Fotosyntéza a dýchání rostlin
Fotosyntéza a dýchání rostlin
Fotosyntéza
· jedná se o několikastupňový
biochemický proces, přeměna energie světelného záření na energii chemických vazeb
· využívá
světelného, např. slunečního záření a tepla ke tvorbě (syntéze) energeticky bohatých
organických sloučenin – cukrů, z jednoduchých anorganických látek – CO2 a
vody
· je to klíčový děj pro zemskou biosféru, jako vedlejší produkt totiž vzniká
kyslík v atmosféře
· probíhá v zelených částech rostlin, tedy
nikoli např. v kořeni
· fotosyntetizující organismy
- organismy, které zajišťují svoji
potřebu energie pomocí fotosyntézy se nazývají autotrofní, resp. fotoautotrofní (energii získávají ze světla, zdroj
uhlíku je CO2)
- k těmto organismům patří zelené rostliny, fotoautotrofní bakterie,
sinice (cyanobakteria) a řasy
- u sinic probíhala před 3,5 mld let anoxynogenní
fotosyntéza, teprve před 2 mld let začala fungovat oxynogenní fotosyntéza
- do anoxynogenní
fotosyntézy nezasahoval oxid a nevznikal jí kyslík, oxynogenní je běžná fotosyntéza
· shrnutí
fotosyntézy
- je známo od 19. století, ale všechny děje ještě nejsou objasněny
6 CO2 + 12 H2O --->
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
· potřebné faktory
- sluneční (světelná)
energie: se vzrůstající intenzitou slunečního záření a teplotou stoupá i rychlost fotosyntézy, ale jen do určité míry
- teplota: nejintenzivněji fotosyntéza probíhá v rozmezí 25 a 30°C, při –1°C se zcela zastavuje, při 30°C se
rychlost významně zpomaluje
- voda: nedostatek vody způsobuje uzavření průduchů a tak nemůže docházet
k fotosyntéze – oxid uhličitý nemůže pronikat do rostliny
- oxid uhličitý: z ovzduší, podobná
závislost jako u světla
- fotosyntetický aparát
· vnější
faktory: světlo, teplota, voda, oxid uhličitý, chlorofyl
· vnitřní faktory: množství
chlorofylu, stáří listů, minerální výživa apod.
· fotosyntetický aparát
- zajišťují ho u
eukaryotních buněk chloroplasty, u prokaryotních buněk pak chromatofory (vychlípeniny membrány např. u
fotoautotrofních bakterií, kde se shromažďuje bakteriochlorofyl a další složky účastnící se fotosyntézy)
- chloroplasty jsou
plastidy v cytoplazmě (především v listech) obsahující asimilační barviva, ve kterých
probíhá fotosyntéza
- mají dvojitou membránu, obsahují vlastní DNA a ribozomy
- obvykle jsou zeleně zbarveny díky
chlorofylu
- v základní hmotě (stromatu) jsou malé okrouhlé, na sebe navrstvené destičky
(grana), které jsou tvořeny dvojitými lamelami (thylakoidy) obsahujícími fotosystémy
s fotopigmenty
- stroma také obsahuje enzymy katalyzující syntézu cukrů
·
fotopigmenty
- základní jsou chlorofyly (bakteriochlorofyly u anoxygenní bakterií)
- existuje
chlorofyl a, b, c1, c2 a d (jako jediný dokáže emitovat elektron)
- doplňkové jsou karoteny a
xantofyly
- dále tu mohou být fytocyaniny a fykoerythriny
- různá barviva
absorbují různou část světelného spektra
- nejvíce absorbce probíhá ve spektru červeného světla
(610-710 nm) a modrofialového světla (380-495 nm)
- obecně je asimilačními barvivy absorbováno světlo od vlnové délce 380-710
nm
· fotosystémy
- jedná se o proteinové komplexy v thylakoidových
membránách
- jejich účelem je využití co nejširšího spektra záření
- existují 2 fotosystémy, liší se
oblastí nejlepšího využití vlnové délky
• fotosystém I: P700, účinná vlnová délka je 700
nm
• fotosystém II: P680, účinná vlnová délka je 680 nm
· fotosyntéza má základní fáze
-
fyzikální procesy: souvisejí s absorpcí světla a přenosem zachycené energie k reakčním centrům fotosystémů
-
primární fotochemické procesy: vázané na thylakoidní chloroplastové membrány, pojí se s fotolýzou vody a přenosem
elektronů redoxními systémy k redukci NADP a k energetické podpoře vzniku ATP z ADP
- sekundární biochemické
procesy: vázané na stroma chloroplastů, spojené s fixací CO2 a s redukcí vodíkem, uvolněným fotolýzou vody při tvorbě cukrů a
jiných organických sloučenin
Primární (světelná) fáze fotosyntézy
· je závislá na
světle
· probíhá v thylakoidových membránách chloroplastů
· probíhá
přeměna světelné energie (fotonů) na chemickou energii (ve formě NADPH a ATP – ty jsou pak využity pro sekundární fázi)
·
fotosystém I.
- fotony světelného záření jsou zachycovány asimilačními barvivy
obsaženými v plastidech a vedou je k molekule chlorofylu A a tzv. reakčnímu centru fotosystému I
- pohlcuje max. vlnové délky 700nm
- fotosystém přejde do excitovaného (vybuzeného) stavu a uvolní elektrony, které mohou buď redukovat
NADP na NADPH + H, nebo se vrátit zpět, přičemž část jejich energie je využita k tvorbě ATP v cyklické
fosforylaci (elektrony se pak vracejí na původní fotosystém)
· fotosystém II.
- pohlcuje max.
vlnové délky 680nm
- stejně jako fotosystém I. přijme světelné záření, přejde do excitovaného stavu a uvolní
elektrony
- ty přecházejí na fotosystém I, nahradí z něho uvolněné elektrony a
část energie je využita k tvorbě ATP v necyklické fosforylaci
- elektrony transportovány z f. II na
f. I – chybějící elektrony na f.II jsou doplněny z fotolýzy vody
· fotolýza vody
- oba fotosystémy doplňuje proces fotolýzy vody (Hillova reakce), při kterém se voda rozkládá na
kyslík (uvolněn do okolí), vodík (váže se na NADP) a elektrony
- na rozklad molekuly vody se využije
pohlcená světelná energie
· fotofosforylace (tvorba ATP)
- způsob získávání E přenosem elektronů, při
němž vzniká ATP
- vyvoláno pohlcením fotonu dopadajícího na chlorofyl.
- cyklická
fotofosforylace
• 2 molekuly fotosystému I (P-700) se excitují 2 fotony, které pohltily a odevzdají 2 elektrony primárnímu
příjemci (feredoxin), pak se vrátí nazpět k P-700, který si jimi doplní chybějící elektrony
• přijatá světelná E se využije
na tvorbu ATP z ADP
- necyklická fotofosforylace
• 2 elektrony jsou přes feredoxin odevzdané redoxnímu
systému NADP, který je příjemcem elektronů v chloroplastech
• dárcem elektronů je voda, tvoří se ATP a NADP se redukuje na NADPH +
H
· redox systémy
- v chloroplastech, přijímají excitované elektrony, energii nepřímo uvolní, ta je využita
na tvorbu ATP
Sekundární (temnostní) fáze fotosyntézy
· není závislá na světle
· probíhá mimo
thylakoidy, tedy ve stromatu chloroplastu
· dochází tu k redukci oxidu uhličitého na
glukózu (sacharid) za využití ATP a NADPH + H z primární fáze
fotosyntézy
· celkovým produktem je glukóza a voda
O2 + 18 ATP + 12 NADPH --->
C6H12O6 + 18 ADP + 18 P + 12 NADP
· existují 3 způsoby fixace oxidu uhličitého
· Calvinův cyklus
(C3)
- nejvýznamnější cesta metabolismu syntézy sacharidů
- většina rostlin používá k syntéze sacharidů
právě Calvinův cyklus a označují se jako C3 rostliny
- prvním produktem je asimilace je tříuhlíkatá sloučenina 3-fosfoglycerát,
proto C3
- CO2 je nejprve vázán na pětiuhlíkatý cukr (ribulózabisfosfát) za vzniku šestiuhlíkatého meziproduktu
- ten se
rozpadá na dvě tříuhlíkaté karboxylové kyseliny (3-fosfoglycerové kys.), které se redukují na 2 molekuly aldehydu, z nichž se kondenzací
vytvoří 1 molekula hexózy
- z 6 molekul pentózy a 6 molekul CO2 vznikne 6 molekul hexózy, z toho 1 molekula představuje čistý zisk a
zbývajících 5 se opět přemění na 6 molekul pentózy (původní ribulózabisfosfát)
· C4 cyklus
- první
produkt asimilace je čtyřuhlíkatá sloučenina oxalacetát (C4rostliny, např. kukuřice,proso,cukr.třtina)
- výrazné snížení ztrát
způsobených fotorespirací, zároveň se ale spotřebovává více energie (2 ATP navíc) – rostliny jsou proto teplomilné nebo tropické
- akceptorem molekuly CO2 je fosfoenolpyruvát (PEP), který se po navázání oxidu uhličitého mění na oxalacetát
- dále redukce
pomocí ATP a dalších látek na malát
- ten je pomocí NADP oxidován na pyruvát a současně se uvolní CO2 do Calvinova cyklu
- pyruvát se pyruvátfosfátdikinasou a spotřebou ATP přemění na fosfoenolpyruvát
· CAM cyklus
- probíhá
jako C4 cyklus (ve stejných buňkách), ale v jiném čase (noc x den)
- sukulentní rostliny (kaktusy, palmy, i pelargonie) – speciální
adaptace na nedostatek vody
- obelstění výparu - přes den zavřené průduchy (CO2 se nedostane dovnitř), pracuje s CO2 vzniklým z
malátu, v noci průduchy otevře a načerpá CO2 na vyrobení malátu
· anoxynogenní fotosyntéza
probíhá u nižších fotosyntetizujících organismů, některých bakterií
· místo vody se rozkládá sirovodík nebo organické kyseliny
a neuvolňuje se kyslík
· je to mnohem méně efektivní
Dýchání
rostlin
· dýchání (aerobní respirace) je soubor katabolických reakcí, kterými rostlina
uvolňuje energii z organických sloučenin
· tato energie je spotřebována na energetické požadavky (např. syntetické pochody, příjem
živin, růst)
· je to biologická oxidace organických látek, hlavně sacharidů
· hlavním
substrátem pro respiraci jsou zejména sacharidy (glukóza), rostliny vydávají CO2 a vodu
· význam
dýchání: zdroj energie (ATP) pro buňku
· výsledek dýchání: voda, oxid uhličitý a energie
· dýchají
všechny části rostliny (i nezelené nebo semena), ve dne i v noci (ve dne v zelených rostlinách převládá fotosyntéza)
·
podmínky a faktory ovlivňující dýchání
- nutná přítomnost organických látek v
buňce a enzymů buněčného dýchání
- přísun kyslíku (snížení přísunu vede u
vyšších rostlin k přechodu na anaerobní dýchání)
- koncentrace CO2
-
plyn ethylen: zvyšuje dýchání, vzniká při hnilobných procesech (pokud chceme uskladnit jablka, musíme
vybírat shnilá – ta produkují ethylen a zvyšovaly by dýchání ostatních)
- nízká teplota
zpomaluje dýchání, zvyšováním se rychlost respirace zvyšuje, ale prudce klesá při dosažení 30°C
·
vnitřní faktory: množství oxidovatelných zásobních látek a množství vody v rostlině, stáří rostliny
apod.
· 2 fáze dýchání: anaerobní a aerobní
· anaerobní fáze
- anaerobní
glykolýza (rozklad cukru bez přístupu kyslíku) – glukóza se štěpí na 2 molekuly trojuhlíkaté kyseliny pyrohroznové,
vznik 2 molekul ATP → substrátová fosforylace
- probíhá v cytoplazmě
- výsledkem 2 molekuly kyseliny
pyrohroznové a molekuly ATP
· aerobní fáze
- dekarboxylace (tvorba acetyl-koenzymu A, vznik CO2),
dehydrogenace (Krebsův cyklus)
- oxidace (oxidace vodíku až na vodu, uvolňuje se teplo a vzniká ATP)
- probíhá v mitochondriální matrix
· fotosyntéza a dýchání jsou protikladné
děje
Fotorespirace
· zvláštní způsob dýchání (světelné dýchání)
· rostlina přijímá kyslík a produkuje CO2, nevzniká ATP (ztráta energie i substrátu)
· probíhá pouze za světla
v chloroplastech
· nepřináší žádný energetický zisk pro rostliny (naopak ji ochuzuje o produkty fotosyntézy)
·
spotřeba kyslíku (chrání vnější struktury před poškozením
· C3 rostliny vysoká
fotorespirace x C4 rostliny nižší (potřeba vnějších podmínek – teplo a Slunce)
· při nízké koncentraci oxidu
uhličitého vstupuje do reakce místo něj molekulární kyslík → místo karboxylace nastává oxidace a tím
ztráta meziproduktů Calvinova cyklu → fotorespirace
Zones.sk – Zóny pre každého študenta