Metabolismus a regulace rostlinné buňky

Prezentace na téma: "Metabolismus a regulace rostlinné buňky"— Transkript prezentace:

1 Metabolismus a regulace rostlinné buňky

2 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

3 Celková biomasa všech skupin organismů

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

5

6 Calvin-Benson-Bassham cyklus
Melvin Calvin ( ) Andrew Benson ( )

7 Calvinův cyklus

8 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

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

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

11 Glutathion DNA/RNA heterotrofní buňka

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

13 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

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

15 Termodynamika fixace dusíku – Gibbsova rovnice
N2 + 3H2 => 2NH3 ΔG = DH (-92) (298 x ) = 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.

16 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

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

18 Fixace dusíku v oceánech – sinice Trichodesmium

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

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

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

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

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

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

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

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

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

28 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

29 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

30 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

31 Proteazóm Eukaryot Protein určený k degradaci

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

33 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

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

35 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

36 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

37 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

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

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

40 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

41 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

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

43 Struktura fytochrómu

44 Aktivovaný fytochrom mění expresy genů v jádře
WT phyA mutant

45 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