Fotosyntéza II. Sekundární procesy – fixace uhlíku Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012 Fotosyntéza II. Sekundární procesy – fixace uhlíku Tomáš Hájek tomas.hajek@prf.jcu.cz Jiří Šantrůček 1

Vše pochází ze slunce …

1684 Člověk když jí, tak roste. Ale z čeho roste strom …? Co jí ? Opět trocha historie na začátek. Otázky, které si kladli ti před námi a jejich odpovědi. Z vody.

Také vyměňuje něco se vzduchem (flogiston) Joseph Priestley (1733-1804) anglický chemik, filozof, duchovní a pedagog. Proslavil se jako objevitel oxidu uhličitého a spoluobjevitel kyslíku. Hájil flogistonovou teorii. Flogiston=substance, která ozdravuje vzduch „vitiated by animal respiration“ Ale nejen z vody … Také vyměňuje něco se vzduchem (flogiston) 1770 Justus svobodný pán von Liebig, německý chemik: zajímavé počtení na Wikipedii: http://cs.wikipedia.org/wiki/Justus_von_Liebig Ingen-Housz: jen zelené části rostlin mají tuto schopnost (1779) 1840 Justus von Liebig: jediným zdrojem uhlíku pro rostliny je CO2 v atmosféře

Asimilace CO2 rostlinami Melvin Calvin, Andrew Benson a James A. Bassham „Lízátko“ pánů Melvin Calvin, Andrew Benson a James A. Bassham. Padesátá léta 20. století. Objev cyklu fixace uhlíku do tříuhlíkatých cukrů (triózofosfáty) - Calvinův cyklus. První stabilní produkt 3-fosfoglycerová kyselina (3-PGA). Credit: http://photos.lbl.gov/viewphoto.php?albumId=125729&imageId=4642176 M. Calvin (1911–1997) Nobelova cena za chemii 1961

Calvin-Bensonův cyklus (PCR = Photosynthetic Carbon Reduction)

Fotosyntetické procesy v chloroplastech - souhrn

Schéma a stechiometrie Calvinova cyklu Jaká je energetická potřeba pro fixaci jedné molekuly CO2? Která fáze je energeticky nejnáročnější? Rubisco fosfoglycerát Na 3 mol CO2 Redukce: 6 ATP 6 NADPH Regenerace: 3 ATP Tři fáze Calvinova cyklu: karboxylace, redukce a regenerace ribulosa-1,5-bisfosfátu (RuBP). Energetická potřeba pro fixaci jedné molekuly CO2 jsou 3 ATP a 2 NADPH (na tři molekuly CO2, a tedy jednu nově vytvořenou triózu je to trojnásobek). Karboxylace je karboxylací proto, že se RuBP karboxyluje oxidem uhličitým. Redukcí se míní redukce kyseliny na aldehyd, glycerátu (glycerové (dihydroxypropionové) kyseliny) na glyceraldehyd. V regenerační fázi se regeneruje glyceraldehyd (5 molů po třech uhlících = 15 uhlíků) na RuBP (3 moly po 5 uhlících = 15 uhlíků). Z cyklu odchází trióza - fosfogyceraldehyd (glyceraldehyde phosphate, GAP). Ribulosa-1,5-bisfosfát (RuBP) je ketopentóza, čili monosacharid, který obsahuje 5 atomů uhlíku a keto skupinu; navíc je ale na obou koncích navázán přes esterovou vazbu fosfát (fosforečnanový aniont). PGA = fosfoglycerát, čili tříuhlíkatá glycerová kyselina s navázaným fosfátem. Vzniká rozpadem produktu karboxylace, protože jakmile se CO2 naváže na RuBP, vzniklá šestiuhlíkatá molekula je nestabilní a rozpadne se na dva PGA. 1 CO2: 3 ATP + 2 NADPH fosfoglyceraldehyd

V jaké stabilní molekule se prvně objeví nově asimilovaný uhlík?

A zase trochu jinak, tentokrát česky s obrázkem z Wikipedie

Ale co enzymy? RUBISCO

Rubisco RuBisCO nebo názorněji (byť nesprávně) 8 malých podjednotek (červeně, viditelné 4) a osmi velkých podjednotek (modře a zeleně dimery). Katalytické centrum je na velkých, které jsou kódovány v DNA chloroplastu. Malé jsou kódované v jádře. Je to nejčetnější protein na Zemi (cca polovina proteinů v rostlině – je totiž velmi pomalý). Kofaktorem je atom horčíku (Mg2+). Ribulosa-1,5-bisfosfát karboxyláza oxygenáza (Rubisco). Karboxylační enzym rozpuštěný ve stromatu chloroplastů. Nejvíce zastoupený enzym v chloroplastech, rostlinách a patrně i v celé biosféře Země (na každého z nás lidí prý připadá 10 kg dusíku, který je „angažován“ v Rubisco). L podjednotka 56 kD, kódována v chloroplastu. S podjednotka má 14 kD a je kódována v jádře, transportována do chloroplastu, kde se sestavuje celý enzym. Jeden ze tří enzymů unikátní Calvinovu cyklu (a rostlinám). Má také oxygenázovou aktivitu – viz fotorespirace. Substrátem pro obě aktivity je pentóza ribulóza-1,5-bisfosfát (RUBP). Je velmi pomalý v asimilaci CO2 (1-12 obratů za sekundu)

1. 3. 2. Tři kroky nutné pro to, aby RuBisCO mohla karboxylovat RuBP (aktivace). Odštěpení fosforylovaného cukru 1. 3. Vazba Mg (z tylakoidů) Protože je nutné Rubisco aktivovat, je nástup fotosyntetické fixace CO2 pomalý (fáze indukce – musí se rozběhnout primární procesy) Výsledkem nutnosti RuBisCO aktivovat je pomalý nástup fotosyntetické fixace CO2 (fáze fotosyntetické indukce) po vystavení listu světlu. Jak se na světle začnou čerpat protony ze stromatu do lumen tylakoidů (viz Z-schéma v předchozí přednášce), ve stromatu se pH zvýší z pH 7 na 8 a tím se zvýší aktivita RuBisCO, které má optimum až někde u pH=9. Navíc až se změnou pH se z tylakoidů vylijí hořečnaté ionty, nutné pro aktivaci RuBisCO. RuBisCO, ale i další enzymy Calvin-Bensonova cyklu jsou závislé na aktivaci světlem (proto dnes již nepoužíváme termín „temnostní“, ale např. „sekundární“ fáze fotosyntézy). Toto schéma výše uvedené se ale dopodrobna učit určitě nemusíte  karbamylace na lyzinu v RC 2.

Fotorespirace Na RuBisCO soutěží o vazbu CO2 a O2 (Karboxylace nebo Oxygenace) CO2 O2 Glykolát = kyselina glykolová = hydroxyoctová kyselina Fotorespiraci si nepleťte s respirací. Respirace je čistě mitochondriální proces, u rostlin fungující v podstatě stejně jako u živočichů. PCR cyklus Glykolátový cyklus = tzv. fotorespirace H-C-OH CO2

První stabilní produkty oxygenace RuBisCO RuBisCO Rubisco katalyzuje jak karboxylaci, jejímž prvním stabilním produktem jsou dvě molekuly 3-PGA (3-fosfoglycerová kyselina), tak oxygenaci, která vede k produkci fosfogykolátu a molekuly 3-PGA. 3-PGA jde dále do Calvinova cyklu k syntéze šestiuhlíkatých cukrů - hexóz. Fosfogykolát se zpracovává v tzv. glykolátovém cyklu, v procesu nazývaném fotorespirace. První stabilní produkty asimilace CO2

V peroxizómech V mitochondriích RuBisCO Fosfogykolát se zpracovává v tzv. glykolátovém cyklu, v procesu nazývaném fotorespirace. Ten je dost složitý, zjednodušeně: začíná chloroplastech, odkud odchází jedovatý dvou-uhlíkatý glykolát do peroxizómů (obecně „detoxifikační“ organely, Oxygen cycle na obrázku). Cyklus pokračuje v mitochondriích (přes aminokyseliny, odtud ten Nitrogen cycle v obrázku) a vrací se do peroxizómů. Nakonec se do chloroplatů vrací tříuhlíkatý glycerát, který vstupuje do Calvinova cyklu. Nicméně se v tomto cyklu jeden fixovaný uhlík „ztratí“ v podobě CO2. V peroxizómech V mitochondriích

Fotorespirace u Chlorofyt (zelené řasy) a Streptofyt (pokročilé zelené řasy a „normální“ suchozemské rostliny, které se z těchto řas vyvynuly. Peroxizóm je tedy vynálezem až u Streptofyt. Popisek: Photorespiration pathways of Chlorophyta and Streptophyta. The major metabolites of the photorespiration pathway of chlorophytes and streptophytes are shown. For simplicity, dephosphorylation/phosphorylation steps and most cofactors have been omitted. The major difference is highlighted in red. Chlorophytes use a mitochondrial glycolate dehydrogenase (producing NADH + H+) and streptophytes use a peroxisomal glycolate oxidase (producing H2O2) for the conversion of glycolate to glyoxylate). Trends in Plant Science April 2013, Vol. 18, No. 4

K čemu fotorespirace je vůbec dobrá? Co je důsledkem oxygenační aktivity Rubisco? Fotosyntéza bez fotorespirace Fotorespirace může být vnímána jako relikt z dob, kdy v atmosféře bylo málo kyslíku/hodně CO2, tedy kdy oxygenázová aktivita RuBisCO byla minimální. Dnes C3 rostliny ztrácí cca třetinu uhlíku ve fotorespiraci. Obrázek: Rychlost C3 fotosyntézy má za optimálnách podmínek při nějaké saturační ozářenosti své maximum. Kdyby neexistovala fotorespirace, rychlost fotosyntézy by ještě stoupla. Kdybychom zvýšili koncentraci CO2 ve vzduchu a/nebo snížili koncentraci kyslíku, fotosyntéza by vzrostla ještě více, až na hranici biochemických schopností fotosyntetického aparátu. Dokonce při zvýšené koncentraci CO2 a/nebo snížené koncentraci kyslíku je fotorespirace zanedbatelná. Proto si některé rostliny vyvinuly mechanismus, jak tohoto dosáhnout – C4 fotosyntézu. Fotorespirace může být ale chápána i jako mechanismus chránící fotosyntetický aparát před nadbytečnou excitační energií, která se kontrolovaně „neutralizuje“ v glykolátovém cyklu.

CO2 koncentrační mechanismy, C4, CAM Do teď jsme se bavili o tzv. C3 fotosyntéze, neboť výsledkem primární fixace CO2 je 3-uhlíkatá molekula PGA (fosfoglycerát, 3-fosfoglycerová kyselina).

Kdy nebo kde měly nebo mají rostliny v přírodě málo CO2 ? Opravdu málo CO2 v atmosféře mají rostliny dnes (přesněji ještě před průmyslovou revolucí). Řešení: C4 metabolizmus. A nebo jinak – málo CO2 se dostává do chloroplastu když jsou zavřené průduchy, čili když je nedostatek vody (většinou tam, kde je teplo). Řešení: CAM metabolizmus. 400 ppm 22

C3 anatomie listu oleandru Zatímco hlavní fotosyntetické pletivo u C3 rostlin je palisádový mezofyl uspořádaný pod svrchní stranou listu, u C4 rostlin je to pletivo mezofylu (M) a přilehlých věnčitých buněk (BS) uspořádané kolem cévního svazku (V). Mezofylové a věnčité buňky spolupracují – v mezofylových buňkách dochází k primární fixaci CO2 enzymem PEP-karboxyláza, vzniká čtyřuhlíkatý oxalacetát (odtud C4), který putuje do věnčitých bb., kde se CO2 uvolní a refixuje jej Rubisco. Dole: Cross section of a maize leaf displaying Kranz anatomy. V: vascular bundle (cévní svazek); BS: bundle sheath cell (věnčitá buňka pochev cévních svazků); M: mesophyll cell (mezofylová buňka). C4 anatomie listu kukuřice

Procesy C4 fotosyntézy a jejich rozdělení v buňkách Mezofylová buňka Věnčitá buňka Mezofylové a věnčité buňky spolupracují – v cytoplazmě mezofylových buněk dochází k primární fixaci CO2 – předněji řečeno hydrogenuhličitanového aniontu HCO3– na tříuhlíkatý PEP fosfoenolpyruvát, čímž vzniká čtyřuhlíkatý oxalacetát (odtud tzv. C4 metabolismus). To se děje díky vysoké afinitě PEP karboxylázy vůči CO2. Oxalacetát se zredukuje se na malát a ten po spádu koncentračního gradientu putuje do věnčitých buněk, kde se CO2 uvolní. Ve věnčitých bb. se udržuje vyšší koncentrace CO2 a nižší koncentrace O2 (kyslík se vyvíjí převážně v mezofylových bb.). Díky tomu tam dochází ke klasické fixaci CO2 v Calvinově cyklu, jak ji známe u C3 rostlin, ale bez oxygenázové aktivity Rubisca, čili bez fotorespirace.

Procesy C4 fotosyntézy a jejich rozdělení v buňkách Všechno ovšem něco stojí. Provozovat PEP karboxylázu stojí 2 ATP/fixovanou molekulu CO2, čili C4 rostliny musí doplatit ke 3 ATP za to, že předejdou fotorespiraci. Fotorespirace také stojí 1-2 ATP, takže za současných podmínek C4 metabolizmus neztrácí. C4 rostliny převládají v subtropech a tropech, kde vysoké teploty nahrávají oxygenázové aktivitě Rubisca.

C4 fotosyntéza a změny CO2 v atmosféře: čím více tím hůře C4 profit C3 profit

Jaký je klíčový enzym C4 fotosyntézy ? Jaké ekologické prostředí preferují C4 rostliny?

Crassulaceae Acid Metabolism CAM rostliny Crassulaceae Acid Metabolism

CAM rostliny Zatímco C4 rostliny mají primární a sekundárná fixaci CO2 (pomocí PEPC a Rubisco) oddělenou prostorově, CAM rostliny ji oddělily v čase. Ve dne, kdy je velký výpar, CAM rostliny musí šetřit vodou a mají tudíž zavřené průduchy. Přesto nevyhladoví, jelikož na noc průduchy otevírají a přijímají CO2, které je opět v podobě hydrogenuhličitanu fixováno v cytoplazmě pomocí PEPC. Vzniklý čtyřuhlíkatý malát je uskladněn ve vakuole téže buňky, odkud je přes den pak transportován do chloroplastu, kde uvolní CO2, které vstupuje do Calvinova cyklu. CAM metabolismus je do značné míry věcí aklimatizace, rostlina ho může a nemusí využívat, záleží na podmínkách prostředí. Bylo dokonce pozorováno, že na jediné rostlině mohou v různých listech probíhat oba typy metabolizmu – CAM a C3.

Produkce cukru a škrobu, asimiláty

Sucrose = sacharóza, disacharid glukóza + fruktóza (dvou šestiuhlíkatých cukrů) Maltóza = disacharid, dvojice glukóz

Faktory prostředí a fotosyntéza

Faktory prostředí a fotosyntéza Glacial 150 ppm CO2 Pre-industry 270 ppm Current 350 pm Fig. 2 Representative plants of Abutilon theophrasti (C3) grown at glacial through future [CO2]. All plants were 14 d of age and were grown under similar water, light, and nutrient conditions. These plants were photographed during a study by Dippery et al. (1995). (Photograph is courtesy of Anne Hartley, Florida Gulf Coast University.) (Gerhart & Ward, New Phytol. 2010) Ale CO2 není zdaleka vše. Pokud není dostatek živin, CO2 nemusí být limití pro růst. Future 700 ppm 33

CO2 křivka fotosyntézy Světelná křivka fotosyntézy

Shrnutí Jediným zdrojem uhlíku pro rostliny je CO2 v atmosféře (Liebig 1840) Calvinův cyklus: Fáze, klíčový enzym, substrát, produkt a energetická náročnost; stechiometrie fixace CO2 Vlastnosti Rubisco, fotorespirace (O2 závislost, kompartmentace v buňce); aktivace Rubisco C4 fotosyntéza; biochemické, anatomické rozdíly proti C3 rostlinám; ekologické důsledky, biodiverzita, globální produkce C4 rostlin CAM – rozdíly proti C4 fixaci CO2 Od triozofosfátů ke škrobu a sacharóze Závislost rychlosti fotosyntézy na ozářenosti a na koncentraci CO2