Úvod

1. Úvod

2. Sylabus (Fischer, Šantrůček) 1. Úvod Celkový přehled hospodaření rostlin s energií. Základní principy přeměny energie. Energetický metabolismus rostlin - fotosyntéza a respirace. Anabolické a katabolické procesy – NADPH, NADH, ATP. 2. Primární procesy fotosyntézy Záření, fotony, fotosyntetické pigmenty. Účinnost fixace sluneční energie rostlinami. Absorpce energie kvanta molekulou chlorofylu. 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. Fotosyntetický aparát – struktura a evoluce Evoluce fotosystémů a anténních komplexů. Chloroplasty - thylakoidní membrána - struktura, funkce, Fotosyntetické struktury Prokaryot, původ plastidů různých skupin Eukaryot. Genom plastidů, dynamika, transport proteinů z cytoplasmy. Změny během ontogenese. 4. Fotoinhibice, fotoprotekční mechanismy, energetická bilance listu a porostu Fotoinhibice, fotopoškození a ochranné mechanismy.Xanthofylový cyklus. Fluorescence chlorofylu. Energie přijímaná, vydávaná a pohlcená listem a porostem.

3. 5. Fotosyntetická fixace CO2, fotorespirace Calvinův cyklus, rubisco, oxygenázová aktivita Rubisco, specifitní faktor, regulace aktivity enzymů. Fotorespirace.Tvorba a degradace škrobu, tvorba sacharosy, transport asimilátů z chloroplastů. 6. Metabolismus C4 a CAM Příklady mechanismů redukce oxygenázové aktivity rubisco,strukturně funkční adaptace u C4 a CAM rostlin. 7. Průduchy a příjem CO2 Cesta CO2 do listu. Průduchy - stavba, výskyt a četnost průduchů. Transpirační koeficient. Signální úloha světla. Mechanismy otevírání a zavírání průduchů. Vliv vnějších a vnitřních faktorů. 8. 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. 9. Fyziologie a regulace fotosyntézy Rychlost čisté a hrubé fotosyntézy. Vliv světelného záření, koncentraceCO2 a O2, teploty. Koordinace metabolismu. Redoxní signalizace. Signální molekuly – PQ, thioredoxin, ROS, askorbát, glutathion. Koordinace světelných reakcí a fixace CO2. Regulace genové exprese.

4. Energie v živých systémech • Formy • Příjem • Výdej • Přeměny

5. Formy energie Mechanická (vnější) - kinetická, potenciální (gravitace) Vnitřní - (jaderná energie) - tepelná energie (teplota – pohyby molekul, interakce mezi molekulami) - chemická energie (vazby mezi atomy - elektrony, orbitaly) - uspořádanost - gradienty - elektrická, … Elektromagnetické záření

6. Změny vnitřní energie (výměna s okolím – přenosy) - elektromagnetické záření - teplo Wienův zákon posuvu

7. Příjem energie - zdroje Chemická energie v přijatých látkách Elektromagnetické záření (FAR, tepelné) Teplo přijaté z okolí Přirozené gradienty látek (např. rozdíly ve vodním potenciálu)

8. Výdej energie Chemická energie v uvolněných látkách Teplo odevzdané do okolí (skupenské teplo vypařování) Elektromagnetické záření (FAR, tepelné) Vytváření gradientů látek (např. osmotických potenciálů)

9. Přeměny energie (výčet jistě není úplný :-) Elektromagnetické záření – chemická energie – energie gradientů – tepelná energie Energie gradientů – chemická energie – energie gradientů – transport Chemická energie – chemická energie – energie gradientů – mechanická energie molekulárních motorů – tepelná energie Tepelná energie – energie gradientů, chemická, záření

10. Přeměny energie při fotosyntéze Elektromagnetické záření – chemická energie: P680 + chl a2 → P680+ + chl a2- Chemická energie – chemická energie: elektrontransportní řetězec (voda + ox. feredoxin + P680+ + chl a2- → kyslík + red. feredoxin + P680 + chl a2 ) – energie gradientů: elektrontransportní řetězec (část energie elektronů → H + gradient) Energie gradientů – chemická energie: H + gradient + ADP + Pi → ATP

11. Přeměny energie Energie gradientů – chemická energie (syntéza ATP) – energie gradientů (sekundární aktivní transport) - iontů (stačí elektrický gradient) - nenabitých částic (nutný symport, či antiport) – transport (kořenový vztlak, objemový tok asimilátů) Elektrochemický transmembránový potenciál iontů (H+) – elektrická složka – gradient látky Nernstova rovnice: E= 2,3.RT / F.z * log c1 / c2 z = náboj, F= Faradayova k., R – univerzální plyn. k., T - teplota při 25°C: E = 0,059V/ z * log c1 / c2 (rovnovážný stav: 0,059 V při rozdílu koncentrací 1:10 pro z=1)

12. Přeměny energie Chemická energie – energie gradientů – primární aktivní transport protonové pumpy: ATPázy (F- type: ATP-synthase, V-, P-type) PPi (tonoplast)

13. Přeměny energie Chemická 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 = změna volné E při stand. podmínkách (pH 7, 25°C, 1M koncentraci všech složek!!! – určuje poměr složek reakce v rovnovážném stavu Skutečná změna E a tedy směr reakce záleží na c složek! Keq = [C]c[D]d/[A]a[B]b

14. Příklady standardních změn volné energie Souvislost s Keq

15. Přeměny energie – pohánění reakcí Chemická energie – chemická energie - spřažení endergonických a exergonických reakcí (hydrolýzy ATP) – zajištěno aktivním místem enzymu – výsledná změna G je součtem změn G dílčích reakcí AMP~P~P  AMP~P + Pi AMP~P  AMP + Pi případně: AMP~P~P  AMP + P~P P~P  2 Pi(lze i využít např.PPi-dependent 6-P-fructokinase)

16. Spřažené reakce Spřažené reakce na jednom enzymu: ATP + H2O  ADP + PiDGo' = -31 kJ/mol Pi + glucose  glucose-6-P + H2O DGo' = +14 kJ/mol ATP+glucose ADP+glucose-6-P DGo' = -17 kJ/mol Reakce spřažené společným reaktantem (dva enzymy): 1: A + ATP B + AMP + PPiDGo' = +15 kJ/mol 2:PPi + H2O  2PiDGo' = –33 kJ/mol Souhrnná reakce: A + ATP + H2O  B + AMP + 2PiDGo' = –18 kJ/mol

17. Spřažené reakce Vazba CoA- využití E v následnéspřažené reakci - možnost využití velkého množství E Substrátová fosforylace ADP

18. odbočka: Termodynamika x kinetika Termodynamická uskutečnitelnost nevypovídá o skutečném běhu a kinetice! • reakce mohou mít vysokou aktivační energii – nutnost katalyzátoru (enzymu) – G je ale stejná! • vysoká aktivační energie je nutná u hydrolýzy sloučenin s makroergními vazbami (ATP)!

19. CO2 R-COO- = -COOH -CHO -CH2OH -CH3 Oxidace a redukce v živých systémech klíčové procesy metabolismu – předávání energie ve formě elektronů Postupné redukce/oxidace uhlíku (při přeměně anorganického uhlíku na organický) Elektonegativita prvků H: 2,2 < C: 2,55 < O: 3,44

21. Oxidace a redukce v živých systémech • Přímý přenos samotného elektronu: • Fe2+ + Cu2+ = Fe3+ + Cu+ • Přenos dvou atomů vodíku: • AH2 = A + 2e- + 2H+ • B + 2e- + 2H+ = BH2 • -------------------------------- • AH2 + B = A + BH2 • Přenos atomu vodíku a elektronu (H-) – opět 2e- • (př. NAD-dehydrogenázy) • Přímá inkorporace kyslíku do organické molekuly • (nepřímo opět 2 atomy H)

22. CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3 Oxidace a redukce organických látek Redukce za „spotřeby“ NADPH oxidace produkující NADH NADH (FADH2) - především přenašeče elektronů do dýchacího řetězce NADPH – anabolické reakce Redukované formy vznikají: fotosyntézou, oxidativními reakcemi

23. NAD(P)+/NAD(P)H NAD+ + 2e- + H+ NADH NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+

24. Redoxní potenciál • určuje změnu volné energie (G) • v jednoduchých redoxních • reakcích • G’0 = - z.F. E’0

25. NADH x NADPH NAD+– přednostní využití v katabolismu NADPH – přednostní využití v anabolických reakcích G’0 = - z.F. E’0 závisí na koncentraci - stejná pro NADH i NADPH E’0 orientační poměr v buňce

26. Oxidace a redukce organických látek - hospodaření s energií při redukcích:někdy dochází kfosforylaci substrátu (je-li potřeba dodání další energie k proběhnutí reakce) při oxidacích:někdy dochází kfosforylaci produktu může docházet k substrátové fosforylaci či vazbě CoA (uchování energie – využití v další reakci) může být tvořen protonový gradient

27. Energetický metabolismus rostlin • Fotosyntéza (chloroplasty) • Dýchání (mitochondrie) • zdroje energie a jejich dostupnost • orgánové a pletivové rozdíly (kořen, prýt, pokožka, …) • změny ve vývoji a diferenciaci • vliv dostupnosti vody a výživy • denní, sezónní změny • nutnost komplexní regulace metabolismu (aktivity • chloroplastů a mitochondrií) a výstavby struktur • (na úrovni celých rostlin i jednotlivých buněk)

28. Spotřeba energie v rostlině (fixovaná světelná či uvolněná dýcháním) • Růst – tvorba biomasy(přeměna sacharidů na složky rostliny) • - spotřebaúměrná produkci • asimilátů • (ztráta cca 25 % produkce PG) • (2) Udržování struktur („bazální metabolismus“)- spotřeba úměrná hmotnosti bílkovin (u bylin i sušiny) • na udržování živých struktur rostlina denně prodýchá 1 – 2 % hmotnosti své biomasy (platí pro byliny) • (3) Transport– vstup (opětovný vstup) a výstup z floému • (4) Aktivní příjem minerálních živin- zejména NO3- • (5) Asimilace minerálních živin(zabudování do organických sloučenin, zejména redukce nitrátů) ….

29. Změny alokace sušiny do jednotlivých orgánů během vegetace u pšenice Larcher, 2001

30. Energie záření chem. energie (ATP, NAD(P)H) CO2 O2 Redukce za „spotřeby“ NADPH BIOMASA CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3 oxidace produkující NADH (FADH2) FotosyntézaDýchání teplo

31. Fotosyntéza Zdroj energie – ATP, NADPH (redukční síly), transport vody Zdroj metabolitů – anabolismus Respirace Zdroj energie – NADH, ATP (v noci,u nezelených pletiv), tepla Zdroj metabolitů – u všech buněk (pro anabolismus) Regulace – disipace nadbytečné energie ATP, obnovování NAD+ (dýchací řetězec) + oxidativní pentózofosfátová dráha (zdroj NADPH) (oxidace a dekarboxylace bez spotřeby kyslíku)

32. Respirace je nezbytná i u zelených buněk • - dýchání v buňkách obsahujících choroplasty je na světle inhibováno jen na cca 30 % stavu za tmy • Význam: • tvorba uhlíkových skeletů (např. pro asimilaci N) • regulace • - disipace energie NADH (při fotorespiraci) • - ATP pro syntézu sacharózy

33. Schéma základního energetického metabolismu rostlinné buňky Fotosyntéza Fotochemie Calvinův cyklus Respirace Glykolýza + -oxidace Krebsův cyklus Dýchací řetězec Pentóza-fosfátový cyklus (OPPP) Transport asimilátů, tvorba škrobu

34. Základní regulace energetického metabolismu rostlinné buňky - na biochemické úrovni mezi cytoplasmou, chloroplasty a mitochondriemi (např. redox signalizace) - na úrovni genové exprese mezi genomem, plastomem a chondriomem

35. Signalizace z chloroplastu (ukázka) MDH – malát dehydrogenáza; FNR – ferredoxin-NADPH reduktáza; FTR – ferredoxin-thioredoxin reduktáza; Fd – ferredoxin, Trx – thioredoxin, Grx – glutaredoxin; RNS – reaktivní formy dusíku

36. 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

37. Redoxní stav NAD(P)/NAD(P)H: - vyrovnávání především antiportem metabolitů - specifické signály

39. Jednoduché oxidoredukční děje zprostředkované přenosem e- (metaloproteiny) FeIII+ / FeII+ hem - cytochromy, Fe-S – Rieskeho protein, ferredoxin, … CuII+ / CuI+ např. plastocyanin

40. Přenašeče e- a H+ v tylakoidní a mitochondiální membráně chinon plastochinon semichinon ubichinon, koenzym Q10 hydrochinon = chinol