Co vás dnes čeká: Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74. Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Transkript

1 Co vás dnes čeká: Přednáška 2: Specifika rostlinné buňky trocha opakování vakuola buněčná stěna plastidy Fotosyntetické struktury plastidy struktura, typy fotosyntetické pigmenty a jejich lokalizace Sluneční záření - energie

2 Eukaryontní buňky: Rozdíly mezi rostlinnou a živočišnou buňkou : před lety

3 (cyanobacteria)

4 Rostlinná buňka Vakuola Buněčná stěna Plastidy Ale nejen. Buchanan et al.

5 Endomembránový systém - 1. cytoplazmatická membrána 2. endoplazmatické retikulum 3. Golgiho aparát 4. Blána jaderná 5. tonoplast 6. oleozómy...proč? Buchanan et al. 2OOO

6 Membránové systémykompartmentace: Různé reakční prostory Komunikace mezi kompartmenty pomocí váčků hotovost látky v kompartmentu: pool Buchanan et al. 2OOO

7 Komunikace mezi kompartmenty pomocí váčků Tvorba váčků Golgiho komplexu

8 Vakuola - funkce: 1. Homeostáze cytoplazmy, např. ph 2. Zásobní 3. odpadní, detoxifikační 4. Interakce rostliny s prostředím 5. Lysozomální kompartment 6. Vodní hospodářství buněk 7. Růst buněk zásovní vakuola obsahující proteiny Lytická vakuola aleuronová vrstva v obilce pšenice

9 Vakuola osmotický systém Hypotonický roztok Izotonický roztok Hypertonický roztok Živočišná buňka Lyzovaná Normální Svraštělá Rostlinná buňka Turgescentní (normální) Ochablá Plazmolyzovaná

10 Vakuola osmotický systém 0,1 M sacharoza Votrubová 2001 Hypertonické vnější prostředí = větší koncentrace iontů 0,3 M sacharoza

11 Buněčná stěna - není jen mechanický obal protoplastu!! - recepce vnjších podnětů chemických (ph, patogeny, symbionti) i fyzikálních (tlak, teplota) - skladovací, odpadní, ochranný kompartment (např. ukládání těžkých kovů) - vlastní signalizace dovnitř buňky např. - nezbytná pro buněčné dělení -interakce mikrofibril stěny a kortikálního MT cytoskeletu, - kotvení preprofázového prstence MT a fragmoplastu

12 Buněčná stěna - struktura Střední lamela Pektin Hemicelulozy (xyloglukany glukuronoarabinoxylany) Celulozové mikrofibrily Primární buněčná stěna Plazmatická membrána MB130P34 Biologie rostlinné buňky, Žárský V.

13 Buněčná stěna Replika (otisk) vnějšího listu plazmatické membrány interakce mikrofibril stěny a kortikálního MT cytoskeletu transportní váčky celulozové mikrofibrily Buchanan a kol. 2000

14 orientace mikrofibril - růst mikrofibrila asi 3 nm silná tvořena 30 až 36 individuálními řetězci a může při počtu glc jednotek dosáhnout délky 7um.

15 Buněčná stěna Plazmodesma Cytoplazma Plazmatická membrána Vrstevnatá sekundární stěna Střední lamela Primární buněčné stěny a střední lamela na styku tří buněk Primární stěna Plazmatická membrána Buchanan a kol. Střední lamela Primární stěna Vrstevnatá sekundární stěna

16 Plastidy semiautonomní organely Prezentace příště

17 Plastidy semiautonomní organely charakteristické pro rostlinnou buňku...nejen v zelených částech rostliny!!!

18 etioplast (prolamelární těleso) funkční dospělý chloroplast Proplastid chromoplast Amyloplast

19 Plastidy fotosynteticky aktivní = chloroplasty lokalizace hlavně listový mezofyl (ale i další...)

20 struktura chloroplastu Thylakoidy, grana stromatální thylakoid thylakoid mezimembránový prostor granum stroma membrána lumen vnitřní obalová membrána chloroplastu granum

21 struktura chloroplastu Nature Reviews Molecular Cell Biology 5, (2004) doi: /nrm1333

22 struktura chloroplastu rozdíl mezi granálními (GT) a stromatálními (ST) thylakoidy: zrna na GT jsou PS II

23 Fotosyntetické pigmenty princip absorpce energie záření přítomnost konjugovaných dvojných vazeb chlorofyly tetrapyroly karotenoidy fykobiliny ruduchy, sinice

24 Fotosyntetické pigmenty biosyntéza chlorofylu glutamát 5-aminolevulová kyselina (ALA) porfobilinogen + fytolový řetězec aktivace světlem! protoporfyrin IX chlorofyl a chlorofylid a protochlorofylid a

25 Biosyntéza chlorofylu glutamyl-trna Glu proteiny stechiometrické poměry nejsou zachovány kyselina glutamová glutamyl-1-semialdehyd kyselina 5-aminolevulová porfobilinogen NADPH 2 fotony R pchlid reduktáza Mg chelatáza chlorofylid a + fytol protochlorofylid a protoporfyrin IX chlorofyl a chlorofyl b vzniká oxidací chlorofylu a

26 Biosyntéza karotenoidů 3-P-glyceraldehyd + pyruvát 1-deoxyxlulóza izopentenylpp dimetylallyl-pp geranyl-pp (10C) + geranylgeranyl-pp (20C) fytoen (40C) lykopen β-karoten α- karoten zeaxantin lutein anteraxantin violaxantin

27 Karotenoidy - Xanthofylový cyklus ochrana před fotopoškozením ozářenost deepoxidace epoxidace - efektivnější pro disipaci energie teplem než zbylé dva

28 Plastidové pigmenty chlorofyly (+ feofytin) a karotenoidy lipoidní lokalizované v membráně plastidů funkce: absorpce a přenos, disipace energie, ochrana (xantofyly) Vakuolární pigmenty flavonoidy: anthokyany, flavonoly, flavony hydrochromy ve vodě rozpustné lokalizovány ve vakuolách (hlavně květy a plody) funkce: ochraná před UV, komunikační

29 Vakuolární pigmenty flavonoidy: anthokyany, flavonoly, flavony hydrochromy ve vodě rozpustné lokalizovány ve vakuolách (hlavně květy a plody) funkce: ochraná před UV, komunikační Květ gazánie očima hmyzu navigace k pylu

30 Fotosyntetické pigmenty součástí pigment-proteinových komplexů v tylakoidních membránách plastidů PS II volný chlorofyl problém!!!

31 Fotosyntetické pigmenty součástí pigment-proteinových komplexů světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému světlosběrná anténa jádro fotosystému jádro fotosystému molekula chlorofylu reakčního centra světlosběrná anténa

32 Fotosyntetické pigmenty světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému proč??? dělba práce absorpce kvanta chlorofylem -jen několikrát za sekundu kdyby poměr anténa : RC =1 neefektivní

33 světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému Různý poměr molekul pigmentů v anténě a RC: u některých sinic u většiny vyšších rostlin až tisíce u některých sinic a zelených řas

34 FYZIKÁLNÍ JEV přenos energie CHEMICKÝ JEV přenos elektronů účinnost přenosu energie mezi pigmenty antény 95-99%

35 absorpční spektra fotosyntetických pigmentů 1 bakteriochlorofyl a 2 chlorofyl a 3 chlorofyl b 4 fykoerytrin 5 β-karoten absorpce vlnová délka (nm) UV IR viditelné záření absorpční maxima fotosyntetizujících pigmentů jsou ovlivněna strukturou fotosystémů

36 rostlina a energie univerzální zdroj energie pro život na Zemi je Slunce energie se uvolňuje termonukleární reakcí (H He) energie se šíří prostorem Slunce vyzařuje široké spojité spektrum elektromagnetického vlnění korpuskulární povahy

37 množství energie v jedné částici = kvantum Energie 1 kvanta c E = h. ν = h. λ (J) h = Planckova konstanta = 6, ± 0, J. s c = rychlost světla m.s -1 ν = kmitočet λ = vlnová délka v nm fotony = kvanta v oblasti viditelného záření

38 Spektrum elekromagnetického vlnění 99% sluneční energie je vyzařováno v rozmezí vlnových délek 150 až 5000 nm nm = délková jednotka, 10-9 = 1 miliardtina metru vzdálenost atomů v pevných látkách je řádově zlomky (typicky čtvrtina) nm

39 záření UV-C UV-B UV-A fialová modrá zelená žlutá oranžová červená infračervená vlnová délka (nm) nad 740 energie (kj/mol) energie 1 molu vazeb C-C je 348 kj, O-H 463 kj

40 solární konstanta 1368 J.m -2.s -1 energie záření dopadající na povrch zemské atmosféry relativní hustota toku fotonů vztažená na jednotkový interval vlnové délky efekt ozónu záření dopadající na povrch Země 43% solární konstanty záření dopadající na povrch atmosféry efekt vodní páry a CO 2 FAR vlnová délka nm

41 solární konstanta 1368 J.m -2.s -1 záření dopadající na povrch Země 2%UV 45% viditelné záření 53% IR 5% UV 28% viditelné záření 67% IR maximální tok (výdej) energie ve slunečním záření je v oblasti kolem 500 nm maximální hustota toku fotonů je v oblasti 620 nm (Wienovy zákony posunu)

42 světelné poměry na konkrétním stanovišti ovlivňují další stálé i proměnlivé faktory: zeměpisná poloha změny v délce dne během roku nadmořská výška roční doba denní doba přítomnost porostu a jeho složení stav atmosféry nad porostem oblačnost, znečištění v podrostu

43 absorpce světla podmínka pro získání energie nebo informace záření modrá červená vlnová délka (nm) energie (kj/mol) excitované stavy S II S I energie základní stav absorpce fotonu B absorpce fotonu R v jedné molekule absorbuje jen jeden elektron jen jedno kvantum! excitovaný stav je vysoce nestabilní - trvá 10-9 s

44 teplo nebo jiné formy energie absorpce světla podmínka pro získání energie nebo informace excitované stavy teplo S II S I energie základní stav absorpce fotonu B fluorescence absorpce fotonu R v jedné molekule absorbuje jen jeden elektron jen jedno kvantum! excitovaný stav je vysoce nestabilní - trvá 10-9 s

45 deexcitace výdej energie získané absorpcí návrat molekuly do základního stavu možnosti deexcitace chlorofylu emise zářivé energie - fotonu (delší vlnová délka) fluorescence (viditelná oblast) kinetická energie molekuly - teplo (zvýšení teploty) indukční rezonance (Förstrův přenos) - transfer energie, kdy se excitovaný stav přenese na sousední molekulu (přenos energie po anténě) fotochemická reakce energie excitovaného stavu - způsobí chemickou reakci separaci elektronu

46 deexcitace výdej energie získané absorpcí návrat molekuly do základního stavu přenos energie na jinou molekulu uvolnění elektronu reakce s O 2 disipace teplem

47 FYZIKÁLNÍ JEV přenos energie CHEMICKÝ JEV přenos elektronů účinnost přenosu energie mezi pigmenty antény 95-99%

48 Děkuji za pozornost! příště: fluorescence využití, primární fáze fotosyntézy na praktika (za 14 dní) pijte mléko a sbírejte průhledné litrové lahve

49