty, ATP, sacharosa NADP+ triosafosfátisomerasa NADP-glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa dihydroxyaceton-3-fosfát (DAP) glyceraldehyd-3-fosfát (GAP) Redukce PGA na glyceraldehyd-3-fosfát (GAP) a dihydroxyaceton-3-fosfát (DAP) – triosafosfáty , které jsou dále metabolizovány nebo exportovány do cytosolu, kde dochází k tvorbě ATP nebo sacharosy.

Calvinův cyklus Calvinův cyklus

Fotosyntetické asimiláty Výstup metabolitů z Calvinova cyklu do chloroplastů ve formě DHAP nebo glukosa-6-fosfátu výměnou za fosfát Pi v cytosolu (regulace výměny koncentrací Pi) Pi - vysoká koncentrace v cytoplasmě = výměna za triosafosfáty z C-cyklu Pi – nízká koncentrace v cytoplasmě = v chloroplastech vzroste obsah triosafosfátů a dochází k tvorbě škrobu. DHAP v cytosolu – tvorba sacharosy - metabolizuje za vzniku ATP a NAD(P)H Asimiláty, metabolity, anorganický fosfát, DHAP, sacharosa

Cytoplasma GAP Chloroplast DAP CO2 Calvinův cyklus Fruktosa1,6DP Sacharosa-P Sacharosa Pi ATP Pi ADP ATP Fruktosa6P Fruktosa-2,6DP Calvinův cyklus,tvorba sacharosy, Pi Glukosa6P Glukosa1P UDPG UTP PPi

Fotorespirace – C3 Problém = funkce rubisco jako karboxylasy nebo oxygenasy současně! Oxygenasa - při vyšších teplotách nebo nedostatku vody jsou zavřeny průduchy. Primární procesy fot. pokračují = v rostlině roste koncentrace O2 ! Nedostek CO2! - štěpí RuBP na 2-fosfoglykolát a 3-PGA (vstup do C-cyklu) - řada reakcí přes peroxisomy do mitochondrií = uvolnění CO2 - cesta zpět se spotřebou ATP za tvorby 3-PGA (3-fosfoglycerát) Fotorespirace - probíhá v chloroplastech, peroxisomech a mitochondriích. Spotřebovává se ATP! Ochrana vůči fotooxidaci a fotoinhibici! Afinita rubisco je 3x větší k CO2 a záleží na dostatku CO2 (při vysoké rychlosti fotosyntézy se rychle spotřebovává), při zavřených stomatech nedostatek! Fotorespirace, oxygenasa,karboxylasa, CO2,

Glycindekarboxylasa a serinhydroxymethyltransferasa Fotorespirace 2O2 Ribulosa- 1,5-bifosfát 2P-glykolát 2POCH2-CO2- 3-PGA Pi ATP Glykolát 2HOCH2-CO2- Glycerát HOCH2-HOCH-CO2- Chloroplast NAD+ Glykolát Glycerát O2 NADH+H+ H2O2 Glyoxylát 2OCH-CO2- Hydroxypyruvát HOCH2-CO-CO2- NH2 Glycin 2H2NCH2-CO2- Serin Peroxizóm Fotorespirace, chloroplast, peroxizom, mitochondrie. NAD+ NADH+H+ 2x Glycin Serin HOCH2-H2NCH-CO2- Mitochondrie CO2 +NH4+ Glycindekarboxylasa a serinhydroxymethyltransferasa

Význam - v dusíkatém metabolismu-transaminací spotřeba ATP a NADPH Fotorespirace je proces ztrátový (může snížit čistý výkon fotosyntézy až o 50-60%) při teplotě 30 °C. Význam - v dusíkatém metabolismu-transaminací spotřeba ATP a NADPH - chloroplasty se mohou zbavovat přebytečné chemické energie (ATP a NADPH+H+), když pro nedostatek CO2 nemůže být využita k syntéze sacharidů. Mechanismy koncentrování CO2 CO2 pumpy na plazmatické membráně (vodní rostliny, sinice, euk. řasy)- CO2 pumpy podobné Rheus proteinům v krvinkách, prot. karboxysom C4 fixace uhlíku CAM rostliny Fotorespirace, transaminace, koncentrace CO2

Fixace CO2 u C4 rostlin dvě prostorově oddělené fixace CO2 – Kortshcak a Karpylov (1950), Hatch a Slack popsali detailně (1966) 1. v cytoplasmě mezofylových buněk, 2. v chloroplastech buněk pochvy cévních svazků oddělení Calvinova A Hatch-Slackova cyklu + oddělení tvorby NADPH (tvorba v granech mezofylu, spotřeba v agranálních chloroplastech!) C 4 rostliny – 5% všech druhů, tropické trávy, produktivní plodiny – kukuřice, proso, cukrová třtina…. (Poaceae, Chenopodiaceae, Cyperaceae) Uzpůsobeny k suchému a teplému prostředí – uzavírání průduchů - kompromis mezi H2O a CO2 – 100% využití CO2, omezena fotorespirace Fixace CO2, C 4 rostliny, Hatch-Slackův cyklus,

Anatomická stavba C4-rostlin (Kranz typ listů) Věnčitá (Kranz) anatomie listu C 4 Buňky pochev cévních svazků - k sobě těsně přiléhají a od buněk mezofylových jsou odděleny stěnami impregnovanými suberinem - obsahují agranální chloroplasty - umístěn pouze fotosystém I a cyklický transport e-, jen tvorba ATP - obsahují škrob - velké množství plasmodezmat k propojení s mezofylem - probíhá v nich pouze Calvinův cyklu Buňky mezofylu granální thylakoidy (váže PSII + PSI) = NADPH+H+ a uvolnění O2 netvoří škrob Stavba listu, C4, věnčitá pochva, fotosystém I,buňky mezofylu, Anatomická stavba C4-rostlin (Kranz typ listů) – nemají všechny C4 rostliny, např. Borscowia, Bienertia – 1 chlorenchymová buňka kompartmentována

Redukce v chloroplastech malátdehydrogenasou. CO2 Cytoplasma mezofylu HCO3- + H3PO4 PEP karboxylasa Fosfoenolpyruvát Oxalacetát Chloroplasty mezofylu NADPH NADP+ Malát, mezofyl, C 4 rostliny Malátdehydrogenasa Oxalacetát Malát Redukce v chloroplastech malátdehydrogenasou.

Aspartát Pi Malát Oxalacetát Fosfoenolpyruvát Pyruvát CO2 Mezofylová buňka Aspartát NADPH NADP+ Pi HCO3- ADP ATP Malát dehydrogenasa PEP karboxylasa Pyruvát P dikinasa Malát Oxalacetát Fosfoenolpyruvát Buńky pochev cévních svazků, pyruvát, malát Jablečný enzym NADP+ NADPH +CO2 Calvinův cyklus Pyruvát Buňka pochvy cévního svazku

C4 rostliny a jejích metabolické dráhy - Primárním akceptorem CO2 (ve formě HCO3-) je fosfoenolpyruvát (PEP) - fixace je katalyzována PEP-karboxylasou - probíhá v cytosolu mesofylových buněk (věnčitá anatomie listu) - navázáním HCO3- se tvoří ketokyselina oxalacetát (C4) - redukce malátdehydrogenasou v chloroplastech na malát (kys. jablečná) transport zpět do cytosolu. Metabolická přeměna malátu 1)Malát cestuje plasmodezmaty do buněk pochev cévních svazků 2)V chloroplastech se dekarboxyluje a CO2 se refixuje na RuBP enzymem Rubisco v C-cyklu 3)Zbylý pyruvát cestuje zpět do mezofylových buněk, kde se fosforyluje na PEP. C4 enzymy rovněž regulovány světlem! Malát dehydrogenasa (feredoxin-thioredoxin), PEP-karboxylasa (fosforylace) a pyruvatfosfodikinasa (fosforylace). Fosfoenolpyruvát, malát, plazmodezmata, fosforylace

Výhody a nevýhody fotosyntézy C 4 Energeticky náročné = spotřeba 5 ATP a 2 NADPH na 1 mol CO2. Limitující je intenzita slunečního záření = nízký výkon při nízkém ozáření a nízké teplotě. Výhody: - velmi účinná fixace CO2 PEP-karboxylasou v cytoplasmě mezofylu - zkoncentrování CO2 v buňkách pochvy cévních svazků (suberin) - zvýšená koncentrace CO2 omezuje fotorespiraci - při uvolnění CO2 respirací je ihned vázán PEP-karboxylasou v mezofylu C4 rostliny, energetická náročnost, účinná fixace, suberin,

Rostliny CAM V prostředí s nedostatkem vody – tlusticovité – Crassulaceae (Crassulacean Acid Metabolism) Dvě fixace CO2 - časová kompartmentace - příjem CO2 hlavně v noci - navázání na PEP produkovaný škrobem, který je vytvořený přes den - tvorba oxalacetátu a malátu v cytoplasmě - malát proudí kanály v tonoplastu do vakuoly, kde dochází k jeho hromadění v noci – nižší pH až o 2 Ve dne - průduchy uzavřené - transport malátu zpět do cytoplasmy - uvolnění CO2 dekarboxylací a vstup do C-cyklu v chloroplastech CAM rostliny, časová kompartmentace, Crassulaceae, Rostlinné druhy CAM Tvoří asi 8% krytosemenných (Cactaceae, Euphorbiaceae, Orchideaceae, Bromeliaceae, Liliaceae).

CO2 Stoma v noci Stoma ve dne Stoma ve dne Stoma v noci CO2 PEP H2O Stoma v noci Stoma ve dne Stoma ve dne Stoma v noci -HCO3 Pi Pyruvát Škrob Chloroplast Malát PEP-karoxylasa CO2 Jablečná kyselina Vakuola NADP+ Jablečný enzym PEP Oxaloacetát NADH Calvinův cyklus Triosa P Škrob Chloroplast Stoma, CAM rostliny, malát, vakuola, NAD Malát Jablečná kyselina Vakuola

Mechanismus rytmické fixace - cirkadiální biorytmus rytmické změny v aktivitě PEP karboxylasy a v transportu malátu koncentrace enzymu je stejná ve dne i v noci – je necitlivý po fosforylaci (kinasa a PEP-karboxylasa v noci) k inhibitoru = malátu. ATP ADP Kinasa PEP-karboxylasa inaktivní ve dne Inhibována malátem PEP-karboxylasa aktivní v noci Necitlivá k malátu CAM, cirkadiální biorytmus, fosorylace, PEP-karboxylasa Ser Ser P - OH - o Fosfatása H2O P

C3 C4 CAM Některé důležité rozdíly mezi rostlinami typu C3, C4 a CAM. Anatomická stavba listu Mezofyl rozlišený na houbový a palisádový parenchym Parenchym. pochvy kolem svazků cévních Mezof. buňky s velkými vakuolami Struktura chloroplastů Chloroplasty s grany Chloroplasty s grany i bez gran Chlor. s menším počtem gran Primární produkt fixace CO2 fosfoglycerát oxaloacetát Transpirační koeficient 450-900g H2O na 1g sušiny 250-350g H2O /g sušiny 45-55g H2O /g sušiny Optimální teplota 15-25°C 25-35°C 35-40°C Fotorespirace 1/3 z celkové fotosyntézy Nízká nebo není Velmi malá-žádná. Maxim. hodnoty int. fotosyntézy 15-30µmol m-2s-1 35-40 µmol m-2s-1 1-5 µmol m-2s-1 Maxim.rychlost růstu 0,5 – 2g sušiny na 1 dm2 4-5g sušiny na 1 dm2 0,012 – 0,020g sušiny na 1 dm2 Rozdíly, C3, C4 a CAM, intenzita fotosyntézy, fotorespirace, transpirační koeficient.

DHAP v cytosolu - tvorba sacharosy Tvorba škrobu Výstup metabolitů z Calvinova cyklu do chloroplastů ve formě DHAP nebo glukosa-6-fosfátu výměnou za fosfát Pi v cytosolu (regulace výměny koncentrací Pi) Pi - vysoká koncentrace v cytoplasmě = výměna za triosafosfáty z C-cyklu Pi – nízká koncentrace v cytoplasmě = v chloroplastech vzroste obsah triosafosfátů a dochází k tvorbě škrobu. DHAP v cytosolu - tvorba sacharosy - metabolizuje za vzniku ATP a NAD(P)H Škrob, DAHP, cytosol, anorganický fosfát,

DHAP v cytosolu – tvorba sacharosy Tvorba škrobu Výstup metabolitů z Calvinova cyklu do chloroplastů ve formě DHAP nebo glukosa-6-fosfátu výměnou za fosfát Pi v cytosolu (regulace výměny koncentrací Pi) Pi - vysoká koncentrace v cytoplasmě = výměna za triosafosfáty z C-cyklu Pi – nízká koncentrace v cytoplasmě = v chloroplastech vzroste obsah triosafosfátů a dochází k tvorbě škrobu. DHAP v cytosolu – tvorba sacharosy - metabolizuje za vzniku ATP a NAD(P)H Škrob, DAHP, cytosol, anorganický fosfát,

Cytoplasma GAP Chloroplast DAP CO2 Calvinův cyklus Fruktosa1,6DP Sacharosa-P Sacharosa Pi ATP Pi ADP ATP Fruktosa6P Fruktosa-2,6DP Pi Glukosa6P Glukosa1P UDPG UTP PPi

Tvorba a mobilizace asimilačního škrobu Syntéza v chloroplastu z fruktosa-6-fosfátu Tvorba ADP-Glukosy z glukosa-1-P a ATP Napojení ADPG pomocí škrob-syntasy k řetězci glukosového polymeru za vzniku škrobových makromolekul. Mobilizace škrobu 1) -štěpení fosforylasou v chloroplastech -tvorba triosafosfátů – export z chloroplastů -enzymy aktivní za tmy 2) -štěpení amylolytickými enzymy na glukosu a transport do cytoplasmy Tvorba škrobu, mobilizace škrobu, fosforylasa, amylolytické enzymy,

Celková a čistá fotosyntéza Celková fotosyntéza – množství vázané energie nebo vázané množství CO2 ………….GP Respirace – opak = uvolněné množství energie a CO2 ………….RS Poměr u vojtěšky 9 : 1 v pravé poledne….mění se v průběhu dne za vegetaci činí poměr 2,5 : 1 Čistá fotosyntéza NP = GP – RS Kompenzační koncentrace CO2 - vyrovnání fotosyntézy s respirací Čistá fotosyntéza, celková fotosyntéza, kompenzační koncentrace CO2

Vnější faktory fotosyntézy Ozářenost – rychlost fotosyntézy stoupá s ozářeností po saturační ozářenost, kde se fotosyntéza již nezvyšuje Ozářenost kompenzační – intenzita záření, při kterém je množství spotřebovaného a uvolněného CO2 stejný. Rostliny stínomilné a světlomilné – při nízké ozářenosti mají vyšší rychlost fotosyntézy stínomilné rostliny = mají nižší saturační hladinu ozářenosti. - nízká respirace a vysoká absorpce dopadajícího záření = = zvýšené množství thylakoidů v chloroplastech a zmnožení světlosběrných systémů! Podobné rozdíly jsou u rostlin téhož druhu rostoucích na slunci a ve stínu, mezi horními a spodními listy téže rostliny, v koruně stromů, atd….Zalenského zákon Genetická fixace u obligátně stínomilných rostlin! Vnější faktory fotosyntéza, ozářenost, Rostliny stínomilné a světlomilné

Vysoká ozářenost – destruktivní působení na rostlinu. Regulace absorpce zářivé energie rostlinou – změna polohy chloroplastů v buňce, natáčením listových čepelí Vysoká ozářenost – destruktivní působení na rostlinu. Fotoinhibice – vratné poškození reakčních center PS II přebytkem zářivé energie. Fotooxidace – trvalé poškození světlosběrných systémů. - přenos přebytečné energie na molekulu O2 - vznik aktivních forem kyslíku (peroxidy, hydroxyly, superoxidové radikály), které reagují nespecificky s lipidy, bílkovinami, nukleovými kyselinami, atd. Regulacee ozáření, fotooxidace, fotoinhibice,

Xanthofylový cyklus – přeměna a spotřeba energie Biochemická ochrana rostliny – reaktivní kyslík je odstraňován karotenoidy Xanthofylový cyklus – přeměna a spotřeba energie Superoxiddismutasa – rozkládá peroxid na vodu a kyslík Nová syntéza enzymových bílkovin a pigmentů Biologická obrana – natáčení listových čepelí, rozmístění chloroplastů podél buněčných stěn = rovnoběžnost se slunečními paprsky - epidermis obsahuje anthokyan – absorbce krátkovlnného škodlivého záření - pokrytí listů krycími trichomy Superoxiddismutasa, Xanthofylový cyklus , Biologická obrana, anthokyan

- překonání hraniční vrstvy vzduchu nad listem Voda – základní surovina fotosyntézy, deficit – zavírání stomat (CO2) + inhibice fotochemických a biochemických reakcí. CO2 - koncentrace ve vzduchu je pro rostlinu nízká (3x víc) je ovlivněna prouděním vzduchu a spotřebováváním při plné saturaci zářením. transport CO2 – difuzí - překonání hraniční vrstvy vzduchu nad listem - překonání stomatárního a intercelulárního odporu při vstupu do průduchu - převod do kapalné fáze – na povrchu stěn mezofylových buněk, přes buněčnou stěnu až do místa karboxylace CO2 se podílí na skleníkovém efektu (dlouhovlnné červené záření zemského povrchu) zvýšení teploty o 2-4°C. Zvýšení CO2 z 270 na 360 cm3 m-3 za 100 let. Koncentrace CO2 je ale stále pro rostliny podsaturační. Voda, koncentrace CO2,

Teplota – průběh fotosyntézy při širokém teplotním rozpětí jehličnany -6°C, sinice 70°C, optimum C 3 - 30°C, C 4 - 40°C. Teplota,