Úvod

Sylabus (Fischer, Šantrůček) 1. Úvod Celkový přehled hospodaření rostlin s energií. Základní principy přeměny energie. Energetický metabolismus rostlin - fotosyntéza a respirace. Anabolické a katabolické procesy – NADPH, NADH, ATP. 2. Primární procesy fotosyntézy Záření, fotony, fotosyntetické pigmenty. Účinnost fixace sluneční energie rostlinami. Absorpce energie kvanta molekulou chlorofylu. Světelné reakce fotosyntézy. Fotosyntetický přenos elektronů (cyklický a necyklický). Štěpení vody, PSII, cytochromový b6f komplex, PSI. Mobilní přenašeče. Protonový gradient – sumarizace, využití pro fotofosforylaci. Chlororespirace. 3. Fotosyntetický aparát – struktura a evoluce Evoluce fotosystémů a anténních komplexů. Chloroplasty - thylakoidní membrána - struktura, funkce, Fotosyntetické struktury Prokaryot, původ plastidů různých skupin Eukaryot. Genom plastidů, dynamika, transport proteinů z cytoplasmy. Změny během ontogenese. 4. Fotoinhibice, fotoprotekční mechanismy, energetická bilance listu a porostu Fotoinhibice, fotopoškození a ochranné mechanismy. Xanthofylový cyklus. Fluorescence chlorofylu. Energie přijímaná, vydávaná a pohlcená listem a porostem.

5. Fotosyntetická fixace CO2, fotorespirace Calvinův cyklus, rubisco, oxygenázová aktivita Rubisco, specifitní faktor, regulace aktivity enzymů. Fotorespirace. Tvorba a degradace škrobu, tvorba sacharosy, transport asimilátů z chloroplastů. 6. Metabolismus C4 a CAM Příklady mechanismů redukce oxygenázové aktivity rubisco, strukturně funkční adaptace u C4 a CAM rostlin. 7. Průduchy a příjem CO2 Cesta CO2 do listu. Průduchy - stavba, výskyt a četnost průduchů. Transpirační koeficient. Signální úloha světla. Mechanismy otevírání a zavírání průduchů. Vliv vnějších a vnitřních faktorů. 8. Respirace Úloha dýchání při růstu rostlin, vztah dýchání a fotosyntézy. Základní struktura mitochondrií. Biochemie a fyziologie dýchání. Pentózafosfátová dráha. Alternativní oxidáza a nefosforylující NAD(P)H dehydrogenázy. 9. Fyziologie a regulace fotosyntézy Rychlost čisté a hrubé fotosyntézy. Vliv světelného záření, koncentrace CO2 a O2, teploty. Koordinace metabolismu. Redoxní signalizace. Signální molekuly – PQ, thioredoxin, ROS, askorbát, glutathion. Koordinace světelných reakcí a fixace CO2. Regulace genové exprese.

Energie v živých systémech Formy Příjem Výdej Přeměny

Formy energie Mechanická (vnější) - kinetická, potenciální (gravitace) Vnitřní - (jaderná energie) - tepelná energie (teplota – pohyby molekul, interakce mezi molekulami) - chemická energie (vazby mezi atomy - elektrony, orbitaly) - uspořádanost - gradienty - elektrická, … Elektromagnetické záření

(výměna s okolím – přenosy) Změny vnitřní energie (výměna s okolím – přenosy) - elektromagnetické záření - teplo Wienův zákon posuvu

Příjem energie - zdroje Chemická energie v přijatých látkách Elektromagnetické záření (FAR, tepelné) Teplo přijaté z okolí Přirozené gradienty látek (např. rozdíly ve vodním potenciálu)

Výdej energie Chemická energie v uvolněných látkách Teplo odevzdané do okolí (skupenské teplo vypařování) Elektromagnetické záření (FAR, tepelné) Vytváření gradientů látek (např. osmotických potenciálů)

Přeměny energie (výčet jistě není úplný :-) Elektromagnetické záření – chemická energie – energie gradientů – tepelná energie Energie gradientů – transport Chemická energie – mechanická energie molekulárních motorů Tepelná energie – energie gradientů, chemická, záření

Přeměny energie při fotosyntéze Elektromagnetické záření – chemická energie: P680 + chl a2 → P680+ + chl a2- Chemická energie – chemická energie: elektrontransportní řetězec (voda + ox. feredoxin + P680+ + chl a2- → kyslík + red. feredoxin + P680 + chl a2 ) – energie gradientů: elektrontransportní řetězec (část energie elektronů → H + gradient) Energie gradientů – chemická energie: H + gradient + ADP + Pi → ATP

Přeměny energie Energie gradientů – chemická energie (syntéza ATP) – energie gradientů (sekundární aktivní transport) - iontů (stačí elektrický gradient) - nenabitých částic (nutný symport, či antiport) – transport (kořenový vztlak, objemový tok asimilátů) Elektrochemický transmembránový potenciál iontů (H+) – elektrická složka – gradient látky Nernstova rovnice: E= 2,3.RT / F.z * log c1 / c2 z = náboj, F= Faradayova k., R – univerzální plyn. k., T - teplota při 25°C: E = 0,059V / z * log c1 / c2 (rovnovážný stav: 0,059 V při rozdílu koncentrací 1:10 pro z=1)

Přeměny energie Chemická energie – energie gradientů – primární aktivní transport protonové pumpy: ATPázy (F- type: ATP-synthase, V-, P-type) PPi (tonoplast)

Keq = [C]c[D]d/[A]a[B]b Přeměny energie Chemická energie – chemická energie - propojení reakcí endergonických a exergonických: aA+bB = cC+dD Určení směru reakcí – změna Gibbsovy volné E: G’ 0 = RT . ln K’eq = změna volné E při stand. podmínkách (pH 7, 25°C, 1M koncentraci všech složek!!! – určuje poměr složek reakce v rovnovážném stavu Skutečná změna E a tedy směr reakce záleží na c složek! Keq = [C]c[D]d/[A]a[B]b

Příklady standardních změn volné energie Souvislost s Keq

Přeměny energie – pohánění reakcí Chemická energie – chemická energie - spřažení endergonických a exergonických reakcí (hydrolýzy ATP) – zajištěno aktivním místem enzymu – výsledná změna G je součtem změn G dílčích reakcí AMP~P~P  AMP~P + Pi AMP~P  AMP + Pi případně: AMP~P~P  AMP + P~P P~P  2 Pi (lze i využít např. PPi-dependent 6-P-fructokinase)

Spřažené reakce Spřažené reakce na jednom enzymu: ATP + H2O  ADP + Pi DGo' = -31 kJ/mol Pi + glucose  glucose-6-P + H2O DGo' = +14 kJ/mol ATP + glucose  ADP + glucose-6-P DGo' = -17 kJ/mol Reakce spřažené společným reaktantem (dva enzymy): 1: A + ATP  B + AMP + PPi DGo' = + 15 kJ/mol 2: PPi + H2O  2 Pi DGo' = – 33 kJ/mol Souhrnná reakce: A + ATP + H2O  B + AMP + 2 Pi DGo' = – 18 kJ/mol

Spřažené reakce - možnost využití velkého množství E Substrátová fosforylace ADP Vazba CoA- využití E v následné spřažené reakci

odbočka: Termodynamika x kinetika Termodynamická uskutečnitelnost nevypovídá o skutečném běhu a kinetice! reakce mohou mít vysokou aktivační energii – nutnost katalyzátoru (enzymu) – G je ale stejná! vysoká aktivační energie je nutná u hydrolýzy sloučenin s makroergními vazbami (ATP)!

Elektonegativita prvků Oxidace a redukce v živých systémech klíčové procesy metabolismu – předávání energie ve formě elektronů Postupné redukce/oxidace uhlíku (při přeměně anorganického uhlíku na organický) CO2 R-COO- = -COOH -CHO -CH2OH -CH3 Elektonegativita prvků H: 2,2 < C: 2,55 < O: 3,44

Oxidace a redukce v živých systémech Přímý přenos samotného elektronu: Fe2+ + Cu2+ = Fe3+ + Cu+ Přenos dvou atomů vodíku: AH2 = A + 2e- + 2H+ B + 2e- + 2H+ = BH2 -------------------------------- AH2 + B = A + BH2 Přenos atomu vodíku a elektronu (H-) – opět 2e- (př. NAD-dehydrogenázy) Přímá inkorporace kyslíku do organické molekuly (nepřímo opět 2 atomy H)

Oxidace a redukce organických látek CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3 Redukce za „spotřeby“ NADPH oxidace produkující NADH NADH (FADH2) - především přenašeče elektronů do dýchacího řetězce NADPH – anabolické reakce Redukované formy vznikají: fotosyntézou, oxidativními reakcemi

NAD(P)+/NAD(P)H NAD+ + 2e- + H+  NADH NAD+ + 2e- + 2H+  NADH + H+

Redoxní potenciál G’ 0 = - z.F. E’ 0 určuje změnu volné energie (G) v jednoduchých redoxních reakcích G’ 0 = - z.F. E’ 0

NADH x NADPH NAD+ – přednostní využití v katabolismu NADPH – přednostní využití v anabolických reakcích G’ 0 = - z.F. E’ 0 závisí na koncentraci - stejná pro NADH i NADPH E’ 0 orientační poměr v buňce NAD+ + H+ + 2 e- → NADH -0.320 NAD+:NADH cca 30:1 NADP+ + H+ + 2 e- → NADPH NADP+:NADPH cca 1:50

Oxidace a redukce organických látek - hospodaření s energií při redukcích: někdy dochází k fosforylaci substrátu (je-li potřeba dodání další energie k proběhnutí reakce) při oxidacích: někdy dochází k fosforylaci produktu může docházet k substrátové fosforylaci či vazbě CoA (uchování energie – využití v další reakci) může být tvořen protonový gradient

Fotosyntéza (chloroplasty) Dýchání (mitochondrie) Energetický metabolismus rostlin Fotosyntéza (chloroplasty) Dýchání (mitochondrie) zdroje energie a jejich dostupnost orgánové a pletivové rozdíly (kořen, prýt, pokožka, …) změny ve vývoji a diferenciaci vliv dostupnosti vody a výživy denní, sezónní změny nutnost komplexní regulace metabolismu (aktivity chloroplastů a mitochondrií) a výstavby struktur (na úrovni celých rostlin i jednotlivých buněk)

Spotřeba energie v rostlině (fixovaná světelná či uvolněná dýcháním) Růst – tvorba biomasy (přeměna sacharidů na složky rostliny) - spotřeba úměrná produkci asimilátů (ztráta cca 25 % produkce PG) (2) Udržování struktur („bazální metabolismus“) - spotřeba úměrná hmotnosti bílkovin (u bylin i sušiny) na udržování živých struktur rostlina denně prodýchá 1 – 2 % hmotnosti své biomasy (platí pro byliny) (3) Transport – vstup (opětovný vstup) a výstup z floému (4) Aktivní příjem minerálních živin - zejména NO3- (5) Asimilace minerálních živin (zabudování do organických sloučenin, zejména redukce nitrátů) ….

Změny alokace sušiny do jednotlivých orgánů během vegetace u pšenice Larcher, 2001

CO2 O2 Fotosyntéza Dýchání Energie záření teplo BIOMASA chem. energie (ATP, NAD(P)H) teplo CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3 Redukce za „spotřeby“ NADPH oxidace produkující NADH (FADH2)

Fotosyntéza Respirace Zdroj energie – ATP, NADPH (redukční síly), transport vody Zdroj metabolitů – anabolismus Respirace Zdroj energie – NADH, ATP (v noci,u nezelených pletiv), tepla Zdroj metabolitů – u všech buněk (pro anabolismus) Regulace – disipace nadbytečné energie ATP, obnovování NAD+ (dýchací řetězec) + oxidativní pentózofosfátová dráha (zdroj NADPH) (oxidace a dekarboxylace bez spotřeby kyslíku)

Respirace je nezbytná i u zelených buněk - dýchání v buňkách obsahujících choroplasty je na světle inhibováno jen na cca 30 % stavu za tmy Význam: tvorba uhlíkových skeletů (např. pro asimilaci N) regulace - disipace energie NADH (při fotorespiraci) - ATP pro syntézu sacharózy

Schéma základního energetického metabolismu rostlinné buňky Fotosyntéza Fotochemie Calvinův cyklus Respirace Glykolýza + -oxidace Krebsův cyklus Dýchací řetězec Pentóza-fosfátový cyklus (OPPP) Transport asimilátů, tvorba škrobu

energetického metabolismu rostlinné buňky Základní regulace energetického metabolismu rostlinné buňky - na biochemické úrovni mezi cytoplasmou, chloroplasty a mitochondriemi (např. redox signalizace) - na úrovni genové exprese mezi genomem, plastomem a chondriomem

Signalizace z chloroplastu (ukázka) MDH – malát dehydrogenáza; FNR – ferredoxin-NADPH reduktáza; FTR – ferredoxin-thioredoxin reduktáza; Fd – ferredoxin, Trx – thioredoxin, Grx – glutaredoxin; RNS – reaktivní formy dusíku

Vzájemná regulace metabolismu mezi organelami Redoxní stav - NAD(P)/NAD(P)H a poměr ADP/ATP - určení směru mnoha zvratných reakcí! - kofaktory v klíčových reakcích Vzájemná regulace metabolismu mezi organelami

Redoxní stav NAD(P)/NAD(P)H: - vyrovnávání především antiportem metabolitů - specifické signály

Jednoduché oxidoredukční děje zprostředkované přenosem e- (metaloproteiny) FeIII+ / FeII+ hem - cytochromy, Fe-S – Rieskeho protein, ferredoxin, … CuII+ / CuI+ např. plastocyanin

mitochondiální membráně Přenašeče e- a H+ v tylakoidní a mitochondiální membráně chinon plastochinon semichinon ubichinon, koenzym Q10 hydrochinon = chinol