FOTOSYNTÉZA. Fotosyntéza je fotochemický proces, při němž fotosynteticky aktivní pigmenty v zelených

Transkript

1 B + + B + FOTOSYNTÉZA Fotosyntéza je fotochemický proces, při němž fotosynteticky aktivní pigmenty v zelených částech rostlin přijímají energii světelného záření a přeměňují ji na energii chemickou. Ta je dále využita při biologických syntézách, což je proces tvorby organických látek (primárně sacharidů) z látek anorganických, a to z oxidu uhličitého a vody. Organismy, které mají schopnost fotosyntézy, se nazývají fotoautotrofní. Patří mezi ně nejen eukaryotní organismy vyšší rostliny, zelené a hnědé řasy, ale i organismy prokaryotní jednobuněčné sinice a zelené a purpurové bakterie. Ostatní biotické složky ekosystémů jsou organismy heterotrofní, které využívají energií bohaté organické látky vytvořené rostlinami. Fotosyntéza vyšších rostlin je vázána především na mezofylové buňky v listech a probíhá ve specializovaných organelách, které se nazývají chloroplasty. V nich probíhá fotosyntéza ve dvou fázích světelné a temnotní. Pro světelnou fázi, ve které probíhají fotochemické reakce, je charakteristická rovnice: B 12 HB2BO + světelné záření 12 (HB2B) + 6 OB2B. Podstatou těchto primárních reakcí je tedy štěpení vody na světle (proces se nazývá fotolýza vody nebo také Hillova reakce podle anglického biochemika R.Hilla, jenž v roce 1937 dokázal jeho existenci), které poskytuje elektrony a vodíkové kationy (protony) pro tvorbu ATP a NADPH + H +. Temnotní fázi fotosyntézy s charakteristickými enzymatickými reakcemi můžeme zjednodušeně popsat rovnicí: 6 COB2 B 12 (HB2B) CB6BHB12BOB6B + 6 HB2BO. Podstatou těchto sekundárních reakcí je fixace a redukce CO 2 a tvorba sacharidů, primárně glukózy. Sumárně pak můžeme celý proces fotosyntézy vyjádřit základní rovnicí: 6 COB2 B 12 HB2BO + světelné záření CB6BHB12BOB6B + 6 OB2B 6 HB2BO. Z ní je zcela zřejmý nezastupitelný význam fotosyntézy pro udržení života na naší planetě, neboť: 1. Zachycuje sluneční energii a z nejjednodušší sloučeniny uhlíku, tedy COB2B, syntetizuje organické látky, které jsou nezbytné pro výživu chemotrofů. 2. Je hlavním producentem kyslíku nepostradatelného pro existenci aerobních organismů.

2 Chloroplasty U vyšších rostlin jsou chloroplasty organely čočkovitého tvaru o délce 5 až 10 µm a šířce 2 až 4 µm. V mezofylových buňkách listů se jich nachází v průměru kolem 20, ale toto množství může kolísat v rozmezí hodnot od 10 do 100. Na 1 mm 2 listové plochy připadá přibližně chloroplastů. Na povrchu chloroplastu se nachází dvojitá selektivně permeabilní (polopropustná) membrána o tloušťce asi 10 až 20 nm, ve vnitřní bílkovinné základní hmotě (stromatu) vznikají komplikovaným naskládáním dalšího typu membrán lamely nazývané thylakoidy, které tvoří uvnitř chloroplastu shluky zvané grana. Průměrný chloroplast obsahuje těchto gran asi 50. Předpokládá se, že thylakoidy vytvářejí jednoduchý integrovaný systém membrán. Thylakoidy gran jsou vzájemně spojeny thylakoidy, které vycházejí z gran do prostoru stroma a nazývají se thylakoidy stromatu (intergrana). Vnitřní prostor thylakoidu se nazývá lumen. Vedle granálních, tzv. mezofylových chloroplastů, nalézáme u rostlin fotosyntetického cyklu C 4 v listech v pochvách kolem cévních svazků agranální chloroplasty. Nacházejí se např. u kukuřice (Zea mays) nebo cukrovníku (Saccharum officinarum). Chloroplasty také obsahují malé ribozomy (podobné ribozomům prokaryot) a molekuly DNA (tzv. extrachromozomální DNA). Vysoká autonomie chloroplastů podporuje hypotézu, že chloroplasty se vyvinuly z endosymbiotických sinic.tomu odpovídá i existence dvojité membrány na jejich povrchu, kdy vnitřní část membrány má zřejmě původ v povrchové membráně původně samostatného prokaryotního organismu a vnější část membrány má původ v plazmalemě eukaryotní buňky, která invaginací tuto prokaryotní buňku pohltila. V chloroplastech jsou fáze fotosyntézy prostorově oddělené. To umožňuje, aby odlišné reakce probíhaly vedle sebe a přitom se vzájemně neovlivňovaly nebo nepoškozovaly. Světelná fáze probíhá prostřednictvím dvou fotosystémů na thylakoidech. V thylakoidech gran je umístěn fotosystém I (PS I) i fotosystém II (PS II). V thylakoidech stromatu je pouze PS I. Temnotní fáze probíhá v kapalné části chloroplastu, ve stromatu, kde se nacházejí enzymy pro fixaci CO 2. Absorpce světelného záření rostlinami a fotosyntetické pigmenty Univerzálním zdrojem zářivé energie v biosféře je termonukleární přeměna vodíku na hélium na Slunci. Na hranici zemské atmosféry dopadá jen nepatrný podíl této energie. Asi 40 50% přijaté sluneční energie spadá do spektrální oblasti označované jako světlo a jejíž hranice jsou dány krajními hodnotami vlnových délek vnímaných lidským okem, tedy

3 nejčastěji intervalem od 360 do 780 nm. U tohoto záření umí lidské oko rozeznat barvu, její intenzitu a kombinaci barev. Každá barva souvisí s jinou vlnovou délkou. Fialové světelné záření má vlnovou délku asi 380 až 425 nm, modré 425 až 490 nm, modrozelené 490 až 510 nm, zelené 510 až 550 nm, žluté 550 až 585 nm, oranžové 585 až 640 nm, červené 640 až 700 nm a dlouhovlnné červené 700 až 780 nm. Do výše uvedené oblasti viditelného záření spadá i radiační energie elektromagnetického záření vlnových délek 380 až 710 nm, které využívají zelené rostliny pro průběh fotosyntetických procesů. Toto fotosynteticky účinné záření se označuje jako fotosynteticky aktivní radiace (FAR), která je často definovaná jako oblast nm. Její množství je vyjadřováno při fyziologických měřeních buď v kvantových jednotkách jako hustota toku fotonů (např. v µmol fotonů m -2 s -1 ) nebo v energetických jednotkách jako ozářenost ve W m -2. Důležitou podmínkou fotosyntézy a naprosto nezbytnou součástí obou fotosystémů jsou fotosyntetické pigmenty. Jsou přítomny na vnitřní straně thylakoidních membrán, mají funkci fotoreceptorů, tedy zachycovačů energie světelného záření, a rozdělují se na tři základní skupiny chlorofyly, karotenoidy a fykobiliny. Chlorofyly Jsou nejdůležitější fotosyntetické pigmenty rostlin, přičemž tvoří asi 1% sušiny jejich zelených částí. Základem struktury chlorofylu jsou porfyriny, což jsou 4 pyrolová jádra navázaná na hořčík, který se nachází v centru molekuly chlorofylu, a vzájemně spojená methionovými můstky. Na jednom z jader je připojena fytolová část. V současné době je známo 7 typů těchto zelených barviv: chlorofyly a, b, c, d, e a bakteriochlorofyly a a b. Nejvíce rozšířený a nejdůležitější je modrozelený chlorofyl a (sumární vzorec C 55 H 72 O 5 N 4 Mg), který se vyskytuje u všech vyšších rostlin, řas a sinic. Nenachází se pouze u fotosyntetizujících bakterií, které mají bakteriochlorofyl. Žlutozelený chlorofyl b (sumární vzorec C 55 H 70 O 6 N 4 Mg) se vyskytuje u vyšších rostlin, zelených řas a krásnooček, ostatní chlorofyly se nacházejí pouze v řasách. Chlorofyl c je součástí pigmentových komplexů u chaluh, obrněnek, zlativek a rozsivek a chlorofyl d obsahují některé druhy ruduch. Poměr mezi chlorofylem a a chlorofylem b je u vyšších rostlin přibližně 3:1, není však stálý. Jednotlivé pigmenty se v procesu fotosyntézy opotřebovávají a dochází k jejich neustálé obnově. Denně se obnoví přibližně 5-8% celkového množství chlorofylu. Podmínkou je světlo, přítomnost protochlorofylu (C 55 H 70 O 5 N 4 Mg) a alespoň nepatrné množství dvojmocného železa. Rostliny rostoucí bez dostatku světla jsou bílé (etiolované). Při nedostatku železa mají rostliny bledě žlutou barvu. Jedná se o fyziologickou chorobu zvanou

4 chloróza, při které je proces fotosyntézy velmi pomalý a rostliny mohou i zahynout. Jiným jevem, který je třeba od chlorózy odlišovat, je albinismus. K němu dochází tehdy, když rostliny z určitých vnitřních příčin nemohou tvořit chlorofyl a následně hynou. Zvláštním případem albinismu je panašování, kdy rostliny vytvářejí chlorofyl jen na určitých částech listů, čehož se využívá v okrasném zahradnictví. Chlorofyly absorbují fialové a modré světlo s maximem mezi 440 a 480 nm a oranžovočervené světlo s maximem mezi 650 a 680 nm. Prakticky vůbec nepohlcují zelenou část spektra. Absorpční spektra mají mírně posunutá, takže se v uvedených částech spektra velice dobře doplňují. Aktivita chlorofylu a je přitom vyšší než chlorofylu b. Karotenoidy Jsou to fotosyntetické pigmenty žluté, oranžové a červené barvy. Je jich známo asi 30 typů a byly zjištěny u všech organismů schopných fotosyntézy. Tato pomocná fotosyntetická barviva absorbují světelné záření o vlnových délkách od 400 do 520 nm, tedy fialové a modré až modrozelené, a zachycená světelná energie je potom přenesena na chlorofyly, kde se využije v procesu fotosyntézy. Karotenoidy se rozdělují na: a) bezkyslíkaté žlutooranžové karoteny (C 40 H 56 ), které mají maximum absorpce v rozmezí vlnových délek 410 až 485 nm a z nichž se v největším množství vyskytuje β-karoten (provitamín A) doprovázený různým množstvím α-karotenu; b) kyslíkaté žlutooranžové xantofyly [C 40 H 54 (OH) 2 ], které nejvíce pohlcují záření o vlnových délkách nm; v přírodě jsou více rozšířené než karoteny a v rostoucích listech je jejich množství až dvojnásobné proti karotenům; v zelených listech je z xantofylů nejběžnější lutein (asi 65% celkového obsahu karotenoidů) a neoxantin (více než 10%), dále jsou zastoupeny zeaxanthin, violaxanthin a kryptoxantin. Do skupiny kyslíkatých karotenoidů patří také hnědé barvivo fukoxantin (C 40 H O 6 ), které je vedle chlorofylů a a b, β-karotenu a xantofylu (v případě chaluh) fotosynteticky účinným pigmentem rozsivek a chaluh. Fykobiliny Jsou to pigmenty nacházející se spolu s chlorofylem a β-karotenem u sinic (Cyanophyta) a červených řas (Rhodophyta). Nejznámějšími pigmenty z této skupiny jsou červený fykoerytrin (C 34 H? N 4 O 8 ) absorbující světlo o vlnové délce nm a modrozelený fykocyanin (C 34 H 42 N 4 O 9 ) pohlcující záření o vlnové délce nm. Zachycenou energii světelného záření přenášejí fykobiliny stejně jako karotenoidy na chlorofyly.

5 Jak už bylo napsáno v úvodu této kapitoly, dělí se složitý soubor všech dějů probíhajících při fotosyntéze na tzv. primární procesy zahrnující děje bezprostředně závislé na světle (světelná fáze fotosyntézy) a sekundární procesy, které na světle bezprostředně závislé nejsou, mohou ale na světle probíhat (temnotní fáze fotosyntézy). Světelná fáze fotosyntézy Probíhá na thylakoidech chloroplastů v základním souboru pigmentů a enzymů, který nazýváme fotosyntetickou jednotkou. Můžeme ji definovat jako seskupení molekul chlorofylů, dalších pigmentů, přenašečů elektronů a enzymů uskutečňující najednou příjem 1 molekuly CO 2, výdej 1 molekuly O 2, přenos 1 elektronu a přeměnu 1 světelného kvanta v chemickou energii. Aktivita fotosyntetické jednotky zahrnuje veškeré fotosyntetické reakce od absorpce energie světelného záření přes její přeměnu na volnou chemickou energii a předání na sloučeniny (ATP a NADPH+H + ) schopné ji využívat k syntetickým pochodům. U vyšších rostlin a řas se fotosyntetická jednotka strukturně skládá ze dvou fotosystémů (PS II a PS I), komplexu cytochromů b 6 /f a ATP-syntázy. Fotosystém II má více pigmentů absorbujících světelné záření v oblasti kratších vlnových délek, které nesou více energie, a převládá v něm chlorofyl b nad chlorofylem a v poměru asi 1,2:1 až 2:1. Terminálním pigmentem neboli pigmentem reakčního centra tohoto fotosystému je vždy chlorofyl a s absorpčním maximem při 680 nm, proto se tento chlorofyl označuje jako P680. Jedině tento pigment je schopen ve spojení s donory a akceptory elektronů uskutečnit přeměnu energie světelného záření na energii chemickou. Ostatní pigmenty (u vyšších rostlin chlorofyly a, chlorofyly b a karotenoidy) slouží jako tzv. sběrače kvant nebo anténní pigmenty, tedy zachycují kvanta záření a energii svého excitovaného stavu předávají postupně až na terminální pigment. Fotosystém II katalyzuje rozklad vody za uvolnění molekulárního kyslíku. Zároveň je poolem molekul plastochinonu funkčně spojen s komplexem cytochromů b 6 /f. Fotosystém I je bohatší na pigmenty absorbujících světelné záření při větších vlnových délkách a převládá v něm chlorofyl a nad chlorofylem b asi v poměru 6:1 až 10:1. Terminálním pigmentem je chlorofyl a s maximální absorpcí při vlnové délce 700 nm (P700). Ostatní pigmenty jsou stejně jako u PS II pomocné, světlosběrné. Fotosystém I získává elektron pro své reakční centrum z cytochromového komplexu b 6 /f a jeho přenosem přes ferredoxin redukuje NADP +.

6 P a Cytochrom b 6 /f přenáší elektrony z PSII na PSI a ATP-syntáza využívá protonový gradient vytvořený přenosem elektronů k syntéze ATP na vnějším (stromatálním) povrchu thylakoidní membrány. Tok světelným zářením excitovaných elektronů a přeměna energie světelného záření na energii chemickou se uskutečňuje podle všeobecně přijímaného Z-schématu cestou tzv. cyklické a necyklické fotosyntetické fosforylace (fotofosforylace). Ta je definovaná jako světelným zářením indukovaná syntéza adenozintrifosfátu z adenozindifosfátu a zbytku kyseliny fosforečné. Necyklická fotofosforylace je spojena s rozkladem vody na světle. Systému jsou tím dodávány elektrony a protony. Konečnými produkty jsou ATP a NADPH+HP + s tvorbou ATP. také při fotolýze vody uvolněný O 2. Cyklická fotofosforylace je spojena pouze Necyklická fotofosforylace Je to systém transportu elektronů, v kterém se uplatňují oba fotosystémy a kde se excitované elektrony nevracejí zpět do molekuly terminálního pigmentu, ale využívají se k redukci NADP + (koenzymu nikotinamidadenindinukleotidfosfátu) za vzniku redukovaného NADPH+H +, který je redukčním činidlem v následných cyklech fixace a redukce CO 2. K regeneraci chlorofylu reakčního centra do původního stavu se tedy musí použít elektrony z oxidace vhodné sloučeniny, kterou je u vyšších rostlin, řas a sinic voda. Celý proces necyklické fotofosforylace proto začíná fotosyntetickým rozkladem neboli fotolýzou vody. V ní uvolněné elektrony slouží k průběžnému nahrazování fotonem excitovaných elektronů terminálního pigmentu P680 ve fotosystému II, který tak opět může přijmout energii světelného záření. Excitovaný elektron je přijat primárním elektronovým akceptorem (Q asi karotenoid) a z něho je dále transportován přes redoxní systémy plastochinon (PQ), komplex cytochromů b 6 /f a plastochinonu a plastocyanin (PC) až na terminální pigment P700 v reakčním centru fotosystému I. Transportem s kopce v úseku mezi plastochinonem a cytochromem f stoupá redoxpotenciál elektronu a uvolněná energie je využita k tvorbě ATP z ADP a kyseliny fosforečné. Tím je fyzikální energie, tedy energie světelného záření, převedena na energii chemickou, jež může být rostlinou zužitkována. Na P700 plní elektron stejnou funkci jako na P680, tedy opět nahradí elektron uvolněný při excitaci molekuly terminálního pigmentu. Sám je po příjmu fotonu molekulou P700 rovněž vybuzen na vyšší energetickou hladinu a je přijat primárním elektronovým akceptorem fotosystému I (FeS protein), z něhož je transportován na oxidoreduktázu ferredoxin, která jej předává až na NADP +. Pomocí dvou elektronů a dvou iontů H +, které také pocházejí z fotolýzy vody, je

7 redukován NADP + na NADPH+H +. Třetím produktem necyklické fotofosforylace je kyslík uvolněný fotolýzou z vody. Je-li v buňce poměr NADPH+H + k NADP + vysoký, není produkce dalšího redukovadla nezbytná. V takovém případě je použita tzv. zkratová cesta s cyklickou fotofosforylací (cyklickým transportem elektronů). Cyklická fotofosforylace Je to systém transportu elektronů začínající a končící v molekule chlorofylu reakčního centra, která je současně donorem i akceptorem elektronů. Při cyklické fotofosforylaci se uplatňuje pouze fotosystém I, probíhá bez potřeby vody, je společná pro všechny fotosyntetizující organismy, a proto ji můžeme považovat z hlediska vývoje za prvotní. Absorpcí fotonů se terminální pigment P700 dostane do excitovaného stavu (s vyšší energetickou hladinou) a rychle uvolní elektron, který je bohatý na energii. Tento elektron je přijat primárním elektronovým akceptorem (FeS) a dále je transportován na ferredoxin. Z něho je excitovaný elektron převáděn přes komplex cytochromů b 6 /f a plastochinonu na plastocyanin, který tento elektron předává zpět na molekulu chlorofylu reakčního centra (P700), která se tímto regeneruje do původního stavu. Přitom redoxpotenciál elektronu postupně stoupá a uvolněná energie se akumuluje ve fosfátové vazbě připojené na ADP za vzniku ATP jako jediného produktu této cesty. ATP je zásobou energie na rychlé využití v životních procesech. Zelená rostlina může ATP získat buď fosforylací ADP při fotosyntéze nebo oxidací sacharidů, resp. karboxylových kyselin při respiračních procesech. Na udržení potřebné hladiny ATP v buňkách by vlastně měla stačit jen cyklická fotofosforylace. Rostlina by si ale nemohla udělat zásoby, které by hladinu ATP udržely ve tmě, protože ve tmě množství ATP rychle klesá a v krátkém čase se vyčerpá. Proto se v buňkách ukládají do zásoby trvalejší energetické látky, a to sacharidy, zejména škrob a sacharóza. Sacharidy jsou základem pro tvorbu organických látek živých organismů, jak autotrofů tak i heterotrofů. Biosyntéza sacharidů z CO 2 za pomoci redukčního činidla NADPH+H + a energie ATP probíhá v temnotní fázi fotosyntézy. Temnotní fáze fotosyntézy Temnotní fáze fotosyntézy probíhá v kapalné části chloroplastu (stromatu) a v cytozolu a zahrnuje řadu enzymových reakcí, které pro svůj průběh nepotřebují energii světelného záření a probíhají i ve tmě, pokud se nevyčerpají zásoby ATP a NADPH+H +. V současné době se

8 způsob zapojení CO 2 do organických sloučenin v procesu fotosyntézy vysvětluje na základě dvou mechanismů karboxylace CO 2 : Calvinova cyklu (tzv. C3-typu fixace CO 2 ) a Hatch- Slackova cyklu (tzv. C4-typu fixace CO 2 ). Liší se zejména první sloučeninou, v níž je CO 2 vázán a také energetickou účinností. Určitou analogií Hatch-Slackova cyklu je mechanismus příjmu a fixace CO 2 známý pod označením denní cyklus organických kyselin nebo také CAM syndrom (Crassulaceae Acid Metabolism). Vyskytuje se u většiny sukulentů a označení CAM dostal podle čeledi Crassulaceae, u jejíchž zástupců byl poprvé analyzován. Calvinův cyklus (C3-cyklus) Mezi CO 2 jako zdrojem uhlíku a sacharidy jako výslednými produkty fotosyntézy je celá řada meziproduktů. Pomocí radioaktivně značeného uhlíku( 14 C) a fosforu ( 32 P) se podařilo americkému biochemikovi Melvinu Calvinovi objevit dílčí chemické reakce fotosyntézy a jednotlivé meziprodukty identifikovat. Model cyklu fixace CO 2, který zveřejnil se svými spolupracovníky v roce 1955, dostal proto jeho jméno. V roce 1961 získal prof. Calvin za tento objev Nobelovu cenu. První reakcí cyklu je navázání molekuly CO 2 na 5-ti uhlíkatý glycid ribulóza-1,5-bisfosfát (RuBP) za vzniku velmi nestálého 6-ti uhlíkatého produktu, který se okamžitě spontánně rozpadá na 2 tříuhlíkaté molekuly fosfoglycerátu. Tuto karboxylační reakci uskutečňuje enzym ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza/oxygenáza (Rubisco), což je asi nejrozšířenější bílkovina celé biosféry. Dále následuje redukční fáze, kdy se fosfoglycerát redukuje na glyceraldehyd-3-fosfát v několika krocích vyžadujících ATP a NADPH. Z něho pak izomerací vzniká dihydroxyacetonfosfát. Vytvořené fosfotriózy umožňují regeneraci akceptoru a biosyntézu ostatních monosacharidů se 4 až 7 uhlíky. Např. jedna molekula glyceraldehyd-3-fosfátu a jedna molekula dihydroxyacetonfosfátu jsou spojeny do molekuly fruktóza-6-fosfátu, která může být převedena na další sacharidy, primárně glukózu. Z ní vznikají rezervní sacharidy ve stromatu chloroplastů škrob a v cytoplazmě sacharóza, která je považována za hlavní transportní sloučeninu u vyšších rostlin. Část fosfotrióz se využije na tvorbu lipidů a aminokyselin nezbytných pro růst rostlin. Regenerací primárního akceptoru CO 2, tedy ribulóza-1,5-bisfosfátu, se cyklus uzavírá. Škrob, který se tvoří v chloroplastech v podobě zrn se označuje jako asimilační, nebo tranzitorní. Z chloroplastů je zpravidla v noci (případně i během dne) transportován v podobě sacharózy do různých částí rostliny. V zásobních orgánech se škrob ze sacharózy opět tvoří. Hromadí se tam jako škrob zásobní a jeho zrna jsou lokalizována v amyloplastech.

9 B B Syntéza lipidů a proteinů je charakteristická pro mladá rostoucí pletiva. V dospělých pletivech převažuje syntéza sacharidů, pouze 1-5% fosfoglycerátu se mění na proteiny a lipidy. Fotorespirace u C3-rostlin Rostliny C3-cyklu mají schopnost na světle nejen spotřebovávat CO 2 a uvolňovat O 2 (fotosyntéza), ale dochází u nich i k opačné výměně plynů s okolím konzumují O 2 a uvolňují CO 2. Tento proces se nazývá fotorespirace (světelné dýchání) a s mitochochondriální respirací má společný pouze výdej CO 2. Jinak se jedná o dva rozdílné procesy, o dvě zcela rozdílné cesty. Fotorespirace je lokalizována do chloroplastů, peroxizomů a mitochondrií a začíná v chloroplastech vlivem enzymu Rubisco. Ten při fotosyntéze karboxyluje RuBP za vzniku dvou molekul fosfoglycerátu, ale při nízkém obsahu CO 2 a vyšší koncentraci O 2 se chová jako oxygenáza, do reakce místo CO 2 vstupuje kyslík, nastává oxidace a vzniká vedle jedné molekuly fosfoglycerátu také jedna molekula fosfoglykolátu. Tato situace nastává zejména v horkém suchém prostředí, když rostlina uzavřením průduchů omezuje výpar vody a tím brání i difůzi CO 2. Při normálním složení atmosféry kolem listu (21 obj. % O 2 ; 0,035 obj. % CO 2 ) je poměr karboxylázové a oxygenázové aktivity Rubisca asi 3:1. V další fázi se z fosfoglykolátu při jeho defosforylaci odštěpí fosfor a vzniká glykolát, který je substrátem tzv. glykolátové cesty fotorespirace. Glykolát je z chloroplastů translokován do sousedního peroxizómu a zde se oxiduje na glyoxylát. Vzniklý peroxid vodíku je odstraněn z peroxizómu katalázou. Potom se mění glyoxylát transaminací na glycin vstupující do mitochondrie. Spojením dvou molekul glycinu v mitochondriích vzniká serin a uvolňuje se do okolního prostředí CO 2 a NH 3. Tím, že se při fotorespiraci rozkládají meziprodukty fotosyntézy a uvolňuje se CO 2, je jasné, že čistý výtěžek fotosyntézy musí silně klesnout. Ztrácí se tak přibližně 30-50% uhlíku asimilovaného v Calvinově cyklu a zatím není úplně jasné, k čemu je proto fotorespirace pro rostlinu dobrá. Umožňuje sice tvorbu aminokyselin glycinu a serinu, ale velmi významné snížení fotosyntetického výkonu C3-rostlin vede k otázce, zda je to opravdu její jediný nebo hlavní význam. Existují určité náznaky možného energetického významu fotorespirace, konkrétně vzniku ATP při tvorbě serinu v mitochondriích. V poslední době se dále předpokládá významná funkce fotorespirace v dusíkatém metabolizmu rostliny. CB3B-cyklus je typický pro většinu rostlin mírného pásma a chladnějších oblastí. Označujeme je jako CBB3B B B-rostliny. B Fotorespirace u nich výrazně snižuje čistý výtěžek fotosyntézy, proto se také mluví o těchto rostlinách jako o fotosynteticky málo výkonných. V suchých tropických a subtropických oblastech rostou ale některé rostliny (např. tropické

10 trávy, cukrovník, kukuřice, proso, čirok a další), které jsou schopné negativní účinek fotorespirace na čistý výtěžek fotosyntézy omezit na minimum a jsou proto fotosynteticky velmi výkonné. U těchto rostlin se vyvinul mechanismus, jímž je pro Calvinův cyklus zajištěna vysoká koncentrace CO 2 a negativní vliv fotorespirace na čistý výtěžek fotosyntézy je minimalizován. Objevili ho v druhé polovině 60-tých let M.D. Hatch a C.R. Slak a podle nich se také nazývá. Hatch-Slackův cyklus (C4-cyklus) Rostliny s C4-cyklem vykazují zvláštní listovou anatomii, kdy kolem cévních svazků vzniká nejdříve věnec z buněk pochvy cévního svazku s vysokým obsahem chlorofylu, potom vnější věnec buněk mezofylových s nižším obsahem chlorofylu. Toto zvláštní uspořádání asimilačních buněk se označuje jako věnčité. Chloroplasty v mezofylových buňkách jsou normálně vystaveny, mají tedy grana tvořená vrstvami thylakoidů. Škrob se v nich obvykle netvoří. Naproti tomu chloroplasty v buňkách pochvy neobsahují žádná navrstvená grana (agranální chloroplasty), chybí jim proto i fotosystém II, který je na ně vázaný, a tím i možnost necyklického transportu elektronů. Škrob se v nich ale hromadí. Jak je to možné, když pro jeho tvorbu je důležitá přítomnost ATP a NADPH+H+, které se v normálních chloroplastech vytvářejí necyklickým transportem elektronů? Odpověď dává právě cyklus C4-dikarboxylových kyselin objevený a popsaný Hatchem a Slackem. U C4-rostlin se v cytoplazmě mezofylových buněk fixuje CO 2 (ze vzuchu nebo uvolněný při fotorespiraci) do fosfoenolpyruvátu (PEP) za vzniku oxalacetátu (kyseliny oxaloctové). Proces katalyzuje enzym fosfoenolpyruvátkarboxyláza (PEP-karboxyláza), který je mnohem citlivější na CO 2 než Rubisco, a proto fotosyntéza může probíhat i při velmi nízké koncentraci CO 2 v prostředí (např. když jsou přivřené průduchy při snížené dostupnosti vody pro rostliny). Uhlíkovým substrátem PEP-karboxylázy není přímo CO 2, ale HCO - 3. Ve vlastní reakci však nejprve váže Mg 2+, potom PEP a nakonec HCO - 3. Oxalacetát je v chloroplastech mezofylových buněk redukován malátdehydrogenázou na malát (kyselinu jablečnou), který se transportuje do buňky pochvy cévního svazku. V jejích chloroplastech je štěpen na CO 2 a pyruvát specifickými enzymy za současného vzniku NADPH+H +. Oxid uhličitý je přenášen na RuBP a NADPH+H + je probíhajícím Calvinovým cyklem využit k redukci fosfoglycerátu. Tím je vysvětleno, proč v buňkách pochev cévních svazků mohou chybět grana a tím i tvorba NADPH+H + necyklickým elektronovým transportem. Také je vysvětlena přítomnost škrobu, který vzniká cestou založenou na Calvinově cyklu. Pyruvát přechází zpět do mezofylových buněk, v jejich chloroplastech je fosforylován na PEP a může být opět využit na primární

11 poutání CO 2. Přeměna pyruvátu na PEP vyžaduje energii ve formě ATP a cesta C4 je proto energeticky náročná. Tím můžeme vysvětlit skutečnost, že C4-rostliny jsou málo výkonné, když je světlo limitujícím faktorem fotosyntézy. Naopak, při vysoké intenzitě světelného záření a vysoké teplotě je tato energetická náročnost více než vyvážena výhodami mechanizmu C4. Mechanizmus fotosyntézy u C4-rostlin se tedy vyznačuje prostorovým oddělením primární fixace CO 2 (v cytozolu mezofylových buněk) od sekundární fixace v Calvinově cyklu (v chloroplastech buněk pochvy cévních svazků). Analogicky je oddělena i produkce NADPH+H + (v granálních chloroplastech v mezofylových buňkách) od jeho spotřeby (v agranálních chloroplastech v buňkách pochvy cévních svazků). NADPH+H + je v podstatě transportován ve formě malátu, neboť při redukci oxalacetátu na malát se NADPH+H + spotřebovává a při dekarboxylaci malátu se tvoří. Konečným výsledkem prostorového oddělení fixace CO 2 je zajištění jeho dostatečného množství jako základního substrátu pro enzym Rubisco a celý Calvinův cyklus i při přivřených průduších z důvodu snížené dostupnosti vody. V důsledku toho dochází k potlačení fotorespirace. Pokud k fotorespiraci přesto dojde, probíhá podle mechanizmu uvedenému dále. Fotorespirace u C4-rostlin U těchto rostlin se dvěma typy fotosyntetizujících buněk začíná fotorespirace v chloroplastech buněk pochev cévních svazků. Zde vzniklý glykolát je transportován do peroxizomů těchto buněk a tam je oxidován na glyoxylát. Transaminací glyoxylátu vzniklý glycin vstupuje do mitochondrií mezofylových buněk, kde spojením dvou jeho molekul vzniká serin a uvolňuje se CO 2. Tento oxid uhličitý je v cytoplazmě fixován do PEP a je opět využit v syntetických pochodech Hatch-Slackova cyklu a ztráty CO 2 fotorespirací jsou minimalizovány. Vysoká citlivost PEP k CO 2 a schopnost využívat CO 2 z fotorespirace vede k vyšší fotosyntetické výkonnost C4-rostlin. Jak rychlost fotosyntézy, tak i tvorba biomasy je u nich o 30% až 50% vyšší než u rostlin C3. Rostliny s C4-typem fotosyntézy také lépe hospodaří s vodou, neboť mohou fotosyntetizovat i při přivřených nebo uzavřených průduchových štěrbinách, kdy je přísun CO 2 z vnějšího prostředí nízký. Většina rostlin na Zemi ale patří k typu C3. Například z celkové produkce biomasy připadá na rostliny C4 asi jen 18%. C4- cyklus byl zjištěn u převážně teplomilných druhů rostlin. Rozšíření rostlin s CB4B-typem fixace oxidu uhličitého i do chladnějších oblastí brání vysoká citlivost PEP-karboxylázy a dalších

12 enzymů Hatch-Slackova cyklu k nízkým teplotám, při kterých jejich aktivita výrazně klesá nebo se úplně zastavuje. Vysoké zastoupení mají C4 druhy mezi travami, kde z druhů je jich asi polovina C4. Naopak mnohem méně se tyto druhy vyskytují mezi rostlinami dvouděložnými, kde z celkového počtu asi druhů jich pouze kolem patří do skupiny s C4 fotosyntézou. C4 druhy dvouděložných rostlin však patří mezi nejškodlivější a nejagresivnější plevele. Plných 14 druhů z 18 nejškodlivějších světových plevelů se vyznačuje fotosyntézou C4. Je pravděpodobné, že při zvýšení teploty v některých oblastech v důsledku změny klimatu budou se právě tyto druhy plevelů šířit velmi silně. Taxonomické zastoupení druhů C4 nasvědčuje tomu, že se tento typ vyvinul relativně nedávno z původního typu fotosyntézy rostlin C3, a to pravděpodobně několikrát během fylogeneze. Faktory ovlivňující rychlost fotosyntézy Využití fotosynteticky aktivní radiace (FAR) a CO 2 rostlinami při fotosyntéze je v závislosti na typu rostliny (C3, C4) ovlivňované a limitované celou řadou faktorů vnitřních a vnějších. V rámci vnitřních faktorů se jedná o anatomické a morfologické uspořádání asimilačních orgánů, např. o uspořádání asimilačních buněk v listech, počet chloroplastů a především obsah chlorofylu a poměr chlorofylu a k chlorofylu b. Posledně jmenované faktory úzce souvisí se stářím listů. Užší poměr obsahu chlorofylů a nižší rychlost fotosyntézy mají mladé listy. Maximální rychlost fotosyntézy má list v období, kdy dosahuje 50 80% své konečné velikosti. Mluvíme o stavu tzv. fotosyntetické dospělosti. V takovém listu se obvykle nachází 4 až 5 mg chlorofylu na 0,01 m 2 listové plochy a poměr chlorofylu a k chlorofylu b je asi 3-4:1. V této době je v listu i největší obsah rostlinných hormonů podněcujících jeho růst. Nejvyšší rychlost fotosyntézy je v listech ve střední části lodyhy. Se stárnutím listu se obsah chlorofylu snižuje až na 1 2,5 mg na 0,01 m 2 a zužuje se poměr chlorofylu a k chlorofylu b. Tím dochází k poklesu rychlosti fotosyntézy a nastává tzv. chlorofylový kompenzační bod. V tomto stavu je čistá fotosyntéza nulová, protože se množství přijatého CO 2 rovná množství vydaného CO 2 při respiračních procesech. Z vnějších faktorů jsou důležité intenzita a spektrální složení dopadajícího světelného záření, koncentrace CO 2 v atmosféře, teplota prostředí, dostupnost vody pro rostliny a minerální výživa. Intenzita a spektrální složení světelného záření

13 Podle zeměpisné šířky místa, jeho nadmořské výšky, povahy terénu a hustoty oblaků nastávají velké oblastní a místní rozdíly v hodnotách intenzity světelného záření dopadajícího na zemský povrch a na rostliny. Takže např. v suchých tropických oblastech s vysokým tlakem vzduchu a s malou oblačností dopadá na zemský povrch až o 50% více slunečního světelného záření než činí průměrné množství za celou planetu Zemi. Kromě toho ve vyšších polohách dopadá na zemský povrch více záření než v nižších polohách v důsledku kratší dráhy paprsků a menšího stupně vzdušné turbidity Světelné záření dopadající na jednotku listové plochy za jednotku času měříme jako ozářenost v jednotkách toku energie (W m -2 ) nebo jako hustotu toku fotosynteticky aktivních fotonů (µmol m -2 s -1 ). Maximální hodnoty intenzity dopadajícího světelného záření se za jasného letního dne pohybují v hodnotách W m -2, nebo-li asi µmol m -2 s -1. Na kvantitu světelného záření jsou velmi náročné rostliny světlomilné (heliofyty), které rostou na zcela nezastíněných stanovištích. Při snížené intenzitě dopadajícího záření u nich výrazně klesá čistá fotosyntéza, která při 5% z plného slunečního záření dosahuje nulových hodnot. Mluvíme o kompenzační ozářenosti, tj. takové hodnotě ozářenosti, při které rychlost hrubé fotosyntézy je právě dostatečná na kompenzaci současně probíhající respirace. U rostlin stínomilných (sciofyt) nastává tento stav později, asi při 1% plného slunečního záření. Z toho vyplývá, že čím vyšší hodnotu má kompenzační ozářenost, tím je rostlina více světlomilná. Intenzitě světelného záření se rostliny přizpůsobují změnou obsahu a skladby fotosyntetických pigmentů. Rostliny světlých stanovišť mají sice méně chlorofylů než rostliny stínomilné, ale mají jejich lepší skladbu, mají více chlorofylu a. Jinou charakteristikou pro hodnocení vlivu intenzity světelného záření na fotosyntézu rostlin je saturační ozářenost. To je hodnota, při které dochází k nasycení fotosyntézy zářením a další růst ozářenosti již rychlost fotosyntézy nezvyšuje. Této hodnoty dosahují C3-rostliny asi při intenzitě světelného záření W m -2 (odpovídá asi µmol m -2 s -1 ). Většinou světlomilné C4-rostliny někdy nedosáhnou saturační ozářenosti ani při nejvyšších hodnotách, tedy W m -2. Rostliny využívají ve fotosyntéze světelné záření o vlnových délkách od 400 do 700 nm a jsou velmi citlivé na jeho spektrální složení. které se mění v závislosti na postavení Slunce nad horizontem, na obsahu vodních par a tloušťce atmosféry. Jak již bylo uvedeno, pro fotosyntézu je nejúčinnější záření červené s maximem mezi nm a modrofialové s maximem mezi 440 a 480 nm. Nejméně účinné je záření zelené. Světlomilné rostliny využívají lépe červené světlo, stínomilné rostliny přizpůsobené rozptýlenému světlu využívají lépe paprsky modrofialové. Koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře

14 Průměrný obsah CO 2 ve vzduchu se nyní pohybuje kolem 0,038% a stále se zvyšuje. Toto množství během roku mírně kolísá. Na severní polokouli je nejvyšší koncentrace CO 2 ke konci zimního období a nejnižší koncem léta, tj. v období maximální fotosyntetické fixace CO 2 rostlinnými společenstvy. Fotosyntéza začíná přibližně při obsahu 0,01% CO 2 ve vzduchu, ale ani 0,38% není pro ni zdaleka dostačující. Ukazuje se, že zvýšení této koncentrace na deseti až dvacetinásobek může při optimálním zastoupení ostatních faktorů, zvláště tepla, světelného záření, vody a minerální výživy, rychlost fotosyntézy výrazně zvyšovat. Takové obohacování vzduchu o CO 2 je možné jen v uzavřených prostorách (ve - sklenících), v polních podmínkách můžeme částečně ovlivňovat příjem iontů HCO 3 přes kořeny rostlin. Nejdůležitějším zdrojem půdního oxidu uhličitého je mikrobiální rozklad organické hmoty. Z toho vyplývá velký význam správného hnojení organickými hnojivy a pečlivého obdělávání půdy. Musíme si ale uvědomit, že kořeny přijímaný oxid uhličitý nemůže pokrýt potřebu rostlin. Teplota prostředí Teplota prostředí ovlivňuje fotosyntézu velice významně. U většiny rostlin mírného pásma se zastavuje fotosyntéza při teplotě 0 C nebo mírně pod nulou, u tropických rostlin při +5 až +10 C. Rostliny C3 mají svoje teplotní optimum pro fotosyntézu nižší (přibližně C) než rostliny C4 (asi 28 až 35 C). Pro C 3 rostliny jsou teploty přes 30 C nevýhodné, protože výrazně vzrůstá oxygenázová aktivita Rubisco a tudíž fotorespirace vede ke značnému snížení čisté fotosyntézy. Při teplotách nad 40 C pak nastává prakticky u všech rostlin prudký pokles fotosyntézy, neboť začíná denaturace fotosyntetických enzymů, ale dýchání ještě pokračuje. V tom je podstata nepříznivého účinku vysokých teplot na rostliny. Teplota je dominujícím klimatickým parametrem určujícím četnost druhů C4. Zastoupení druhů C4 v jednotlivých ekosystémech a na jednotlivých lokalitách je nejčastěji určováno minimální teplotou daného vegetačního období. Čím je tato minimální teplota vyšší, tím větší zastoupení mezi rostlinami mají druhy C4. V některých studiích se však prokazuje vztah k denní průměrné nebo maximální teplotě. Denní teploty v rozsahu od 20 C do 28 C tvoří jakýsi předěl, kdy při nižších teplotách dominují druhy C3, zatímco při vyšších zase C4. Dostupnost vody pro rostliny Zvýšení obsahu CO 2 v atmosféře až na předpokládaných 500 µl CO 2 l -1 vzduchu, případně i více v příštích desetiletích a stoletích spojený s vyšší teplotou může významně ovlivňovat i vodní režim rostlin. Nejvíce vody potřebuje rostlina na úhradu výparu (transpirace), aby pletiva neusychala a nepřehřívala se. Je-li výdej vody transpirací větší než příjem kořeny, rostlina vadne a zavírají

15 se průduchy regulující vedle transpirace také vstup CO 2 do listu a tím i rychlost fotosyntézy. K přechodnému nedostatku vody a poklesu fotosyntézy dochází v poledních hodinách za horkých slunných dní. Mnohem horší je ale dlouhodobější nedostatek vody. Voda se totiž účastní přímo fotosyntetických reakcí, fotolýza vody je zdrojem elektronů a vodíkových protonů pro další průběh fotosyntézy, a dále vytváří v rostlině příznivé podmínky pro průběh nejrůznějších fyziologických procesů a biochemických reakcí, včetně fotosyntézy. Tato funkce je velmi důležitá, proto odvodnění rostlinných pletiv vlivem sucha může vést k hlubokým fyziologickým poruchám nebo i k zahynutí rostliny. Za nejvýznamnější kompenzační efekt zvýšené atmosférické koncentrace CO 2 je možné považovat zvýšení efektivnosti využití vody (WUE). Zvýšenou koncentrací CO 2 navozená snížená vodivost průduchů redukuje rychlost transpirace. Vzhledem k tomu, že zvýšená nabídka CO 2 uvnitř asimilačního pletiva, jež je důsledkem nárůstu obsahu CO 2 v okolí listu, vede ke zvýšené fotosyntéze, je možné pozorovat nárůst hodnoty WUE. Vztah mezi nárůstem hodnoty WUE a koncentrací CO 2 v atmosféře je lineární, ovšem vyšší produkce sušiny při vyšší koncentraci CO 2 zřejmě povede i přes příznivější WUE k celkově větší spotřebě vody na produkci biomasy. Na mnoha stanovištích by to znamenalo jejich aridizaci způsobenou vyčerpáním zásob vody, na něž je zatím příslušná vegetace adaptována, a to ještě před ukončením vegetace. Minerální metabolismus rostlin Stav minerální výživy rovněž výrazně ovlivňuje rychlost fotosyntézy. Stres způsobený nedostatečnou minerální výživou může úplně eliminovat pozitivní účinek ostatních faktorů prostředí. Důležité prvky minerální výživy, jako je dusík, draslík, fosfor, hořčík a železo bezprostředně ovlivňují tvorbu a funkci fotosyntetického aparátu. Dusík tvoří podstatnou součást chlorofylu a je nezbytný pro tvorbu aminokyselin. Draslík je důležitý pro funkci enzymů. V jeho přítomnosti využívají rostliny při biosyntéze chlorofylu mnohem efektivněji železo, dále ovlivňuje tvorbu glycidů a syntézu bílkovin. Fosfor je nezbytný pro fotofosforylaci, kdy za jeho účasti se tvoří makroergické sloučeniny, z nichž hlavně ATP je důležitým dárcem energie pro různé fyziologické procesy (např. pro syntézu organických látek, příjem živin apod.). Hořčík je důležitou stavební součástí chlorofylu, pro jehož tvorbu je nezbytná přítomnost alespoň nepatrného množství železa, které se navíc uplatňuje při přenosu elektronů mezi fotosystémem II a I. Rychlost fotosyntézy ovlivňují také některé mikroelementy, např. měď a zinek. Měď stabilizuje molekuly chlorofylů a nedostatek zinku snižuje počet chloroplastů a tím i obsah chlorofylu.

16 DÝCHÁNÍ Dýchání je základní podmínkou života rostlin a je jednou z nejcharakteristějších vlastností organismu. Nelze jej oddělit od života,neboť jeho zastavení znamená smrt. Dýchání je fyziologický proces, v němž si rostlinná buňka biologickou fixací organických substrátů zabezpečuje energii na anabolické procesy. Jedná se o složitý biologický proces, který se skládá: a) systém oxidační-redukčních reakcí řízených příslušnými enzymatickými systémy a katalyzátory. Úlohou enzymů je aktivovat kyslík, zabezpečit přenos protonů a elektronů na kyslík a využít energii oxidovaného substrátu na syntézu ATP. b) disimilační procesy, kterými se přeměňují původní organické látky až na minerální složky oxid uhličitý a vodu. c) Tvorbu meziproduktů, intermediárních látek, které se využívají v metabolizmu buňky, zejména v biosyntetických dějích. Vnějším projevem dýchání je gazometrická výměna mezi organizmem a prostředím, charakterizovaná přijímáním kyslíku a vylučováním oxidu uhličitého. Prodýchávání glukózy může být vyjádřeno rovnicí: C 6 H CO H 2 O kj Uvedená sumární rovnice dýchání není zcela přesná, neboť se jedná o velice komplikovaný proces. Jedná se o sérii více jak 50ti reakcí, které jsou katalyzovány celou řadou enzymů. Jedná se o postupnou přeměnu molekul, která vede ke konverzi energie a její uskladnění do ATP a hromadění intermediárních uhlíkatých sloučenin. Mezi ně patří aminokyseliny pro syntézu bílkovin, nukleotidy pro syntézu nukleových kyselin, uhlíkaté prekurzory pro porfyriny pigmentů a další. Když jsou vytvořené uvedené meziprodukty, konverze primárních respiračních substrátů na oxid uhličitý a vodu není úplná. Zda se přemění atom uhlíku v prodýchávaných substrátech na oxid uhličitý nebo na některé z početných meziproduktů je závislé na mnoha faktorech. Centrální postavení dýchání v metabolizmu rostlin i ostatních živých organismů je dáno tím, že spojuje procesy metabolizmu sacharidů, bílkovin, aminokyselin, nukleových kyselin a tuků a tedy je jedním ze základních regulátorů syntetické funkce organismu, včetně růstu

17 rostlin. Makroergické vazby vznikající v dýchacím procesu se mohou využívat např. v transmembránovém transportu, při pohybu cytoplazmy, dělení buněk apod. Mnoho energie se uvolňuje ve formě tepla. Při nízkých teplotách může toto teplo stimulovat metabolizmus, čím se zvyšuje jeho účinnost v porovnání s teplem přenášeným do atmosféry anebo do půdy. Základním zdrojem energie jsou tedy oxidační procesy. Kyslík potřebný k aerobnímu dýchání se dostává do rostliny přes průduchy, lenticely i pokožkou. Místem buněčného dýchání, kde je lokalizovaný dýchácí řetězec a citrátový cyklus jsou mitochondrie. ENERGETICKÉ SUBSTRÁTY A RESPIRAČNÍ KVOCIENT Energeticky bohaté organické látky, které rostlina využívá jako substráty dýchání se složitou cestou biologické oxidace rozkládající ne jednoduché organické molekuly. Tyto substráty, v případě, že je buňka dobře zásobena kyslíkem, se mohou zapojit do citrátového cyklu a úplně zoxidovat na vodu a oxid uhličitý, přičemž se získá značné množství energie. Dýchacím subtstrátem jsou látky různého chemického složení. Je to možné tím, že: 1) v buňce se nachází různé katalytické mechanizmy dovolující rozklad těchto látek, 2) oxidačně- redukční přeměny mohou v buňce probíhat několika, vzájemně se lišícími cestami, 3) oxidace látky může v buňce probíhat buď přímo za přítomnosti specifických enzymů či nepřímo. Jako respirační substráty mohou být škrob, fruktózy, sacharóza a další cukry, tuky, organické kyseliny a za specifických podmínek i bílkoviny. Hlavním respiračním substrátem jsou sacharidy. Polysacharidy se obvykle rozkládají na glukózu, jejíž hladina je v rostlině neustále udržována, tedy i v případě, že je zaznamenán úbytek jiných cukrů. Jestliže je oxidace glukózy úplná, objem pohlceného kyslíku se rovná objemu vyloučeného oxidu uhličitého. Tento poměr mezi vydaným oxidem uhličitým a přijatým kyslíkem se nazývá respirační kvocient (RQ) a je roven 1. Pro semena olejnin, obsahující tuk a olej bohatý na vodík a chudý na kyslík, jejich respirační kvocient je nižší než 0,6.

18 Mnohé rostlinné druhy, které obsahují tuky a oleje bohaté na vodík a chudé na kyslík mají při klíčení hodnotu respiračního kvocientu 0,7, ale při dozrávání semen tj. v období tvorby tuků je hodnota vyšší než 1. Jestliže se prodýchávají bílkoviny pohybují se hodnoty respiračního kvocientu v rozmezí mezi 0,7 až 0,8. Při prodýchávání organických kyselin RQ stoupají. Např. kyselina oxaloctová má RQ roven 4. Stanovení respiračního kvocientu umožňuje získat informace a typu oxidované sloučeniny. Tento problém je velmi komplikovaný, protože v tom samém času mohou být oxidované různé typy sloučenin a tak se průměrné hodnoty RQ závisí na podílu prodýchávaných substrátů. Hodnoty RQ nejsou stálé. Pokles je možné zaznamenat tehdy, když se v pletivech hromadí sloučeniny přechodného charakteru. Pokles je tím větší, čím je větší podíl prodýchávaného substrátu zůstává v neoxidovaném stavu. Zvýšení je možné pozorovat tehdy, když je do pletiv stížený nebo omezený přístup kyslíku. Hodnotu respiračního kvocientu ovlivňují též vnější podmínky, věk jednotlivých orgánů a ontogenetický stav rostlin. Kvantitativní stránku dýchacího procesu vyjadřuje rychlost dýchání. Mezi nejběžnější a nejvíce používané metody stanovení rychlosti dýchání patří metody gazometrické. Proto rychlost dýchání nejčastěji vyjadřujeme množstvím spotřebovaného kyslíku anebo vyloučeného oxidu uhličitého hmotností jednotkou dýchacího materiálu za jednotku času. Rychlost dýchání je hodnota značně variabilní. Závisí na specifických vlastností druhu i jednotlivé orgány a jejich pletiva mají rozdílnou rychlost dýchání. Změny rychlosti dýchání jsou spojeny s jejich vývojovým stavem, růstovou fází, inzercí listů v rámci rostliny, obsahem vody, růstových látek, zejména auxinu a giberelinu. MECHANIZMUS DÝCHÁNÍ Oxidační proces rozdělil Krebs do pěti etap. V přípravné etapě dochází k rozkladu složitých makromolekul na menší degradační produkty bez zisku využitelné energie. Bílkoviny se hydrolyzují až na úroveň aminokyselin, polysacharidy na jednoduché jednotky využitelné v metabolizmu. Monosacharidy, karboxylové kyseliny, glycerol, aminokyseliny podléhají přeměně, která je částečně spojená s oxidací, a tedy i se ziskem energie. Při této přeměně vzniká acetyl - CoA. Oxidací substrátu je ukončen citrátový cyklus. Uhlík

19 metabolitů se uvolňuje ve formě oxidu uhličitého, protony a elektrony přecházejí dýchacím řetězcem až na kyslík, se kterým tvoří vodu. Konečná fáze oxidace substrátů je spojena s fosforylačními procesy, čímž je zabezpečena syntéza ATP. MITOCHONDRIÁLNÍ STRUKTURY A DÝCHÁNÍ Pyruvát a NADH vytvořené v glykolýze se oxiduje v mitochondriích, které jsou specializované na biologickou oxidaci substrátu. Od cytoplazmy je odděluje dvojitá povrchová membrána. Vnější mitochondriální membrána je hladká, nečleněná a dobře propustná pro malé molekuly. Vnitřní mitochondriální membrána ohraničuje vnitřní prostor mitochondrie vyplněný matrixem a směrem dovnitř vytváří mitochondriální kristy. Tvar a počet mitochondriálních krist je variabilní a zvyšuje se s metabolickou aktivitou mitochondrií. Vztah mezi tvorbou mitochondriálních krist a respirační aktivitou není závazné a tvorba membrán předchází syntéze enzymů respiračního řetězce. Vnitřní mitochondriaální membrána má na straně sousedících s matrixem oxizómy. Předpokládá se, že se podílejí na konverzi anorganického fosfátu na ATP. nazývají se proto ATPazový komplex. Důležitou součástí této membrány si komponenty elektrotransportního systému v odpovídajícím pořadí přenosu elektronů ze substrátu na kyslík ve směru potenciálního spádu. V současnosti je už známá přesná lokalizace některých složek respiračního řetězce. GLYKOLÝZA Glykolýza je anaerobní proces odbourávání sacharidů. V tomto procesu se glukóza aktivuje a dále se přeměňuje přes několik mezistupňů. Glykolýza probíhá v cytosolu, nepotřebuje kyslík a ze všech stupňů respirace je vývojově nejstarší. Při glykolýze se jedná o dvě skupiny reakcí: 1) přeměna výchozích sacharidů na triózy bez zisku energie. Průběh závisí na výchozím sacharidu. 2) Oxidace trióz s akumulací části energie uvolněné při oxidaci. Jako základní substráty ke glykolýze jsou využívány zejména glukóza a fruktóza, které vstupují do reakcí. Vznikají rozkladem sacharózy a škrobu. Syntéza a rozklad škrobu začíná v plastidech, takže cukr ze škrobu pak vstupuje do cytosolu. Do začátku glykolitických reakcí vstupuje hexóza, která je dvakrát fosforylována a pak rozdělena.

20 Vzniknou dvě molekuly tří uhlíkatých cukrů a glyceraldehyd 3 fosfát. Jedná se o dvě ze tří hlavních nevratných reakcí glykolitické cesty. Aby vznikly dvě sloučeniny je zapotřebí dodání 2 molekul ATP a působení enzymů hexokinázy a fosfofruktokinázy. Glyceraldehyd-3- fosfát umožňuje získat energii pro další glykolýzu. Enzym glyceraldehyd-3- fosfát dehydrogenáza, která katalyzuje oxidaci glyceraldehydu na karboxy kyselinu a uvolní se potřebná energie k redukci NAD + (jedná se o organický kofaktor, který ve spolupráci s enzymy umožňuje redox reakce) na NADH (uchovává volnou energii vytvořenou během stupňů oxidace v Krebsově cyklu). Fosforylací karboxylové kyseliny vznikne 1,3 bisfosfoglycerát. V dalším stupni glykolýzy za pomocí enzymu fosfoglycerátkinázy vzniknou dvě molekuly ATP. v dalších reakcích dojde ke vzniku fosfoenolpyruvátu. Enzym pyruvátkináza katalyzuje vznik dalšího ATP a vznikne poslední stupeň glykolýzy kyselina pyrohroznová pyruvát. Při této třetí nevratné reakci glykolýzy vzniknou 2 molekuly ATP na každou molekulu glukózy vstupující do reakce. V průběhu glykolýzy dále vznikají celuloza, tuky, mastné kyseliny, bílkoviny, fytohormony gibereliny a ABA. První výsledný produkt glykolýzy ke pyruvát. Jeho další přeměna závisí na zásobování buňky kyslíkem. Za anaerobních podmínek se pyruvát mění na laktát nebo etanol. V cytoplazmě se tak regeneruje NAD +. Za aerobních podmínek se pyruvát přesouvá z cytoplazmy do mitochondrií, kde se v citrátovém cyklu úplně oxiduje na oxid uhličitý a vodu. Druhý výsledný produkt glykolýzy NADH se může reoxidovat v dýchacím řetězci v mitochondriích. Pro NADH je však vnitřní mitochondriální membrána nepropustná. Proto se nemůže oxidovat NADH dehydrogenázou dýchacího řetězce lokalizovaného na vnitřní straně vnitřní membráně mitochondrie. Mitochondrie rostlin mají na rozdíl od živočichů ve vnitřní membráně obrácené k cytosolu lokalizovanou ještě druhou NADH-dehydrogenázu, která potom může oxidovat cytoplazmatické NADH. Účinnost glykolýzy je z energetického hlediska malá. Význam glykolýzy je především v profukci pyruvátu, NADH a důležitých meziproduktů, které mohou být substrátem pro jiné reakce. Tok látek při glykolýze reguluje aktivita důležitého enzymu glykolýzy, kterým je fosfofruktokináza. Jedná se o ireverzibilní enzym glykolýzy, který neumožňuje zpětnou

21 reakci, tj. resyntézu glukózy z pyruvátu. Fosfofruktikináza je iniciátorem toku látek do glykolýzy podle potřeb buňky a kontroluje glykolýzu. KVAŠENÍ Kvašení je proces přeměny pyruvátu při nedostatečném množství kyslíku. Proces má malou energetickou výtěžnost, ale vznikají v něm významné oxidační produkty zejména z hlediska průmyslového využití. Proces uskutečňují nezelené mikroorganizmy bakterie, kvasinky, plísně. Nejznámějšími představiteli kvašení jsou kvasinky. Kvasinky se nakonec stávají obětí svých vlastních produktů, přestože jsou schopné přežít i vysoké koncentrace 120 g/l etanolu v roztoku, nakonec se přestanou množit a zahynou. Kvašením se dá vyrobit maximálně 12 % alkohol. Buňky vyšších rostlin jsou také schopny produkovat alkohol v podmínkách nedostatku kyslíku. Přežívají však pouze koncentraci 30 g/l etanolu. Rozkladem různých organických substrátů, zejména sacharidů v anaerobních podmínkách si organizmy zabezpečují energii pro svůj život. Při kvašení se substráty neodbourávají na oxid uhličitý a vodu, ale pouze na oxidační produkty s vyšším obsahem energie. Konečným akceptorem protonu a elektronu při kvašení není kyslík, ale organická látka. Existuje celá řada kvašení. Mezi základní patří etanolové a mléčné kvašení. Mléčné kvašení bývá zjišťována u hlíz brambor a kořenů trav. Má mení roli než alkoholové kvašení. Používá se při výrobě jogurtů, kysaného mléka, kysaného zelí, kvašení okurek. V krmivářství se využívá při výrobě siláže a při zpracování lnu a konopí. Další kvašení je představováno máselným, celulózovým, octovým, metanovým kvašením, vyrbí se i kyselina mravenčí, propionová, butanol, aceton. Kvašení se objevuje i v pletivech vyšších rostlin, zejména v silnějších kořenech v hůře provzdušněných meristémech. Nedostatkem kyslíku mohou trpět i kořeny intenzivně zalévaných rostlin, semena pod vodou a rostliny v podmínkách stresu. Buňky mají schopnost regulovat intenzitu degradace substrátu (Pasterův efekt). Anaerobní rozklad glukózy na etanol nebo laktát můžeme zapsat následujícími rovnicemi: C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2P C 2 H 5 OH + 2ATP + 2CO 2 C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2P C 3 H 6 O 3 + 2ATP