Obsah. Chloroplasty. Světlo absorbující pigmenty. Světelná reakce. Calvinův - Bensonův cyklus (RUBISCO) Fotorespirace. Rostliny C 4 a CAM

Transkript

1 FOTOSYNTÉZA

2 Obsah hloroplasty Světlo absorbující pigmenty Světelná reakce alvinův - Bensonův cyklus (RUBISO) Fotorespirace Rostliny 4 a AM

3 Typ výživy a metabolismus Zdroj energie Zdroj uhlíku Zdroj vodíku Organizmy autotrofní fotoautotrofní chemoautotrofní fotoheterotrofní světlo O 2 2 O rostliny, sinice světlo O 2 2 S, 2 fotoautotrofní organizmy, sirné bakterie oxidace anorg. látek O 2 2 O chemoautotrofní organizmy světlo org. látky org. látky fotoheterotrofní bakterie heterotrofní chemoheterotrofní oxidace org. látek org. látky org. látky chemoheterotrofní bakterie, houby, živočichové, člověk

4 Fotosyntéza Fotosyntéza fixuje ročně asi tun uhlíku, což reprezentuje kj energie. Fotosyntéza u rostlin je dvoustupňový proces, při kterém se světelná energie využívá k oxidaci 2 O: 2 2 O O [ ] Současně získané elektrony se využívají k redukci O 2 : 4 [ ] + O 2 ( 2 O) + 2 O Dva stupně fostosyntézy se tradičně uvádí jako světelná fáze a temnostní fáze. Místem fotosyntézy u eukaryot (vyšší rostliny a řasy) jsou chloroplasty. Buňky obsahují 1 až 1000 chloroplastů tvaru elipsoidu o rozměrech asi 5 mm délky.

5 Fáze fotochemická (světelná) Fáze chemická (temnostní) hloroplast thylakoidní membrány ATP NADP hloroplast stroma (enzymy) 2 2 O O 2 O 2 2 O

6 FOTOSYNTÉZA BIOLOGIKÝ OXIDAČNĚ REDUKČNÍ PROES světelná energii se mění fotosyntézou na energii chemickou světlo O A ( 2 O) + 2A + 2 O Oxygenní fotosyntéza Neoxygenní fotosyntéza světlo O O ( 2 O) + O O světlo O S ( 2 O) + 2S + 2 O př. sirné bakterie (produkce S)

7 Fotosyntetizující cyanobakterie Anabaena Fotosyntetizující cyanobakterie Anabaena (zvětšení 450 x). Předkové, kteří se evolučně přetvořili na současné chloroplasty.

8 hloroplast Vnější membrána Lamela Vnitřní membrána Mezimembránový prostor * Grana Stroma Prostor thylakoidu

9 list pšenice hloroplast

10 hloroplast

11 hloroplast Tylakoidy Tylakoidní membrána uzavírá další prostor, lumen tylakoidu. V tylakoidní membráně jsou umístěny proteinové superkomplexy, zajišťující fotosyntézu. Rozlišujeme: grana (přitištěné diskovité tylakoidy), grana (j.č. granum) vznikají opakovaným přikládáním jazykovitých útvarů tylakoidů, připomínajících vak. tylakoidy stromatu (stromatální tylakoidy, nepřitištěné tylakoidy), propojují grana.

12 Porovnání chloroplast - mitochondrie

13 hlorofyl - hlavní fotoreceptor Fotosyntetické pigmenty cyklický tetrapyrrol s centrálním atomem Mg 2+. Prekurzorem je stejně jako u hemu protoporfyrin IX hlavní formy chlorofylu u rostlin a cyanobakterií jsou: chlorofyl a (hl a) a chlorofyl b (hl b), u fotosyntetizujících bakterií jsou to bakteriochlorofyl a (Bhl a) a bakteriochlorofyl b (Bhl b) vysoce konjugované sloučeniny silně absorbující viditelné světlo malé rozdíly v chemické struktuře silně ovlivňují jejich spektra

14 Fotosyntetické pigmenty struktura chlorofylu hlorofyl hlavní fotoreceptor Porfyriny (tetrapyroly) Atom Mg Redukovaný kruh IV yklopentanový kruh Fytol (esterifikace zbytku kys. propionové tetraisoprenoidním alkoholem) lipofilní charakter Formylová skupina

15 Fotosyntetické pigmenty struktura chlorofylu 2 R 1 R I N 3 II 4 N + R 3 3 N N Mg 2+ + Fe 2+ 3 IV N N III 3 3 N N 3 2 V 2 O O 2 2 O O 2 2 R 4 O OO OO hlorofyl (Fe-protoporfyrin IX) R 1 R 2 R 3 R 4 hlorofyl a hlorofyl b Bakteriochlorofyl a Bakteriochlorofyl b 2 2 O 3 O O 3 a a a a 3 P P P nebo G P P = G = 2 2 Fytylový postranní řetězec Geranylový postranní řetězec a značí, že mezi 3 a 4 se nevyskytuje dvojná vazba.

16 Absorpční spektrum chlorofylu a

17 Absorbance Absorpční spektra různých fotosyntetických pigmentů hlorofyl b Sluneční spektrum hlorofyl a Karotenoidy Fykoerythrin Fykocyanin Vlnová délka (nm)

18 Biosyntéza karotenoidů a xantofylu

19 Světlosběrné Úvod komplexy Světlosběrné komplexy obsahují fotosyntetická reakční centra místa, kde se odehrává primární reakce světelné fáze fotosyntézy anténní komplex obsahující další chlorofyly a přídavné pigmenty jako jsou karotenoidy, např. b-karoten b-karoten 3 3

20 Fotosyntetický anténní komplex Foton Foton Foton Foton Zachycené fotony náhodně migrují anténním komplexem až vstoupí do reakčního centra (tmavě zelené).

21 Fotosyntetické pigmenty Fotosystém II (PS 680), transmembránový komplex 20 podjednotek, přenos elektronů z vody na plastochinon (plastochinol). Absorbuje světlo vlnových délek kratších než 680 nm. ytochrom bf (obdoba komplexu III mitochondrií!!!). ytochrom bf generuje protonový gradient přes thylakoidní membránu, což vede ke tvorbě ATP. Fotosystém I (PS 700) je transmembránový multipodjednotkový komplex 10 podjednotek, absorbuje světlo kratší vlnové délky než 700 nm. Vytváří NADP. Fotosystémy I a II, obsahující mimo jiné chlorofyly, jsou lokalizovány v thylakoidní membráně chloroplastů.

22 Světelné reakce Elektrony excitovaná molekula může uvolnit excitační energii několika způsoby: a) Vnitřní konverze na kinetickou energii, pohyb molekul, teplo. U molekul chlorofylu k těmto stavům nedochází. b) Fluorescence, je emitován foton o vyšší vlnové délce (nižší energie). U rostlin jen asi 3 až 6 % absorbované světelné energie. c) Excitační transfer, excitovaná molekula přenáší excitační energii na sousední molekuly chlorofylu s nižší excitační energií než anténní chlorofyly. d) Fotooxidace, světlem excitovaná donorová molekula je oxidována přenosem elektronu na akceptorovou molekulu. Takovým donorem je excitovaný chlorofyl. Fotooxidovaný chlorofyl, kationtový radikál, se vrací do původního stavu oxidací jiné molekuly.

23 1. Fotosystém II (PSII) katalyzuje rozklad vody, uvolnění molekulárního kyslíku spojen s komplexem cytochromů b 6 /f 2. ytochrom b 6 /f přenos elektronů s PSII na PSI 3. Fotosystém I (PSI) přenos elektronů přes feredoxin redukce NADP + 4. ATP-synthasa SUPRAMOLEKULÁRNÍ KOMPLEXY v membráně thylakoidů využívá protonový gradient k syntéze ATP na vnějším (stromatálním) povrchu thylakoidní membrány

24 SUPRAMOLEKULÁRNÍ KOMPLEXY v membráně thylakoidů

25 SLOŽENÍ FOTOSYSTÉMU II 6. Plastochinon Q B 5. Plastochinon Q A 4. Feofytin (Pheo) (hl a, Mg 2+ nahrazen dvěma + ) 3. Pigment reakčního centra P Z přenašeč tyrozin 161 na D 1 D přenašeč tyrozin na D 2 1. Manganový klastr

26 SLOŽENÍ FOTOSYSTÉMU II 4 + vně O + 2 Q B + 4 hn O uvnitř + 2 Q B 2 oxidace 2 2 O - odejmutí 4 e - - zapotřebí 4 excitačních cyklů -vznik O 2 D2 D1 Stroma Dutina thylakoidu Specifický pár chlorofylů Manganové centrum

27 Fotolýza vody tvorba kyslíku Součástí PS II (P680, fotosystém II) je centrum uvolňující kyslík (oxygen evolving center - OE). komplex bílkoviny a 4 iontů manganu váže 2 molekuly vody, postupně odnímá elektrony a protony a v posledním kroku uvolní kyslík OE prochází 5 oxidačními stavy (S0 - S4 stav) dochází k rozkladu molekul vody na kyslík, čtyři protony a čtyři elektrony. 2 2 O O e - Elektrony uvolněné z vody vstupují do PSII, kde jsou světelnými kvanty uvedeny excitací do vyšších energetických hladin označený P680 * a posléze putují řetězcem přes Q 2.

28 STRUKTURA MANGANOVÉO KLASTRU Vazba přes aminokyselinové zbytky na protein D1 PSII

29 PŘENOS ELEKTRONŮ VE FOTOSYSTÉMU II excitace P680 (D 1 ) feofytin (D 1 ) 1 e - monomer chlorofylu (D 1 ) plastochinon Q a (D 2 ) plastochinon Q B (D 1 ) 2 e vně O + 2 Q B +4 hn O uvnitř + 2 Q B 2

30 Plastochinon (Q) plastochinol (Q2) (n = 6-10) O O 2 2 n Plastochinon 2[ ] O O 2 2 n Plastochinol

31 YTOROM b 6 /f komplex bílkovin prostupujících přes membránu (podobný komplexu III v mitochondriálním respiračním řetězci) plastochinol-plastokyaninoxidoreduktasa přenos elektronů a protonů z vnější strany thylakoidní membrány na vnitřní Složení 1. cytochrom f 2. cytochrom b 6 (dva hemy) 3. bílkovina s Fe (2Fe-2S)

32 YTOROM b 6 /f is ytochrom f patří k c-typu cytochromů

33 Q cyklus dvě vazebná místa pro plastochinon (Q n a Q p ) na 2 elektrony uvolněné rozkladem vody může vznikat 4 + v lumenu PQ 2 + 2P ox stroma PQ + 2P red lumen

34 Plastocyanin (P) Bílkovina (10,5 kda) pohybující se po povrchu membrány v dutině thylakoidu. Obsahuje měď. u + (čtyřstěn) u 2+ (plošná koordinační struktura). Přenos elektronů mezi komplexem cytochromů b 6 /f a PSI.

35 SLOŽENÍ FOTOSYSTÉMU I 6. F B (ferredoxin 4Fe-4S) 5. F A (ferredoxin 4Fe-4S) 4. F X (ferredoxin 4Fe-4S) 3. A 1 (fylochinon-vitamín K 1 ) 2. A 0 (molekula chl a) 1. Pigment reakčního centra P700 (dimer chl a)

36 PŘENOS ELEKTRONŮ PO FOTOSYSTÉMU I Necyklická cesta Feredoxin Fd x (2Fe-2S) rozpustná bílkovina (11 kda) na stromátálním povrchu thylakoidů Redukce NADP + za katalysy enzymem ferredoxin-nadp + reduktasou (37 kda), obsahuje FAD Produkce NADP 4 e - 2NADP O 2NADP + O

37 Tok elektronů fotosystémem I na ferredoxin Ferredoxin 4Fe-4S Pozitivní náboj P700 se doplňuje elektrony z plastocyaninu P700 hinon (A 1 ) hlorofyl (A 0 ) Plastocyanin

38 Ferredoxin-NADP reduktasa Fotosystém I využívá světelnou energii k tvorbě redukovaného ferredoxinu silného redukčního činidla (obsahuje 2Fe-2S). Elektrony jsou přenášeny na ferredoxin- NADP + reduktasu.

39 Struktura ferredoxin-nadp + reduktasy Flavin Vazebné místo NADP + Ferredoxin

40 Ferredoxin NADP+reduktasa - mechanismus + + Fd red + + Fd red Fd ox Fd ox FAD FAD FAD 2 Semichinonová forma NADP + + NADP +

41 PŘENOS ELEKTRONŮ PO FOTOSYSTÉMU I yklická cesta Nezávisí na PSII Z PSI do plastochinonového poolu a na cytochrom b 6 Využívá elektrony fotosystému PSI Využití Q cyklu Zvyšuje produkci ATP v poměru ke vznikajícímu NADP Přenos elektronů z PSI na plastochinon fotosystému PSII za katalysy enzymem ferredoxin-plastochinonoxidoreduktasou

42 yklická fotofosforylace yklická fotofosforylace je alternativní drahou fotosyntézy. Elektrony redukovaného ferredoxinu mohou být převedeny na cytochrom bf komplex namísto na NADP +. Elektrony prochází zpět bf komplexem, redukují plastocyanin, který je posléze reoxidován P yklus se uzavírá. Výsledkem je pumpování protonů komplexem bf. Vzniklý protonový gradient pohání syntézu ATP. Tvoří se jen ATP a ne NADP! Proces je aktivní za situace, kdy je nadbytek NADP, prakticky nedostatek NADP +. yklická fotofosforylace je ve smyslu zisku ATP produktivnější než necyklická. Dva absorbované fotony poskytují 1 molekulu ATP, kdežto při necyklické je třeba na 3 ATP 8 fotonů. Na procesu se nepodílí fotosystém II, netvoří se kyslík fotolýzou vody.

43 Fotosyntetické komplexy

44 Z schéma: model necyklického přenosu elektronů

45 Dráha elektronů z vody na NADP + při fotosyntéze

46 Z schéma přenosu elektronů PSI -1.4 P700* A 0 A1 F X F A Necyklická cesta PSII P680* hl a Pheo a yklická cesta F B Fd e - 2 NADP FNR (stroma) -0.4 h 2 NADP -0.2 Q A Q B 8 + (stroma) cyt b 6 (V) 0 Q POOL O Manganový komplex h 8 + (thylakoid) Q [4Fe-4S] cyt f ytochrom b 6 f P P e - S O (thylakoid) S 4 Z +1.2 P680

47 Lokalizace supramolekulárních komplexů v membráně thylakoidů

48 Lokalizace supramolekulárních komplexů Membrána - thylakoidy: stěsnaná (vrstvená) - PSII v membráně thylakoidů nestěsnaná (omývaná stromatem) - PSI (využívá záření o nízké energii), ATP synthasa yt b 6 f komplex ve všech regionech membrány

49 Protonový gradient fotosystému II Stroma (vysoké p) Q 2 2 Q O O Lumen thylakoidu (nízké p)

50 Protonový gradient cytochrom bf V každém Q cyklu jsou přes cytochrom bf transportovány 4 protony. 1. část: Q Pc(u 2+ ) = Q + 2 Pc (u + ) (v thylakoidu) 2. část: yt.bf (redukuje) + Q (z poolu) = Q 2 (protony ze stromatu) Po reoxidaci Q 2 se protony uvolní do thylakoidu.

51 Srovnání fotosyntézy a oxidativní fosforylace

52 Energetický výtěžek světelné (primární) fáze fotosyntézy Absorpce 4 fotonů PSII generuje 1 molekulu O 2 a uvolní se 4 protony do dutiny thylakoidu. Dvě molekuly plastochinolu jsou oxidovány komplexem bf za uvolnění 8 protonů do dutiny thylakoidu (lumen). Elektrony ze 4 molekul redukovaného plastocyaninu jsou za účasti dalších 4 absorbovaných fotonů předány na ferredoxin. Čtyři molekuly redukovaného ferredoxinu generují 2 molekuly NADP.

53 Energetický výtěžek světelné (primární) fáze fotosyntézy elková reakce tvorby NADP: 2 2 O + 12 NADP stroma = O NADP lumen Dvanáct protonů v lumen vstupuje do catpsynthasy (chloroplastová). Tvoří se celkem 3 molekuly ATP. elková reakce fotofosforylace: 2 2 O + 12 NADP stroma = O NADP lumen 3 ADP P i lumen = 3 ATP O stroma 2 NADP ADP + 3 P i + + = O NADP + 3 ATP + 2 O

54 Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy alvin Bensonův cyklus Metabolická dráha, ve které rostliny inkorporují O 2 a tvoří sacharidy, byla objasněna mezi léty 1946 až 1953 M. alvinem a A. Bensonem. Pracovali s buňkami řas a zkoumali produkty vstupu značeného 14 O 2. Analýzou buněk řas po 5 s po expozici značeným 14 O 2 zjistili, že jediným produktem je 3-fosfoglycerát (3PG) s označeným karboxylem. Dále zjistili, že akceptorem O 2 je pentosa ribulosa-1,5-bisfosfát a enzymem podílejícím se na reakci je ribulosa-1,5- bisfosfátkarboxylasa (RUBISO).

55 Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy, alvin Bensonův cyklus Soubor reakcí fixujících O Melvin alvin, Andew Benson, James A.Bassham ( 14 O 2 - buněčná suspenze zelených řas hlorella) 1961 Nobelova cena 3 fáze karboxylace redukce regenerace Fixace 1 O 2 Spotřeba 2 NADP 3 ATP

56 Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy, alvin Bensonův cyklus alvin-bensonův cyklus probíhá ve stromatu chloroplastů a lze ho rozdělit na dvě části: Produkční Dochází ke karboxylaci a redukci Tři molekuly ribulosa-1,5-bisfosfát reagují se třemi molekulami O 2 za tvorby šesti molekul glyceraldehyd-3-fosfátu (GAP) za spotřeby 9 molekul ATP a 6 molekul NADP. yklický charakter procesu činí dráhu ekvivalentní tvorbě jedné molekuly GAP ze tří molekul O 2. GAP se může využít k biosyntéze. Regenerační ve které uhlíkové atomy zbylých pěti GAP jsou přeměněny v procesu podobném pentosafosfátové dráze na tři ribulosa-5- fosfáty, které proces zahajovaly.

57 alvin Bensonův cyklus

58 REAKE V ALVINOVĚ YKLU Reakci katalyzuje: 13 enzymů ve stromatu 10 z nich v regenerační fázi z toho 3 jedinečné enzymy

59 Jedinečné enzymy 1. RUBISO 2. Sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa defosforylace difosfosacharidu 3. Fosforibulokinasa fosforylace ribulosa-fosfátu na ribulosabisfosfát Enzymy učastnící se dalších metabolických drah (př. glykolýzy, oxidační pentosafosfátová dráha) 1. Aldolasa 2. Transketolasa 3. Glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenasa

60 RUBISO = ribulosa-1,5-bisfosfatkarboxylasa L8S8 (550 kda) 8 velkých podjednotek (L) 56 kda kodovány chloroplastovým genomem 8 malých podjednotek (S) 14 kda kodovány jaderným genomem později transportovány do chloroplastů Každá velká jednotka má katalytické centrum Funkce malé jednotky není přesně známa (stabilizace komplexu)

61 Ribulosabisfosfátkarboxylasa (RuBP karboxylasa RuBP karboxylasa je nejdůležitější enzym na Zemi. vyznačuje se nízkou aktivitou (k cat = 3 s -1 ) jeho obsah v zeleném listu přesahuje 50 % všech proteinů. Je tedy i nejrozšířenějším proteinem biosféry. u vyšších rostlin a většiny fotosyntetických mikroorganismů je složena z osmi velkých podjednotek kódovaných chloroplastovou DNA (L je složena ze 477 aminokyselin) a osmi malých podjednotek (S složených z 123 aminokyselin) kódovaných jadernou DNA. k aktivitě RuBP karboxylasa je nutný Mg 2+ vázaný na katalyticky významnou karbamátovou skupinu (-N-OO - ), která se vytváří reakcí nesubstrátového O 2 s e-aminoskupinou Lys 201. Reakci in vivo katalyzuje RuBP karboxylasaaktivasa za spotřeby ATP.

62 Aktivace Rubisco Aktivace Rubisco vazbou O 2 a Mg 2+ Vzrůst p a Mg 2+ ve stromatu v průběhu světelné fáze ze 7 na mm za tmy, 3-6 mm za světla

63 Dvojí aktivita Rubisco karboxylasová oxygenasová Rubisco je přítomen ve všech rostlinách

64 1. FÁZE - KARBOXYLAE

65 2. FÁZE - REDUKČNÍ 4% 96%

66 3. FÁZE - REGENERAČNÍ Aldolasa Fruktosa-1,6- bisfosfatasa Transketolasa Aldolasa Sedoheptulosa- 1,7-bisfosfatasa Transketolasa

67 Izomerace aldosa / ketosa ribosa / ribulosa Epimerace změna konfigurace na chirálním uhlíku xylulosa / ribulosa

68 OXIDAČNÍ PENTOSAFOSFÁTOVÝ YKLUS lavní produkty: ribulosa-5-fosfát NADP Transketolasa Transaldolasa Transketolasa

69 Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy produkční fáze Fosforylace tří ribulosa-5-fosfátů, vstup tří O 2 -karboxylace (RUBISO), tvorba šesti 3-fosfoglycerátů a šesti 1,3 -bisfosfoglycerátů 2-2 OPO 3 ATP ADP Fosforibulosakinasa 2-2 OPO 3 O O O 2-2 OPO 3 Ribulosa-1,5-bisfosfát (Ru-1,5-BP) O 2 Ribulosabisfosfát karboxylasa RUBISO O O - + O O - O O 2-2 OPO 3 3-Fosfoglycerát (3-PG) ATP ADP Fosfoglycerátkinasa O 2- OPO 3 O 2-2 OPO 3 1,3-Bisfosfoglycerát (1,3-BPG) 2 O 2 O O O O O O O 2-2 OPO 3 Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P) 2-2 OPO 3 Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P)

70 Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy redukční a regenerační fáze Redukce šesti 1,3-bisfosfoglycerátů na glyceraldehyd-3-fosfát a start regenerace O 2- OPO 3 O 2-2 OPO 3 1,3-Bisfosfoglycerát (1,3-BPG) Triosafosfátisomerasa NADP NADP Glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenasa O O 2-2 OPO 3 Glyceraldehyd-3-fosfát (GAP) 2-2 OPO 3 PRODUKTY O O 2 O O Dihydroxyacetonfosfát (DAP) Aldolasa 2-2 OPO 3 O O 2-2 OPO 3 Erythrosa-4-fosfát (E-4-P) Aldolasa O 2-2 OPO 3 O O O O O 2-2 OPO 3 O Fruktosa-1,6-bisfosfát (F-1,6-BP) O O 2-2 OPO 3 Sedoheptulosa-1,7-bisfosfát (S-1,7-BP)

71 Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy regenerační fáze 2-2 OPO 3 O O 2-2 OPO 3 O O O O O 2-2 OPO 3 O O O O O O 2 O O O Fruktosabisfosfatasa Fruktosa-1,6-bisfosfát (F-1,6-BP) P i 2 O O O 2-2 OPO 3 Sedoheptulosa-1,7-bisfosfát (S-1,7-BP) 2-2 OPO 3 Ribosa-5-fosfát (R-5-P) 2-2 OPO 3 Xylulosa-5-fosfát (Xu-5-P) O O O Sedoheptulosabisfosfatasa 2 O P i O O 2-2 OPO 3 O O Fruktosa-6-fosfát (F-6-P) O O Transketolasa O 2-2 OPO 3 Transketolasa Sedoheptulosa-7-fosfát (S-7-P)

72 Temnostní (sekundární) fáze fotosyntézy regenerační fáze O 2 O O O O O O O 2-2 OPO 3 Ribosa-5-fosfát (R-5-P) 2-2 OPO 3 Xylulosa-5-fosfát (Xu-5-P) Ribosafosfátisomerasa Fosfopentosaepimerasa 2 O 2 O O O O O O O 2-2 OPO 3 Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P) 2-2 OPO 3 Ribulosa-5-fosfát (Ru-5-P) ATP ADP 2-2 OPO 3 O Fosforibulokinasa O O 2-2 OPO 3 Ribulosa-1,5-bisfosfát (Ru-1,5-BP)

73 Biosyntéza sacharidů elková stechiometrie alvin-bensonova cyklu (GAP = glyceraldehyd-3-fosfát) 3 O ATP + 6 NADP GAP + 9 ADP + 8 P i + 6 NADP + Vytvořený GAP může být využit k řadě biosyntéz, buď vně nebo uvnitř chloroplastu. Může být převeden na fruktosa-6-fosfát dalším postupem cyklu a poté na glukosa-1-fosfát (fosfoglukosaisomerasa a fosfoglukosamutasa). glukosa-1-fosfát je prekurzor všech dalších sacharidů rostlin.

74 Biosyntéza sacharidů lavní složka škrobu, a-amylosa, je syntetizována ve stromatu chloroplastu jako dočasná skladovatelná forma glukosy. a-amylosa je také syntetizována jako dlouhodobá skladovatelná forma v jiných částech rostlin jako jsou listy, semena a kořeny. elulosa tvořena dlouhými řetězci b(1 4)-vázanými glukosovými jednotkami je hlavním polysacharidem rostlin. Je syntetizována z UDP-glukos v rostlinné plasmové membráně a vylučována do extracelulárního prostoru.

75 Aktivace glukosy škrob sacharosa

76 Syntéza škrobu O O O O O 2 O - O O O Glukosa-1-fosfát O P O - ADP-glukosafosforylasa O 2 O O O O P O O - O P O b P O - O - O PP i O ATP O P O a P O - Anorganická fosfatasa ADENOSIN ADENOSIN 2 P i Škrob je méně větvený než glykogen. elkově je reakce poháněna hydrolýzou PPi. Škrob je syntetizován a skladován v chloroplastech. Aktivní glukosa = ADP-glukosa. O - O - O O O 2 ADP-Glukosa Synthasa škrobu O O O ADP + O 2 O O O O O 2 O O O a-amylosa (n jednotek) a-amylosa (n + 1 jednotek) O O

77 Sacharosa Sacharosa nejdůležitější produkt fotosyntézy hlavní transportní sacharid pro nefotosyntetizující buňky je syntetizována v cytosolu a proto musí být její dvě komponenty (G3P a DA) transportovány z chloroplastu systémem antiporter s fosfátem. Dvě triosy se kombinují za tvorby fruktosa-6-fosfátu, která se následně převede na glukosa-1-fosfát. Glukosa-1-fosfát je aktivován UTP (uridintrifosfát) na UDP-glukosu. Sacharosa-6-fosfát se tvoří za katalýzy enzymem sacharosafosfátsynthasa. Odštěpení fosfátu se uskutečňuje sacharosafosfátfosfatasou.

78 Sacharosa UDP-Glukosa + Fruktosa-6-fosfát UDP Sacharosafosfátsynthasa Sacharosa-6-fosfát 2 O Sacharosafosfátfosfatasa P i Sacharosa

79 REGULAČNÍ MEANISMY p stroma Mg 2+ ionty thioredoxin fosforylace

80 REGULAČNÍ MEANISMY Lokalizace Enzymy oxidačního a redukčního pentosafosfátového cyklu jsou ve stromatu chloroplastů Metabolická regulace na úrovni: Ribulosabisfosfátkarboxylasa G (kj.mol-1) = - 41, 0 Fruktosabisfosfatasa G (kj.mol-1) = - 27, 2 Sedoheptulosabisfosfatasa G (kj.mol-1) = - 29, 7 Kontrolní body každé metabolické dráhy jsou na enzymových stupních vzdálených od rovnováhy (velká negativní hodnota G). Enzymy katalyzující reakce s velkou změnou volné energie: Katalytická účinnost těchto enzymů je silně ovlivňována osvětlením!!

81 Standardní a fyziologické změny volné energie reakcí alvin-bensonova cyklu Stupeň Enzym G o (kj.mol -1 ) G (kj.mol -1 ) 1. Fosforibulokinasa - 21, 8-15, 8 2. Ribulosabisfosfátkarboxylasa - 35, 1-41, Fosfoglycerátkinasa + glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa + 18, 0-6, 7 5. Triosafosfátisomerasa - 7, 5-0, 8 6. Aldolasa - 21, 8-1, 7 7. Fruktosabisfosfatasa - 14,2-27,2 8. Transketolasa + 6, 3-3, 8 9. Aldolasa - 23, 4-0, Sedoheptulosabisfosfatasa - 14,2-29,7 11. Transketolasa + 0, 4-5, Fosfopentosaepimerasa + 0, 8-0, Ribosafosfátisomerasa + 2, 1-0, 4

82 REGULAČNÍ MEANISMY

83 1. p Po osvětlení se zvyšuje p ve stromatu z hodnoty 7, 0 na hodnotu 8, 0. Protony jsou pumpovány ze stromatu do dutin thylakoidů. RUBISO má ostré p optimum 8, 0!! 2. [Mg 2+ ] Vstup protonů do thylakoidů je kompenzován transportem Mg 2+ do stromatu. RUBISO - regulace Aktivita RUBISA je ovlivňována několika na světle závislými faktory:

84 RUBISO - regulace Aktivita RUBISA je ovlivňována několika na světle závislými faktory: 3. NADP Alosterická aktivace (vzniká v PSI po ozáření) karboxyarabinitol-1-fosfátem Analog přechodového stavu (katalytického mechanismu RUBISA) Inhibice RUBISA Syntetizován jen za tmy Odstraněn Rubiscoaktivasou nebo na světle závislou degradací. O 2 OPO 3 2- OO O O 2 O 2-Karboxyarabinitol-1-fosfát (A-1-P) -

85 FRUKTOSABISFOSFATASA (FBP), SEDOEPTULOSABISFOSFATASA (SBP) - regulace 1. Aktivace zvýšeným p 2. Koncentrací Mg NADP 4. Aktivace redukcí disulfidové skupiny thioredoxinem enzymy alvinova cyklu lze aktivovat disulfidovými činidly např. 1,4- dithiotreitolem Regulační propojení s glykolysou thioredoxin inaktivuje fosfofruktokinasu nejdůležitější enzym glykolysy.

86 TIOREDOXIN REGULAČNÍ MEANISMUS Ferredoxin-thioredoxin Reduktasa Protein typu 4Fe4S Thioredoxin Malý protein 100 AK (12-kD oxidoreduktasa) Antioxidant ys-gly-pro-ys sekvence Je přítomen téměř ve všech organismech pro život savců je esenciální Deaktivuje fosfofruktokinasu klíčový enzym glykolýzy. Světlo stimuluje alvin-bensonův cyklus a deaktivuje glykolýzu, kdežto tma má opačný efekt.

87 Enzymy v chloroplastech regulované přes thioredoxin Enzym Rubisco Fruktosa-1,6-bisfosfatasa Fosforibulokinasa Sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa NAD + -glyceraldehyd-3- fosfátdehydrogenasa Rubiskoaktivasa Ribulosa 5`-fosfatkinasa Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa Glukosa-6-fosfátdehydrogenasa NADP + -malátdehydrogenasa Fenylalaninamoniaklyasa ATPsyntasa Metabolická dráha alvinův cyklus alvinův cyklus, glukoneogenese alvinův cyklus alvinův cyklus alvinův cyklus alvinův cyklus (aktivace Rubisca) alvinův cyklus alvinův cyklus, glukoneogenese, glykolýza Pentosafosfátová dráha 4 rostliny Syntéza ligninu Světelná fáze fotosyntézy

88 REGULAE OXIDAČNÍO A REDUKČNÍO PENTOSAFOSFÁTOVÉO YKLU TR thioredoxin p alkalizace TR thioredoxin Dp + alkalizace

89 Fotorespirace Od roku 1960 je známo, že osvětlené rostliny spotřebovávají kyslík a uvolňují O 2 drahou odlišnou od oxidativní fosforylace. Při nízkých hladinách O 2 a vysokých O 2 může proces fotorespirace převládnout nad fixací O 2. Překvapení: kyslík kompetuje s O 2 jako substrát RUBISa. Přesnější název: ribulosabisfosfátkarboxylasa-oxygenasa (RUBISO). Při oxygenasové reakci se vytváří z RuBP 3-fosfogylcerát a 2-fosfoglykolát. 2-Fosfoglykolát je hydrolyzován na glykolát a ten je oxidován za tvorby O 2 v sérii enzymových reakcí v peroxisomech a mitochondrii. Fotorespirace je devastující proces jehož výsledkem je neužitečná spotřeba světlem vytvořeného NADP a ATP!!

90 Fotorespirace

91 Fotorespirace Peroxisom = glyoxysom

92 Fotorespirace Kapacita oxidace glycinu je vysoká u zelených rostlin. Glycin dekarboxylasový komplex v mitochondriích zaujímá 30-50% celkového obsahu proteinů (u nezelených rostlin minimální obsah). Fotorespirace omezuje rychlost růstu rostlin! Oxygenasová aktivita Rubisco roste s teplotou rychleji než karboxylová. orký slunný den: fotosyntéza sníží hladinu O 2 a zvýší O 2 v okolí chloroplastu rychlost fotorespirace se přiblíží rychlosti fotosyntézy

93 Rostliny 4 Řada rostlin se evolučně přizpůsobila kolísání koncentrace O 2 a O 2 tak, že koncentrují ve fotosyntetických buňkách O 2 a zabraňují fotorespiraci. Např. cukrovka, cukrová třtina, kukuřice a mnoho plevelných rostlin. Typické pro tropické oblasti. List má charakteristickou anatomii pod vrstvou buněk tzv. mesofylu jsou pochvy cévních svazků. V mesofylových buňkách není ribulosabisfosfátkarboxylasa!! Mezofylové Mezofylní buňky buňky Buňky pochev cévních svazků v hloroplasty v buňkách pochev obsahují minimálně PSII (nejsou stěsnaná grana)

94 3 a 4 ROSTLINY fixace O2 3 rostliny: fixace O 2 v prvním kroku enzymem Rubisco ve stromatu chloroplastů ve formě 3-fosfoglycerátu (3 sloučeniny) 4 rostliny: fixace O 2 v prvním kroku ve formě oxalacetátu (4 sloučeniny) fosfoenolpyruvátkarboxylasou (PEPc) v cytoplazmě buněk mezofylu, transport do buněk pochev cévních svazků (dekarboxylace a sekundární fixace Rubisco) Mezofylové buňky Mezofylové buňky

95 Rostliny 4 V mesofylu reaguje vstupující O 2 ve formě O 3 - s fosfoenolpyruvátem za tvorby oxaloacetátu (čtyři uhlíky, proto 4 ). Oxaloacetát je redukován NADP na malát, který je transportován do buněk cévních svazků, kde je oxidativně dekarboxylován na O 2, pyruvát a NADP. Takto koncentrovaný O 2 vstupuje do alvinova cyklu. Pyruvát je transportován zpět do mesofylu, kde je fosforylován za katalýzy pyruvát-fosfátdikinasy za tvorby fosfoenolpyruvátu. Při aktivaci přechází ATP na AMP + PP i. PP i je posléze hydrolyzován všudepřítomnou pyrofosfatasou na 2 x P i.

96 Rostliny 4 -vazba O 2 na fosfoenolpyruvát (PEP) za vzniku oxalacetátu PEPkarboxylasa (PEP) Substrátem PEP je O 3 - Nefixuje O 2 ani O 2 Vzrůst difuzního gradientu O 2 (stroma chloroplastů)

97 Rostliny 4 Rostliny 4 Mezofylová buňka

98 Rostliny 4 Mezofylové buňky Rychlá fixace O 2 při nízkých koncentracích v mezofylu Zvýšení koncentrace O 2 v pochvách a potlačení fotorespirace Transport přes plasmodesmata

99 Mezofylová buňka Mezofylová buňka U 4 rostlin absence fotorespirace Vysoká koncentrace O 2 v buňkách pochev cévních svazků

100 Energetická náročnost u 4 rostlin Je vyšší u 4 rostlin než u 3 rostlin: 4 rostliny spotřeba 5 ATP na O 2 3 rostliny spotřeba 3 ATP na O 2 tvorba PEP (spotřeba ATP) dekarboxylace v buňkách pochev (možná spotřeba ATP) fosfoenolpyruvátkarboxykinasa Pyruvát + P i + ATP PEP + AMP + PP i AMP + ATP ADP PP i 2Pi

101 AM rostliny Dráha byla poprvé popsána u tučnolistých rostlin a odtud název AM crassulacean acid metabolism. U AM rostlin je časově oddělen záchyt O 2 a alvin-bensonův cyklus. AM rostliny otevírají stomata (póry v listech) v noci a zachycují O 2 drahou 4 ve formě malátu. Pro zachycení O 2 je nutné velké množství fosfoenolpyruvátu. To se získává štěpením škrobu a glykolýzou. Během dne je malát štěpen za tvorby O 2 vstupujícího do alvin Bensonova cyklu a pyruvátu použitého na resyntézu škrobu. elý tento proces je realizován také z důvodu zabránění ztrátě vody!!!

102 AM rostliny Fixace O 2 u rostlin tučnolistých crassulacean acid metabolism 3 rostliny jediná karboxylace 4 rostliny dvojí karboxylace dvě místa karboxylace AM rostliny dvojí karboxylace časový posun

103 AM rostliny noc

104 AM rostliny den