Energetický metabolismus rostlin Sylabus - témata (Fischer, Šantrůček) 1. Základy energetiky 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); energetický metabolismus rostlin - fotosyntéza a respirace, celkový přehled hospodaření rostlin s energií, udržování ustáleného nerovnovážného stavu (steady state) 2. Fotosyntetický aparát a primární procesy fotosyntézy Záření, fotony, fotosyntetické pigmenty. Absorpce energie molekulou chlorofylu. Evoluce fotosystémů a anténních komplexů. Chloroplasty - thylakoidní membrána - struktura, funkce, Fotosyntetické struktury Prokaryot. 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. 3. Fotoinhibice, fotoprotekční mechanismy, produkce biomasy Fotoinhibice, fotopoškození a ochranné mechanismy. Xanthofylový cyklus. Fluorescence chlorofylu. Energie přijímaná, vydávaná a pohlcená listem a porostem. Produkce biomasy.
4. Fotosyntetická fixace CO 2, metabolismus C4 a CAM, asimiláty Calvinův cyklus, rubisco, oxygenázová aktivita Rubisco, specifitní faktor, regulace aktivity enzymů. Fotorespirace. Příklady mechanismů redukce oxygenázové aktivity rubisco, strukturně funkční adaptace u C4 a CAM rostlin. Tvorba a degradace škrobu, tvorba sacharosy, transport asimilátů z chloroplastů. 5. 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. 6. Fyziologie a regulace fotosyntézy Rychlost čisté a hrubé fotosyntézy. Vliv světelného záření, koncentrace CO 2 a O 2, teploty. Koordinace metabolismu. Redoxní signalizace. Signální molekuly PQ, thioredoxin, ROS, askorbát, glutathion. Koordinace světelných reakcí a fixace CO 2. Regulace genové exprese. 9. Respirace Úloha dýchání při růstu rostlin, vztah dýchání a fotosyntézy. Základní struktura mitochondrií. Biochemie a fyziologie dýchání. Pentózafosfátová dráha. Alternativní oxidáza a nefosforylující NAD(P)H dehydrogenázy. 10. (Bio)technologie Umělá fotosyntéza, produkce biopaliv, zvyšování produktivity genetickými modifikacemi. Harmonogram standardní čas: 27.2. (14:00 15:30) 13.3. (6.3. není) 20.3. 27.3. (+ 15.5.?) prodloužené přednášky: 3.4. (Šantrůček) (13:30 16:25) 10.4. (Šantrůček) 24.4.
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) - elektrická, Elektromagnetické záření
Změny vnitřní energie (výměna s okolím přenosy) - teplo: - práce: vedení, proudění, změny skupenství (změny teploty x latentní) - elektromagnetické záření: Příklady spekter: a) spojité spektrum b) čárové (emisní) spektrum c) pásové spektrum d) absorpční čárové spektrum vyzařování tělesa Wienův zákon posuvu Zdroje energie příjem do rostliny Absorbované elektromagnetické záření (FAR, tepelné) 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)
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 jistě není úplný :-) Elektromagnetické záření chemická energie (energie elektronu) teplota, změna skupenství energie mechanická (molekul), elektrická Chemická energie chemická energie energie gradientů mechanická energie molekulárních motorů teplota Energie gradientů (transmembránových i jiných) chemická energie (mechanická energie) energie gradientů transport Teplota uspořádanost ale i chemická, záření (IR), energie gradientů
Základní přeměny energie při fotosyntéze Elektromagnetické záření energie elektronu: pigment + foton excit. pigment * chemická energie: P 680* + chl a 2 (prim. akceptor) P 680 + + chl a 2 - Chemická energie chemická energie: elektrontransportnířetězec: sumárně: 2x voda + 8x foton + 4x ox. Fd kyslík + 4x red. Fd energie gradientů: elektrontransportnířetězec: část energie elektronů H + gradient (přenos 12 H + / 8 fotonů) Energie gradientů chemická energie: H + gradient + ADP + Pi ATP Přeměny energie gradientů chemická energie (syntéza ATP) F-type ATPázy (syntázy): osmotické jevy 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 nestavit H + pumpou či transportem e - na membr. Buňka: tylakoidy E = 20-30 mv ph = 3 (Mg2+, Cl-) mitochondie E = 200 mv ph = 0,5 (pufrace cytosolem) 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 (!!!) koncentraci všech složek určuje poměr složek reakce v rovnovážném stavu) Skutečná změna G, a tedy směr reakce, záleží na [složek]!!! c a d b 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 př. exergonická hydrolýza ATP a endergonická fosforylace 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, ) 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 (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 H 3 C SH CH 2 CH 2 NH C O CH 2 CH 2 NH C C C NH 2 O N N H CH 3 O O N N H 2 C O P O P O O O Coenzyme A β-mercaptoethylamine pantothenate ADP-3'-phosphate CH 2 O H H H H O OH O P O O odbočka: Termodynamika x kinetika 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 energii přenáší e - 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 -IV IV
Oxidace a redukce v živých systémech 1. Přímý přenos samotného elektronu (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 2 ------------------------------------------------------------------------------ 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) Co se děje při hydrolýze (H 2 O)? H 2 O + H 3 C-CH 3 CH 4 + CH 3 OH (+-1 e - + H + ) Redoxní potenciál - určuje změnu volné energie (G) 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 - 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 Obecně G minimalizovány kaskády reakcí s malým G Oxidace a redukce organických látek Redukce za spotřeby NADPH CO 2 (HCOO - ) = HCOOH HCHO CH 3 OH CH 4 oxidace produkující NADH (zpravidla) NADH (FADH 2 ) - především přenašeče elektronů do dýchacího řetězce NADPH především anabolické reakce V jakých procesech vznikají redukované a oxidované formy NAD(P)H?
NADH x NADPH - specifita enzymů NAD+ přednostní využití v katabolismu NADPH přednostní využití v anabolických reakcích E 0 orientační poměr v buňce NAD + + H + + 2 e - NADH -0.320 NAD + :NADH cca 30:1 NADP + + H + + 2 e - NADPH -0.320 NADP + :NADPH cca 1:50 G 0 = - z.f. E 0 - stejná pro NADH i NADPH závisí na koncentraci Další přenašeče e- a H+ Chinony (membránové) plastochinon chinon ubichinon (koenzym Q10) semichinon hydrochinon = chinol -SH skupiny - thioredoxiny
Přenašeče samotných e - : Kovové ionty (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: chlorofyl a, feofytin, Tyr, - PSII (PSI) Hemy: b-typ c-typ Fe-S: Fe 2 S 2 Fe 4 S 4 ferredoxin
Energetický metabolismus rostlin Fotosyntéza (chloroplasty) Dýchání (mitochondrie) - různé zdroje energie a jejich dostupnost - orgánové a pletivové rozdíly (kořen, prýt, pokožka, ) - změny ve vývoji a diferenciaci - vliv dostupnosti vody, výživy, světla - denní, sezónní změny - nutnost komplexní regulace metabolismu (aktivity chloroplastů a mitochondrií) a výstavby struktur (na úrovni celých rostlin i jednotlivých buněk) Fotosyntéza Dýchání Energie záření teplo chem. energie (NAD(P)H, CO 2 ATP) O 2 Organizovaná biomasa Redukce za spotřeby NADPH CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3 oxidace produkující NADH (FADH2)
Fotosyntéza Zdroj energie ATP, NADPH (elektronů s vysokým redox potenciálem) využito v rámci buňky! (+ teplo odpar - transport vody + rozpuštěných látek) Zdroj metabolitů cukrů (red. forem N a S) anabolismus, zprostředkovaný přenos E (do nefotosyn. buněk/ orgánů) Respirace Zdroj energie NADH, ATP (nezelená pletiva, v noci), teplo Zdroj metabolitů pro anabolismus (u všech buněk) Regulace disipace nadbytečné energie ATP, obnovování NAD + (dýchací řetězec) + OPPP (oxidativní pentózofosfátová dráha - zdroj NADPH a metabolitů) - oxidace a dekarboxylace bez spotřeby kyslíku) Spotřeba energie v rostlině (fixovaná světelná či uvolněná respirací) (1) Růst tvorba biomasy (přeměna sacharidů na složky těla rostliny) - spotřeba úměrná produkci asimilátů - využito cca 25 % (?) produkce P G 1 g průměrné sušiny energeticky odpovídá cca 1,7 g glukózy ( cca 40% úbytek DW) (2) Udržování struktur ( bazální metabolismus ) - spotřeba úměrná hmotnosti bílkovin (u bylin i sušiny) - byliny 1 2 % hmotnosti své biomasy denně (3) Transport vstup (opětovný vstup) a výstup z floému, endodermis (4) Příjem minerálních živin (aktivní, exudáty, mykorhiza!) (5) Asimilace minerálních živin (zabudování do organických sloučenin, zejména redukce nitrátů a sulfátů).
Schéma základního energetického metabolismu rostlinné buňky Fotosyntéza Fotochemie Calvinův cyklus Respirace Glykolýza + β-oxidace Krebsův cyklus Dýchací řetězec Pentóza-fosfátový cyklus (OPPP) Transport asimilátů, tvorba škrobu Redoxní stav - NAD(P)/NAD(P)H a poměr ADP/ATP - určení směru mnoha zvratných reakcí! - kofaktory v klíčových reakcích Vzájemná regulace metabolismu mezi organelami
Redoxní stav NAD(P)/NAD(P)H: - vyrovnávání především antiportem metabolitů - specifické signály