KBF/FOSY Fotosyntéza a stres LRR/FOSY Fotosyntéza

Transkript

1 KBF/FOSY Fotosyntéza a stres LRR/FOSY Fotosyntéza Prof. RNDr. Petr Ilík, Ph.D. RNDr. Martina Špundová, Ph.D. KBF a CRH, PřF UP FS biol. proces uchovávající en. slunce život na Zemi - závislý na energii ze Slunce fotosyntéza (FS) - jediný biologický proces, který sbírá tuto sbírá energii a uchovává (biomasa) většina zdrojů energie na Zemi z biomasy, která má původ ve FS (jídlo, fosilní paliva uhlí, ropa) vytvoření O2 atmosféry změna podmínek na Zemi (klimatické změny) změna fotosyntetických procesů zájem o pochopení fotosyntetických procesů (zemědělci technologové) foto-syntéza (organická syntéza za pomoci světla) Fotosyntéza proces, při kterém živé organismy (baktérie, sinice, řasy, nižší a vyšší rostliny) přeměňují světelnou energii na chemickou energii organických molekul anorganické látky (H2O, CO2, ) + hn Þ organické látky (cukry, ) 1

2 Fotosyntéza obecné schéma Světelná fáze fotochemické reakce H2O Temnotní fáze ATP, NADPH O2, H+ biochemické reakce CO2 (CH2O) Fotosyntéza: CO2 + 2H2O (CH2O) + O2 + H2O Respirace: CO2 + 2H2O (CH2O) + O2 + H2O Thylakoidní membrána - funkční schéma světelné reakce FS - thylakoidní membrána, temnotní reakce FS - stroma hn hn 2

3 Proč studovat fotosyntézu? Porozum ní fotosyntetickým proces m Řízení FS procesů Nové technologie Pochopení přírodních změn Nekulturní rostliny um lá fotosyntéza vyu ijí 0,2 % abs. en. ( t pení molekul vody) kuku ice 1 2 % cukrovka 8 % lecht ní gen. manipulace ( C4 rice ) ovlivn ní fotorespirace produkce biomasy - celulóza RC molekulární spína : po. technologie - p enos energie nebo elektronu kancerostatika na bázi porfyrin zobrazování tumor toky energie a látky v p írod, mo nosti regulace bilan ní rovnice globální oteplování nár st konc. CO 2 v atmosfé e Umělá fotosyntéza - 1 Fotochemici hledají systémy, které by t pili vodu pomocí slune ní energie vrstvy fotocitlivých komplex kov (ruthenium, metaloporfyriny) nízká ú innost (vysoká ú innost zp tných reakcí) profesor Daniel Nocera MIT, USA solární lánek t pící vodu na O 2 a H 2 (kv ten 2012) 3

4 Umělá fotosyntéza - 2 Nocera 2012 The artificial leaf. Accounts of Chemical Research 45, Účinnost solárního článku až 7.7%, štěpení vody - cca 60%, celková účinnost cca 4.5 % Umělá fotosyntéza - 3 Nocera 2012 The artificial leaf. Accounts of Chemical Research 45, Účinnost solárního článku až 7.7%, štěpení vody - cca 60%, celková účinnost cca 4.5 % 4

5 Umělá fotosyntéza - 4 Nocera 2012 The artificial leaf. Accounts of Chemical Research 45, video Troposféra : až +1,5 C Děkuji za pozornost Změna průměrné roční teploty ( C/10 let) 5

6 Zvyšování koncentrace CO2 Vliv člověka? - Fotosyntéza a živočichové - 1 kolonizace fotosyntetických org. korály (živočich žahavec v symbióze s řasou - obrněnkou), mořský plž (rod Phyllodesmium) řasy z korálů uvnitř těla v průhledných střevech (přežijí až 9 měsíců), i obratlovec - Axolotl skvrnitý (mexický mlok) imunitní systém vpustí řasu Oophila amblystomatis (cukry z řasy do zárodku) kleptoplastidie - vodní plži rodu Elysia (E. chlorotica), získání chloroplastů v potravě (řasy) a UCHOVÁNÍ vlastní syntéza chlorofylu a proteinů pro chloroplasty 6

7 Fotosyntéza a živočichové - 2 fotosyntéza u mšic (Kyjatka hrachovitá)? studie na mšicích produkujících karotenoidy, (živočichové si je běžně nevyrábí; z rostlin), geny na výrobu asi od hub Vyjímečnost mšic - pijí výhradně rostlinou mízu bez karotenoidů Valmalette a kol. zjistili, že světlo zvýšilo Valmalette J.-C. et al.: Light- induced electron transfer and ATP synthesis in a carotene synthesizing insect. Scientific Reports 2, 579, 2012 produkci ATP jen u mšic, které měly karotenoidy, nestalo se tak u vyšlechtěných jedinců, kteří je postrádali. z pokusu vyplývá, že může jít o mechanismus podobný fotosyntéze. Mravenec odebírá ze zadečku mšice tekutinu obsahující nestrávené cukry z její stravy. Proč FS? Sylabus přednášky 1) Úvod do fotosyntézy (FS) Základní charakteristika a energetická bilance FS, základní koncept FS, obecná rovnice FS, světelná a temnotní fáze FS, fotosyntetizující organismy (halobaktérie, baktérie, sinice, řasy a vyšší eukaryotické organismy), vztah FS k dalším funkcím rostlin, evoluce FS. 2) Světlosběrné pigmenty Fotosynteticky aktivní záření, absorpce a emise fotonů - Jablonského schéma (singletní a triplexní stav), bakteriochlorofyly a chlorofyly, absorpční a emisní spektra - interpretace pásů, fyzikálně-chemické vlastnosti molekuly chlorofylu, chlorofyly v reakčním centru, přídavné pigmenty a jejich funkce (chlorofyl b, fykobiliny, karotenoidy) 7

8 Sylabus přednášky - 1 3) Stavba fotosyntetického aparátu Typy list (C3, C4, CAM rostliny), chloroplasty, thylakoidní membrány (TM), grana, struktura a slo ení TM: lipidy - fázová separace, separace frakcí obohacených o PSII a PSI, bílkoviny v TM, pigmentproteinové komplexy (PPC), nativní elektroforéza PPC, sv tlosb rné komplexy LHC, struktura a organizace LHC v TM. 4) Přenos excitační energie Mechanismy p enosu energie, koherentní a nekoherentní p enos energie, rezonan ní mechanismus - Försterova teorie. 5) Přenos elektronů a protonů Halobaktérie, bakteriorhodopsin, reak ní centrum - obecný princip innosti, bakteriální reak ní centrum, sinice a vy í rostliny: fotosystém II, fotosystém I, lineární a cyklický transport elektron, alternativní tok elektron Sylabus přednášky - 2 6) Regulační mechanismy v thylakoidních membránách Emerson v efekt, p echod stav 1 - stav 2, xantofylový cyklus. 7) Luminiscence chlorofylu Fluorescence chlorofylu, parametry a vlastnosti fluorescence, fluorescence chlorofylu a in vivo - kvantový výt ek, spektrum p i r zných teplotách, interpretace emisních pás, kinetika fluorescence chlorofylu a, fluorescen ní induk ní jev (FIJ) - m ení, charakteristický pr b h, parametry FIJ, kvantový výt ek fotochemie fotosystému II, zhá ení fluorescence, heterogenita fotosystém I a II, m ení na chlorofylovém fluorimetru, principy m ení. Fosforescence, zpo d ná fluorescence a termoluminiscence a chemiluminiscence chlorofylu. Pou ití luminiscence chlorofylu p i studiu stresu, aklimace, aklimatizace a adaptace rostlin, p izp sobování se zm nám podmínek okolí. 8

9 Sylabus přednášky - 3 8) Stres ve fotosyntéze -Definice stresu u rostlin. Adaptace, aklimace. Typy stresových faktor. Spole né mechanismy reakce rostlin na stresové faktory. - Oxidativní stres. - Senescence. Vodní deficit. Vysokoteplotní a nízkoteplotní stres. - Fotoinhibice. Stres vyvolaný UV-zá ením. - P sobení herbicid a toxických látek ve vzduchu a p d. - Stres nedostatkem vý ivy. - Biotický stres. Herbivo i. Fytopatogenní houby, bakterie a viry. Literatura: Sylabus přednášky - 4 Lawlor, D.W.: Photosynthesis: Molecular, Physiological and Environmental Processes. Longman Scientific and Technical (3rd edition). Harlow, UK, Kaplanová a kol.: Fyzikální základy fotosyntézy. UK Praha 1987 (skriptum). Hall, D.O., Rao, K.K.: Photosynthesis (5th edition). Cambribge University Press Taiz, L., Zeiger, E.: Plant Physiology (second edition). The Benjamin/Cumming Publishing Company, Redwood City, USA Blankenship, R.E.: Molecular Mechanisms of Photosynthesis, Blackwell Science 2002 Nobel, P.S.: Physiochemical and Environmental Plant Physiology (second edition), Academic Press Buchanan, B.B., Gruissem, W., Jones, R.L. Biochemistry and Molecular Biology of Plants, American Society of Plant Biologists

10 Držitelé Nobelovy ceny a FS Richard Martin Wilstaetter (Chemistry) Chlorophyll purification and structure, carotenoids, anthocyanins. Hans Fischer (Chemistry) Haemin synthesis, chlorophyll chemistry. Paul Karrer (Chemistry) Carotenoid structure, flavins, vitamin B2. Richard Kuhn (Chemistry) Carotenoids, vitamins. Držitelé Nobelovy ceny ve FS Melvin Calvin (Chemistry) Carbon dioxide assimilation. Robert Burns Woodward (Chemistry) Total synthesis of vitamin B12, chlorophyll, and other natural products. Peter Mitchell (Chemistry) Oxidative and photosynthetic phosphorylation, chemiosmotic theory. Hartmut Michel, Robert Huber, Johannes Deisenhofer (Chemistry) X-ray structure of the bacterial photosynthetic reaction center. Rudolph Marcus (Chemistry) Electron transfer theory. Applied his theory to the primary photosynthetic charge separation. 10