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
Eukaryontní buňky: Rozdíly mezi rostlinnou a živočišnou buňkou : před 1 400 000 000 lety
(cyanobacteria)
Rostlinná buňka Vakuola Buněčná stěna Plastidy Ale nejen. Buchanan et al.
Endomembránový systém - 1. cytoplazmatická membrána 2. endoplazmatické retikulum 3. Golgiho aparát 4. Blána jaderná 5. tonoplast 6. oleozómy...proč? Buchanan et al. 2OOO
Membránové systémykompartmentace: Různé reakční prostory Komunikace mezi kompartmenty pomocí váčků hotovost látky v kompartmentu: pool Buchanan et al. 2OOO
Komunikace mezi kompartmenty pomocí váčků Tvorba váčků Golgiho komplexu http://www.skidmore.edu/academics/biology/plant_bio/photos/photos/cellbio/golgi%20vesicle%20forming.jpg
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
Vakuola osmotický systém Hypotonický roztok Izotonický roztok Hypertonický roztok Živočišná buňka Lyzovaná Normální Svraštělá Rostlinná buňka Turgescentní (normální) Ochablá Plazmolyzovaná http://knicelybiology.pbwiki.com/chapter+9+section+2:+page+2
Vakuola osmotický systém 0,1 M sacharoza Votrubová 2001 Hypertonické vnější prostředí = větší koncentrace iontů 0,3 M sacharoza
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
Buněčná stěna - struktura Střední lamela Pektin Hemicelulozy (xyloglukany glukuronoarabinoxylany) Celulozové mikrofibrily Primární buněčná stěna Plazmatická membrána MB130P34 Biologie rostlinné buňky, Žárský V. http://micro.magnet.fsu.edu/cells/plants/cellwall.html
Buněčná stěna Replika (otisk) vnějšího listu plazmatické membrány interakce mikrofibril stěny a kortikálního MT cytoskeletu transportní váčky celulozové mikrofibrily Buchanan a kol. 2000
orientace mikrofibril - růst mikrofibrila asi 3 nm silná tvořena 30 až 36 individuálními řetězci a může při počtu 14 000 glc jednotek dosáhnout délky 7um.
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
Plastidy semiautonomní organely http://ultrastruktur.bio.lmu.de/de/forschung/tem/plastiden/index.html Prezentace příště
Plastidy semiautonomní organely charakteristické pro rostlinnou buňku...nejen v zelených částech rostliny!!!
http://ultrastruktur.bio.lmu.de/de/forschung/tem/plastiden/index.html etioplast (prolamelární těleso) funkční dospělý chloroplast Proplastid chromoplast Amyloplast
Plastidy fotosynteticky aktivní = chloroplasty lokalizace hlavně listový mezofyl (ale i další...)
struktura chloroplastu Thylakoidy, grana stromatální thylakoid thylakoid mezimembránový prostor granum stroma membrána lumen vnitřní obalová membrána chloroplastu granum
struktura chloroplastu Nature Reviews Molecular Cell Biology 5, 198-208 (2004) doi:10.1038/nrm1333
struktura chloroplastu rozdíl mezi granálními (GT) a stromatálními (ST) thylakoidy: zrna na GT jsou PS II
Fotosyntetické pigmenty princip absorpce energie záření přítomnost konjugovaných dvojných vazeb chlorofyly tetrapyroly karotenoidy fykobiliny ruduchy, sinice
Fotosyntetické pigmenty biosyntéza chlorofylu glutamát 5-aminolevulová kyselina (ALA) porfobilinogen + fytolový řetězec aktivace světlem! protoporfyrin IX chlorofyl a http://4e.plantphys.net/image.php?id=97 chlorofylid a protochlorofylid a
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
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
Karotenoidy - Xanthofylový cyklus ochrana před fotopoškozením ozářenost deepoxidace epoxidace http://www.nature.com/embor/journal/v6/n7/fig_tab/7400460_f2.html - efektivnější pro disipaci energie teplem než zbylé dva
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
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 http://www.cogsci.bme.hu/~ikovacs/latas2005/prepii_3.html
Fotosyntetické pigmenty součástí pigment-proteinových komplexů v tylakoidních membránách plastidů PS II volný chlorofyl problém!!!
Fotosyntetické pigmenty součástí pigment-proteinových komplexů světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému světlosběrná anténa jádro fotosystému jádro fotosystému molekula chlorofylu reakčního centra http://www.lbl.gov/science-articles/archive/pbd-cp29.html světlosběrná anténa http://photosynthesis.peterhorton.eu/research/lightharvesting.aspx
Fotosyntetické pigmenty světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému proč??? dělba práce absorpce kvanta chlorofylem -jen několikrát za sekundu kdyby poměr anténa : RC =1 neefektivní http://kchf-45.karlov.mff.cuni.cz/~jakub/uvod.htm
světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému Různý poměr molekul pigmentů v anténě a RC: 20 30 u některých sinic 200 300 u většiny vyšších rostlin až tisíce u některých sinic a zelených řas
FYZIKÁLNÍ JEV přenos energie CHEMICKÝ JEV přenos elektronů účinnost přenosu energie mezi pigmenty antény 95-99%
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
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
množství energie v jedné částici = kvantum Energie 1 kvanta c E = h. ν = h. λ (J) h = Planckova konstanta = 6,626176 ± 0,00036. 10-34 J. s c = rychlost světla 3.10 8 m.s -1 ν = kmitočet λ = vlnová délka v nm fotony = kvanta v oblasti viditelného záření
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
záření UV-C UV-B UV-A fialová modrá zelená žlutá oranžová červená infračervená vlnová délka (nm) 210 280 280 320 320 400 400 425 425 490 490 560 560 585 585 640 640 740 nad 740 energie (kj/mol) 471 399 352 292 261 230 206 193 176 85 energie 1 molu vazeb C-C je 348 kj, O-H 463 kj
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
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)
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
absorpce světla podmínka pro získání energie nebo informace záření modrá červená vlnová délka (nm) 425 490 640 740 energie (kj/mol) 261 176 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
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
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
deexcitace výdej energie získané absorpcí návrat molekuly do základního stavu přenos energie na jinou molekulu uvolnění elektronu reakce s O 2 disipace teplem
FYZIKÁLNÍ JEV přenos energie CHEMICKÝ JEV přenos elektronů účinnost přenosu energie mezi pigmenty antény 95-99%
Děkuji za pozornost! příště: fluorescence využití, primární fáze fotosyntézy na praktika (za 14 dní) pijte mléko a sbírejte průhledné litrové lahve
http://biology4.wustl.edu/faculty/blankenship/energycoupling.html