Energetický metabolismus rostlin

Transkript

1 Energetický metabolismus rostlin Sylabus - témata (Fischer, Duchoslav) 1. Energie v živých systémech Formy energie a základní principy přeměny energií; změny volné energie, rovnovážná konstanta, spřažení reakcí, ATP; oxidace a redukce v živých systémech, NAD(P); 2. Základy energetiky rostlin Vztah fotosyntézy a respirace, celkový přehled hospodaření rostlin s energií, udržování ustáleného nerovnovážného stavu (steady state) v buňkách a v rostlině. Světlo primární zdroj energie i ROS; záření, fotony, fotosyntetické pigmenty, absorpce fotonů chlorofylem. 3. Fotosyntetický aparát Evoluce fotosystémů a anténních komplexů. Chloroplasty - thylakoidní membrána - struktura, funkce, Fotosyntetické struktury Prokaryot. 4. Světelné reakce fotosyntézy Fotosyntetický přenos elektronů (cyklický a necyklický). Štěpení vody, PSII, cytochromový b6f komplex, PSI. Mobilní přenašeče. Protonový gradient sumarizace, využití pro fotofosforylaci. Chlororespirace. 5. Fotoinhibice, fotoprotekce, fluorescence chlorofylu Fotoinhibice, fotopoškození a ochranné mechanismy. Xanthofylový cyklus. Fluorescence chlorofylu.

2 6. Fotosyntetická fixace CO 2, Calvinův cyklus, rubisco, oxygenázová aktivita Rubisco, specifitní faktor, regulace aktivity enzymů. Fotorespirace. 7. Metabolismus C4 a CAM, tvorba, transport a ukládání asimilátů Mechanismů redukce oxygenázové aktivity rubisco - strukturně funkční adaptace u C4 a CAM rostlin. Tvorba a degradace škrobu, tvorba sacharosy, transport asimilátů z chloroplastů. 8. Průduchy a příjem CO 2 Cesta CO 2 do listu. Průduchy - stavba, výskyt a četnost průduchů. Transpirační koeficient. Signální úloha světla. Mechanismy otevírání a zavírání průduchů. Vliv vnějších a vnitřních faktorů. 9. Respirace Základní struktura mitochondrií. Biochemie a fyziologie dýchání. Pentózafosfátová dráha. Alternativní oxidáza a nefosforylující NAD(P)H dehydrogenázy. 10. (Bio)technologie Energie přijímaná, vydávaná a pohlcená listem a porostem. Produkce biomasy. Umělá fotosyntéza, produkce biopaliv, zvyšování produktivity genetickými modifikacemi. Harmonogram standardní čas: pondělí 14:15 15:30 přednáška není: velikonoce v Út státní svátek některé přednášky budou prodlouženy (info předem) zkouška ústní, termíny přes

3 Energie v živých systémech Formy E Přeměny E Příjem a výdej E Formy energie Mechanická (vnější) - kinetická, potenciální (v gravitačním poli) Vnitřní - (jaderná energie) - teplota kinetická energie molekul (x teplo typ změny vnitřní energie: Q= m*c* T) c tepelná kapacita - uspořádanost (x entropie): - př. skupenské (latentní) teplo tání: ~ Q= S*T - gradienty, slabé interakce,... - chemická energie (vazby mezi atomy sdílené elektrony, umístění v elektronových orbitalech) - mechanická energie molekul - elektrická, Elektromagnetické záření

4 Změny vnitřní energie (výměna s okolím přenosy) - teplo: - práce: vedení, proudění, změny skupenství (změny teploty x latentní) - elektromagnetické záření (E = h. c / λ): Příklady spekter: a) spojité spektrum b) čárové (emisní) spektrum c) pásové spektrum d) absorpční čárové spektrum vyzařování těles T Wienův zákon posuvu Zdroje energie příjem do rostliny Absorbované elektromag. záření (FAR, IR, ) Teplo přijaté z okolí (vzduch, voda, substrát) Přirozené gradienty látek (př. rozdíly ve vodním potenciálu) Chemická energie v přijatých látkách (heterotrofie, NH 4+ ) Práce vykonaná okolím (př. gravitace, vítr)

5 Výdej energie z rostliny Teplo odevzdané do okolí (zjevné, latentní) Emitované elektromagnetické záření (FAR, tepelné) Chemická energie v uvolněných látkách (opad, žír, exudáty) Vykonaná práce (kořeny v půdě, transport v rámci těla) Vytváření gradientů látek (př. osmotických v okolí kořenů) Přeměny energie (výčet není úplný :-) Elektromagnetické záření energie elektronu (chem. energie) teplota, změna skupenství (kinetická energie molekul) energie mechanická (jednotlivých molekul), elektrická Chemická energie chemická energie energie gradientů mechanická energie molekulárních motorů teplota elektromag. záření (chemiluminiscence) Energie gradientů (transmembránových i jiných) chemická energie (mechanická energie molekul) energie gradientů práce (transport) Teplota Uspořádanost záření (IR), chemická energie,

6 Přeměny energie gradientů chemická energie (syntéza ATP) F-type ATPázy (syntázy): osmotické jevy = práce objemový tok: kořenový vztlak tok floémem energie gradientů (sekundární aktivní transport) - iontů (stačí elektrický gradient) - nenabitých částic (nutný symport, či antiport) Přeměny energie gradientů Elektrochemický transmembránový potenciál iontů (H + ) elektrická složka gradient látky Nernstova rovnice: Rovnovážný stav: G = 0 E = (2,3*R*T*log c 1 /c 2 ) / F*z (pro ionty procházející membránou) G = (+/-) z*f* E + 2,3*R*T*log c 1 /c 2 ( = R*T*ln c 1 /c 2 ) G = Gibbsova volná energie; E = rozdíl el. potenciálů (el. napětí na membráně) z = náboj, F= Faradayova konstanta, R univerzální plynová konst., T - teplota při 25 C: E = (0,059V * log c 1 /c 2 ) / z teoreticky při E = 59 mv rozdíl koncentrací 1:10 (pro prostupující iont z=1) E lze nastavit např. H + pumpou či transportem e - membránou organel Reálná buňka: tylakoidy E = mv ph = 3 (Mg2+, Cl-) mitochondrie E = 200 mv ph = 0,5 (pufr. cytosolem) Mohou ionty / nenabité částice téct kanálem proti koncentračnímu spádu?

7 Přeměny chemické energie energie gradientů primární aktivní transport - protonové pumpy: ATPázy (F- type: ATP-synthase, V-, P-type) H + -PPázy (tonoplast) H + gradient sekundární aktivní transport: symport + antiport (přenašeče) - Ca 2+ pumpy ( P-type ATPázy) - ABC-transportéry V-type: P-type: Přeměny chemické energie chemická energie - propojení reakcí endergonických a exergonických: aa+bb cc+dd Určení směru reakcí změna Gibbsovy volné E: G 0 = - RT. ln K eq K eq = [C] c [D] d /[A] a [B] b Standardní změna G = změna volné E při standardních podmínkách = ph 7, 25 C, K eq při 1M (!!!) výchozí c všech složek určuje poměr složek reakce v rovnovážném stavu) Skutečná změna G, a tedy směr reakce, záleží na aktuální koncentraci složek!!! c a d b

8 Příklady standardních změn volné energie Souvislost s K eq G 0 = - RT. ln K eq K eq = e EXP (- G 0 / RT) Přeměny energie pohánění reakcí Spřažení endergonických a exergonických reakcí typicky exergonická hydrolýza ATP a endergonická fosforylace substrátu zajištěno aktivním místem téhož enzymu výsledná G je součtem G dílčích reakcí Hydrolýza ATP (NTP) univerzální donory E: AMP~P~P AMP~P + P i AMP~P AMP + P i případně: AMP~P~P AMP + P~P P~P 2 P i (E PPi lze využít i přímo např. PPi-dependentní 6-Pfruktokinázou, vakuolární protonovou pumpou, )

9 Spřažené reakce (uvedeny hodnoty G o!) Spřažené reakce na jednom enzymu: ATP + H 2 O ADP + P i P i + glucose glucose-6-p + H 2 O ATP + glucose ADP + glucose-6-p G o ' = 31 kj/mol G o ' = +14 kj/mol G o ' = 17 kj/mol (navázaná fosfátová skupina umožňuje proběhnutí dalších reakcí) Reakce spřažené společným reaktantem (dva enzymy): 1: A + ATP B + AMP + PP i G o ' = + 15 kj/mol 2: PP i + H 2 O 2 P i G o ' = 33 kj/mol (u rostlin se ale PP i často využívá pro reakce s vyšší G o '!) Souhrnná reakce: A + ATP + H 2 O B + AMP + 2 P i G o ' = 18 kj/mol Princip spřažení? Snížení koncentrace produktu posun rovnováhy Spřažené reakce - možnost konzervace uvolněné G (exergonická reakce pohání endergonickou reakci) Substrátová fosforylace ADP O C C O OPO 3 2 ADP ATP H + O CH 2 CH 2 CH 3 PEP enolpyruvate pyruvate C C O OH Vazba CoA - využití E v pozdější reakci, která by jinak neproběhla O C C O O HO SH CH 2 CH 2 NH C O CH 2 CH 2 NH C O C H β-mercaptoethylamine pantothenate NH 2 N N H 3 C C CH 3 O O H 2 C O P O P O O Coenzyme A ADP-3'-phosphate N N O CH 2 O H H H H O OH O P O O

10 odbočka: Termodynamika x kinetika reakcí Termodynamická uskutečnitelnost nevypovídá o skutečném běhu a kinetice! - reakce mohou mít různou aktivační energii je-li vysoká, pak je nutný katalyzátor (enzym) G je ale stejná! - vysoká aktivační energie je nutná u hydrolýzy sloučenin s makroergními vazbami (ATP)! Proč? Oxidace a redukce v živých systémech - klíčové metabolické reakce (redukce anorganických l. - e - s vyšší E) - klíčové procesy energetického metabolismu e - přenáší energii! Postupné redukce/oxidace uhlíku (C - form. ox. číslo) (při přeměně anorganického uhlíku na organický +IV -IV) CO 2 RCOO - = RCOOH RCHO RCH 2 OH RCH 3 R = C či H Elektonegativita prvků H: 2,2 < C: 2,55 < O: 3,44

11 -IV IV Oxidace a redukce v živých systémech 1. Přímý přenos samotného elektronu - kovové ionty (př. OEC), metaloproteiny: Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + 2. Přenos 2 elektronů a 2 protonů (2 atomů vodíku): AH 2 A + 2e - + 2H + B + 2e - + 2H + BH AH 2 + B A + BH 2 (B může být O 2 ) 3. Přenos 2 elektronů a protonu (atomu vodíku a e - ) (př. NAD-dehydrogenázy), druhý H + volný 4. Inkorporace kyslíku (O) do organické molekuly - nepřímo opět 2 e - a 2 H + (2 atomy vodíku)

12 Standardní redoxní potenciál ( ochota redukovat se ) - určuje std. změnu volné energie v jednoduchých redoxních poloreakcích G 0 = - z.f. E 0 z = náboj, F= Faradayova konstanta (96,5 kc/mol) 4 Fd (Fe 2+ ) + O 2 4 Fd (Fe 3+ ) + H 2 O ( G 0 = 475 kj/mol) Oxidace a redukce organických látek Redukce za spotřeby e - z NADPH CO 2 (HCOO - ) = HCOOH HCHO CH 3 OH CH 4 oxidace produkující e - k redukci NAD + (zpravidla) NADH (FADH 2 ) - především (výhradně) přenašeče e - do dýchacího řetězce NADPH především zdroj e - pro anabolické reakce V jakých procesech vznikají redukované a oxidované formy NAD(P)H?

13 NADH x NADPH - specifita enzymů NAD+ přednostní využití v katabolismu NADPH přednostní využití v anabolických reakcích E 0 orientační poměr v buňce NAD + + H e - NADH NAD + :NADH cca 30:1 NADP + + H e - NADPH NADP + :NADPH cca 1:50 G 0 = - z.f. E 0 závisí na koncentraci - stejná pro NADH i NADPH Která forma dominuje u NADP a NAD? Oxidace a redukce organických látek - hospodaření s energií při redukcích: někdy dochází k fosforylaci substrátu (je-li potřeba dodání další energie k proběhnutí reakce/posunutí rovnováhy) při oxidacích: někdy dochází k fosforylaci produktu může docházet k substrátové fosforylaci ADP či vazbě CoA (uchování E využití v další reakci) při oxidoredukcích v membráně: - může být tvořen protonový gradient - lokalizace reakcí + přímý přenos protonů komplexy Obecně G minimalizovány kaskády reakcí s malým G

14 Další přenašeče e - spolu s H + Chinony (membránové) plastochinon chinon ubichinon (koenzym Q10) semichinon hydrochinon = chinol - SH skupiny př. thioredoxiny Přenašeče samotných e - : Kovové ionty (zpravidla metaloproteiny): Fe III+ / Fe II+ hemy - cytochromy Fe-S - Rieskeho protein, ferredoxin, Fe (HCO 3- ) PSII Cu II+ / Cu I+ např. plastocyanin Mn 4 O x Ca clastr - OEC (není metaloprotein!) Jiné skupiny: chl. a, feofytin, Tyr, plastochinon (Q A ) - PSII (PSI)

15 Hemy: b-typ c-typ (covalently váz.), cytochrom f ferredoxin Fe-S: Fe 2 S 2 Fe 4 S 4