Fyziologie rostlin LS Fotosyntéza. Lukáš Fischer

Transkript

1 Fyziologie rostlin LS 2013 Fotosyntéza Lukáš Fischer

2 Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa FOTOSYNTÉZA Fotosynteticky aktivní záření (FAR): 400 až 700 nm

3 Vliv záření na rostliny: 1. Přímý: (a) Umožňuje fotosyntézu (FAR: 400 až 700 nm) (b) Ovlivňuje vývoj rostlin (např. fotoperiodismus) (c) Určuje směr růstu (fototropismus) (d) Modifikuje fotosyntetické struktury (UV, FAR, IR) (e) Poškozuje struktury (UV, nadměrná intenzita) Rozhodující parametry: intenzita a směr záření, spektrální složení, délka světelné periody 2. Nepřímý: Ovlivňuje počasí a klima Země i mikroklima dané lokality

4 Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa FOTOSYNTÉZA Zásadní význam v globálním cyklu uhlíku (CO 2 je skleníkový plyn)

5 Nárůst obsahu CO 2 v atmosféře o 20-25% za posledních 50 let (r ppm) - pufrován fotosyntézou!

6 Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa FOTOSYNTÉZA Význam fotosyntézy během vývoje planety: - sinice obohatily atmosféru o kyslík - umožnily rozvoj života na pevninách (ozónová vrstva x UV) - rostliny a sinice trvale obnovují kyslík v atmosféře - zpřístupnění energie záření ostatním organismům (biomasa)

7 Fotosyntéza během vývoje panety (sinice) Lawlor, 1993

8 Zdroj e - a H + H 2 O (H 2 S aj.) min. 8 fotonů/co 2 Vedlejší produkty O 2, S, Fotochemie (světelná fáze) Fixace CO 2 (temnotní fáze) Ale také redukce nitrátů, síranů, ap. H 2 O cukry (C 6 H 12 O 6 )

9 Univerzální přenašeče chemické energie NADH (FADH 2 ) - především přenašeče elektronů do dýchacího řetězce NADPH anabolické reakce Redukované formy vznikají: fotosyntézou, oxidativními reakcemi ATP vzniká fosforylací ADP: 1. substrátová (přenos ze substrátu) 2. ATP syntázou (gradient protonů)

10 Postupné redukce/oxidace uhlíku (při přeměně anorganického uhlíku na organický) CO 2 R-COO - = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3 Elektonegativita prvků H: 2,2 < C: 2,55 < O: 3,44

11 Oxidace a redukce v živých systémech (vždy dvěma elektrony a dvěma protony = 2 atomy vodíku) Redukce za spotřeby NADPH+H + CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3 oxidace produkující NADH+H + při redukcích: někdy dochází k fosforylaci substrátu (je-li potřeba dodání další energie k proběhnutí reakce) při oxidacích: někdy dochází k fosforylaci produktu (slouží k uchování energie využita v další reakci či k fosforylaci ADP)

12 Obecný význam fotosyntézy Absorpce záření

13 Sluneční záření Ultrafialové (UV, < 400 nm) Fotosynteticky aktivní radiace (FAR, PAR, 400 až 700 nm) Infračervené (>700 nm)

14 Spektrum slunečního záření

15 E = h. c / λ - energie 1 fotonu h: Planckova konstanta (6, J s) c: rychlost světla ve vakuu ( km s -1 ) λ: vlnová délka E A = E. N Trocha fyziky: Energie světelného záření E A420 = 292 kj mol -1 E A680 = 176 kj mol -1 - energie 1 kvanta fotonů N: Avogadrovo číslo (6, mol -1 )

16 Asimilace záření listem = pohlcení fotonu elektronem pigmentu (= zvýšení energie e - ) Dopadající sluneční záření LIST Procházející záření S T transmitance t=s T /S Odražené záření S R reflektance r=s R /S Proč jsou rostliny zelené?

17 Rostliny jsou zelené (a infračervené )

18 Účinnost využití slunečního záření ve fotosyntéze (%) Zeměkoule, celý rok.0,1 Porost, celý rok..1 až 2 Porost během vegetace..2 až 5 List v optimálních podmínkách 5 až 8 Teoretické maximum z absorb. FAR...cca 20 až 35 Limitace - využitelnost záření ve fotosyntéze - dostupnost CO 2, vody, živin - transport a distribuce asimilátů,

19 Absorpční spektra fotosyntetických barviv (= účinnost pohlcování fotonů příslušné vlnové délky) 1 bakteriochlorofyl a 2 chlorofyl a 3 chlorofyl b 4 fykoerythrin 5 βkaroten

20 Chlorofyly Karotenoidy Fykobiliny - nízká fixace, ochrana před ROS

21 Chlorofyl d? Larkum A. W. D., Kuehl M.: Chlorophyll d: puzzle resolved. TRENDS in Plant Science Vol.10 No.8 August : ruduchy (?artefakt) 2005: sinice Acaryochloris, minimum FAR, více IR (mj. epifyticky na ruduchách)

22

23 Osudy energie fotonu po jeho absorpci molekulou chlorofylu Uvolnění elektronu v RC - fotochemie Přenos energie na další molekulu pigmentu Reakce s O 2 Disipace (teplo)

24 Světlosběrné komplexy fotosystémů absorbce fotonů jednotlivými molekulami pigmentů je málo účinná LHC monomer: 3 TM helixy, 14 x chl a a b, 2-4 x karotenoid

25 Absorpce fotonu v anténních komplexech - přenos energie FRET (Förster resonance energy transfer) mezi molekulami pigmentů (karoteny chl b chl a) - mnoho molekul chlorofylu (a,b) a jiných pigmentů absorbuje fotony, ale k separaci (uvolnění) elektronu dochází jen u jediné molekuly chl a vázané v reakčním centru!!! Chlorofyly reakčních center značeny dle max. vlnové délky fotonu využitelné k jejich přímé excitaci a separaci náboje (e - ) Reakční centra: RC PS II: P680 RC PS I: P700 Purpurové baktérie: P870 (bakteriochlorofyl)

26 Fluorescence chlorofylu: za optimálních podmínek: 80 % absorbované světelné energie použito pro fotochemii (= separace elektronu využití energie na syntézu ATP a redukci NADP+) 3 5 % re-emitováno v podobě fluorescence (pokud je elektron delší dobu v excitovaném stavu!) Využívá se k měření účinnosti fotosyntézy (vyšší výtěžek fluorescence = nižší účinnost fotochemie) cca 15 % vyzářeno v podobě tepla zahřívání listu

27 Energetická bilance listu V noci hraje významnou roli i tvorba rosy a příjem IR záření z okolí.

28 Charakteristika a absorpce záření Chloroplast

29 Rostlinná buňka

30 Mereschkowsky C.: Über Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche. Biol. Centralbl. 25: , 1905 Konstantin Sergejevič Merežkovskij ( ) Stěžejní publikace o endosymbiotickém původu chloroplastů (před více než 100 lety)

31 Chloroplast elektronový mikroskop J. Kutík červená fluorescence chloroplastů svěracích buněk průduchů bramboru (zelený fluorescenční protein v jádře a cytoplasmě)

32 Tylakoidy: - granální - agranální (stromatální) - odlišné zastoupení proteinových komplexů

33 Přeměny a funkční specializace plastidů Chloroplast Etioplast Gerontoplast Leukoplast Proplastid Chromoplast Amyloplast

34 Chloroplastový genom -putování genů (a jejich produktů) Arabidopsis/symbiont: nukleom: cca 27 tis. (z toho asi 4300 z endosymbionta) plastom: 87 (protein kódujících) bílkovin v plastidu: Předpokládaný endosymbiont (analogie dnešní sinice: 1694 až 7281 genů) Leister D., TRENDS in Genetics 19: 47, 2003.

35 Kódování proteinů elektrontransportního řetězce chloroplastem jádrem Leister D., TRENDS in Genetics 19: 47, 2003

36 Transport proteinů do plastidu TOC-TIC translokony kanály, nejasný signál amk (2-4 tis. proteinů), chaperony! OM outer membrane Inaba and Schnell; Biochem J (2008) 413:15-28 ER-CP glykoproteiny Uncleaved TP

37 Transport do tylakoidů zachovány prokaryotické transportní systémy

38 Chloroplast Přeměna energie záření v energii chemickou

39 Fotochemie = přeměna energie fotonu na energii chemickou (ATP, NADPH) Fluorescence Teplo

40 Pro redukci NADP+ je nutná kooperace obou fotosystémů tzv. Emersonův efekt Efekt osvícení světlem o dvou vlnových délkách je více než aditivní - odvození spolupráce dvou fotosystémů

41 Z schéma necyklický přenos elektronů Walker Cyklický přenos elektronů na PSI tvorba ATP

42 Necyklický přenos elektronů - propojení komplexů elektrontransportního řetězce mobilními přenašeči

43 Ke štěpení vody je potřeba silné oxidační činidlo, k redukci NADP + silné redukční činidlo 2 H + 2 H +

44 Fotosystém II od oxidace vody po redukovaný PQH 2 4x uvolnění e - z chlorofylu (MSP) postupné doplňování z Mn klastru (přes TyrZ) oxidace vody - doplnění e -

45 Komplex štěpící vodu ve fotosystému II (OEC=WOC) Funkce OEC: - poskytování elektronů do P680+ z klastru Mn 4 O x Ca (Cl) - doplnění elektronů rozkladem 2 molekul vody (uvolnění O 2 ) - H + - postupné uvolňování - odvádění O 2 a H + (!) spřažení jednoelektronové excitace/separace náboje na chlorofylu a čtyřelektronové oxidace dvou molekul vody Umena et al O-můstky - 4 molekuly vody (+ další H-můstky) - tvorba O-O vazby dynamika/flexibilita prot. ligandů

46 Postupná oxidace manganového klastru spřažení jednoelektronové excitace/separace náboje na chlorofylu a čtyřelektronové oxidace vody Pro štěpení vody je potřeba silné oxidační činidlo

47 Pro uvolnění molekuly kyslíku jsou potřeba právě 4 fotony (na fotosystému II)

48 Fotosystém II výstupem je redukovaný PQH 2

49 Plastochinon první mobilní přenašeč elektronů Pool plastochinonu v membráně (všechny přítomné molekuly) výrazně stechiometricky převyšuje množství membránových komplexů (jinak by byla rychlost pohybu plastochinonu limitujícím krokem!) Nevyvážený výkon PSI a PSII působí změny v redoxním stavu PQ poolu Redoxní stav PQ poolu proto signalizuje potřebu redistribuce světlosběrných komplexů mezi fotosystémy (tedy množství jimi fixovaného záření)

50 Cytochrom b6f komplex a chinonový cyklus (pracuje jako dimer) Co se dvěma elektrony, když je potřeba jen jeden? - zabránění vzniku reaktivního PQ- - jeden z elektronů má více energie, než je potřeba pro přenos na plastocyanin Q-cyklus zvyšuje množství protonů transportovaných ze stromatu do lumen tylakoidu při přenosu jednoho páru elektronů Qp a Qn vazebné místo pro PQ tvorba ph gradientu (4H + na elektron), jednoelektronová redukce plastocyaninu donoru e - pro PSI

51 PS I Redukce ferredoxinu silného redukčního činidla redukce NADP+, (ferredoxin-nadp+ reduktáza) thioredoxinu, nitritů, sulfitů, Redoxní stav poolu ferredoxinu/thioredoxinu - vzájemná regulace světelné a temnostní fáze fotosyntézy

52 Syntéza ATP ATP synthase (CF o, CF 1 ) 3-5 H + 1 ATP 3 ATP/ počet podjednotek c (= otočka o 360 ) Počet podjednotek c se liší u různých ATP syntáz obvykle 9-15, plastidy u špenátu - 14.

53 Syntéza ATP ATP synthase (CF o, CF 1 ) 2 P. D. 4,67 H+ na 1ATP

54 Syntéza ATP v suspensi tylakoidů vyvolaná rozdílem ph (Mitchell - chemiosmotická teorie syntézy ATP)

55 Necyklický přenos elektronů => NADPH a ATP 2

56 Přenos elektronů Mehlerova reakce: 1. Necyklický (tvorba NADPH + ATP) O 2 +2e+2H + H 2 O 2 H 2 O 2. Cyklický (tvorba ATP) - ferredoxin:pq reductase (FQR) donor feredoxin (NADPH + ) 3. Pseudocyklický (Mehlerova reakce) - oba fotosystémy, ale bez tvorby NADPH+ Cyklický přenos elektronů? 4. Chlororespirace v noci: - obnovování PSII poolu oxid. NADP +, ve dne PQ (oxidace NADPH přes PQ, oxidace PQH 2 plastidová terminární oxidáza (PTOX) přenos na kyslík

57 Regulace fotosyntézy Komplexní regulace exprese fotosyntetických genů (plastidových i jaderných) Mnoho regulačních mechanismů se děje i na posttranslační úrovni regulace aktivity mnoha klíčových enzymů fixace CO 2 přes thioredoxin!

58 Regulace rozdělování energie mezi PS I a PS II Uspořádání proteinových komplexů v membráně tylakoidů (separace fotosystémů) - možnost sdílení přilehlých anténních komplexů PSII z různých membrán - možnost stínění - možnost přerozdělování (PSI PSII)

59 Regulace rozdělování energie mezi PS I a PS II - migrace světlosběrných komplexů - význam při nízké ozářenosti x - konstitutivní, ale pomalá

60 Tvorba ATP a NADPH Fixace CO 2

61 Jak se CO 2 zabudovává do organických sloučenin? Sledování osudu 14 C po fotosyntetické fixaci

62 Hledání primárního akceptoru CO 2

63 Calvinův cyklus 3 fáze: 1) Karboxylace 2) Redukce 3) Regenerace (aldoláza, transketoláza) Využití energie NADPH a ATP cca 80%!!!

64 Klíčové reakce Calvinova cyklu

65 Regenerace RuBP Jak z C3 udělat C5? Aldoláza (3+3, 3+4) Transketoláza (6-2, 7-2)

66 Rubisco ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza/oxygenáza - až 50% rozpustných bílkovin v listech - nejhojnější bílkovina na Zemi - podjednotky: 8 velkých (na nich 8 katalytických míst, kódovány a syntetizovány v chloroplastech) 8 malých podjednotek (kódovány v jádře, syntetizovány v cytoplasmě)

67 Aktivace rubisco: 1) Aktivázou (odstranění RuBP) - aktivace thioredoxinem a ATP 2) Karbamylací: napojení CO 2 a Mg 2+ Signál: zvýšení ph, zvýšení koncentrace Mg2+ (vyrovnávání elektrického gradientu) vzniklého přenosem H+ při fotochemii Ve tmě může být navíc vázán inhibitor:2-karboxyarabinitol-1-phosphate (u některých druhů) - u mnoha enzymů Calvinova cyklu aktivace redukovaným thioredoxinem (redukce feredoxinem)

68 Karboxylace enzymem rubisco

69 Karboxylázová a oxygenázová aktivita enzymu rubisco CO 2 nebo O 2?

70 Fotorespirace (glykolátová cesta) Spoluúčast tří organel! regenerace C3 (C2 + C2 CO 2 ) - ztráta energie, - uvolnění CO 2 - spotřeba O 2

71 Fotorespirace (glykolátová cesta) Glutamát:glyoxylát aminotransferáza Serin:glyoxylát aminotransferáza (obě AT nutné v poměru 1:1) Glycin dekarboxylázový komplex (folát kofaktor) NH 3 GS/GOGAT (!) (GS glutamin syntetáza, GOGAT glutamát syntáza =glutamin:2-oxo-glutarát aminotransferáza) Serin hydroxymethyl transferáza (methylen-h4-folát)

72 Význam fotorespirace: -částečně ochrana před fotoinhibicí (zavřené průduchy: fotorespirace využívá ATP a NADPH) především nechtěný důsledek zvyšování koncentace O 2 Některé rostliny se umí fotorespiraci bránit!

73 C4 fotosyntéza (C4 a CAM) - adaptace bránící oxygenázové aktivitě Rubisco - Rubisco pracuje v prostředí s vysokou koncentrací CO 2 a sníženou koncentrací O 2 - primární fixace CO 2 enzymem fosfoenolpyruvát karboxylázou (PEPc) za vzniku C4 molekuly - dekarboxylací C4 molekuly (malátu) se uvolňuje CO 2 - vlastní (sekundární) fixace CO 2 klasicky = Rubisco v Calvinově cyklu (vzniká C3 fosfoglycerát)

74 Historie objevování C4 fotosyntézy 1896: G. Haberlandt: některé rostliny mají jiné anatomické uspořádání listu C3: palisádový a houbový parenchym C4: věnčité uspořádání - kompaktní parenchymatické pochvy cévních svazků

75 Historie objevování C4 fotosyntézy 20. léta: snížení koncentrace O 2 zvyšuje rychlost fotosyntézy cca 1,5krát, ale ne u všech druhů rostlin 30. léta: rostliny se liší schopností spotřeby CO 2 (v uzavřeném prostoru na světle) - vyčerpají CO 2 jen ke konc. kolem ppm - vyčerpají CO 2 až k 10 ppm Pokles [CO 2 ] v uzavřeném prostoru C3 C min

76 Mossův test Rostliny - fotosynteticky účinné - fotosynteticky neúčinné CO 2 C4 C3 Kultivace ve společné uzavřené atmosféře: C3 rostliny po poklesu CO 2 chřadnou, neboť jen fotorespirují a dýchají, zatímco C4 jsou schopny fotosyntetizovat i při snížené koncentraci CO 2 CO 2 uvolňují rostliny fotorespirací (C3) a dýcháním (C3 i C4)

77 Historie objevování C4 fotosyntézy 60. léta: H 0 :všechny rostliny fixují CO 2 Calvinovým cyklem 70. léta: Karpilov kukuřice ne? Kortschack - cukrová třtina: první produkt fixace CO 2 není C3 Hatch a Slack: metabolismus C4 Poskládaná mozaika: C3 a C4 se liší souborem nepřechodných znaků: - pochvy cévních svazků - malá inhibice kyslíkem - schopnost fotosyntézy i při nízké koncentraci CO 2 - primární fixace CO 2 do C4 molekuly

78 Předpoklady pro funkční fotosyntézu typu C4 - buněčně specifická exprese genů - PEPc v mesofylu, - Rubisco v pochvách cév. svazků - častá absence PSII v pochvách - symplastická spojení mezi zdroji a sinky pro cyklující C3 a C4 (malát a pyruvát; aspartát a PEP či alanin) - difusní bariéra pro CO 2 na povrchu pochev

79 Předpoklady pro funkční fotosyntézu typu C4 - buněčně specifická exprese genů - PEPc v mesofylu, - Rubisco v pochvách cév. svazků - častá absence PSII v pochvách - symplastická spojení mezi zdroji a sinky pro cyklující C3 a C4 (malát a pyruvát; aspartát a PEP či alanin) - difusní bariéra pro CO 2 na povrchu pochev

80 Fixace CO 2 u rostlin C4 př. malátová cesta - paralelně cykluje 3-PGA a triosa-p (chybělo by NADPH)

81 Vznik C4 fotosyntézy - paralelně vznikla min. 62x (19 čeledí), 3 % druhů 6-22 mil. let, (Poaceae, Cyperaceae, Amaranthaceae) - vyplatí se v teplejších (a sušších) podmínkách - u některých C3 rostlin (tabák) je C4 fotosyntéza ve stoncích a v řapících! Vývojová centra dvouděložných C4 Sage et al. 2011, JXB

82 CAM fotosyntéza - speciální typ C4 fotosyntézy - adaptace na kritický nedostatek vody mil let, 7 % druhů (33 čeledí) Není možné otevírat průduchy během dne, kdy je možné získávat energii pro fixaci CO 2 přeměnou světelného záření Frerea indica - C3 v listech - CAM ve stoncích

83 CAM fotosyntéza = C4 oddělená časově Noc Den