Alge imajo v celicah pogosto samo po 1 velik plastid

Transcript

1 PLASTIDI - značilnost rastlin -energetski centri, centri presnove v evkariontski r. celici (fotosinteza - redukcija CO 2 (NO 3-, SO4 --,...) - steljčnice - alge : 1 tip; brstnice: delitev dela: več tipov: I. Fotosintezno aktivni kromatofori: kloroplasti (alge: feoplasti, rodoplasti) II. Fotosintezno nekativni kromatofori: kromoplasti III. Brezbarvni plastidi: levkoplasti (amilo-, elaeoplasti; (pirenoid, plastoglobuli).

2 Alge imajo v celicah pogosto samo po 1 velik plastid

3 Kloroplasti v celici Kloroplast-povečano tilakoide Tilakoide-pove3čano Kloroplast brstnic je klorofilno zrno

4 SKUPNE ZNAČILNOSTI V ZGRADBI - dvojna membrana, lipo-proteidna, značilne sestave - lastna DNK (bakterijska!), RNK (70S ribosomi - prokarionti!) - lastna plastidoplazma (=stroma!)

5 VELIKOST IN OBLIKA Steljčnice (alge): veliki plastidi,različnih oblik, po 1/celico,opravljajo vse funkcije plastidov (kloro,- rodo, feoplasti); več plastidov/celico le najvišje razvite rjave in zelene alge Brstnice(mahovi, praprotnice, semenke): razvoj tkiv in diferenciacija v kloro, kromo in levkoplaste; več plastidov na celico

6 Nastanek in razmnoževanje - iz plastidov (cepitev); simbiontska teorija o izvoru; podobnost mitohondrijem; (lastna DNK in RNK!) - specializacija tkiv: vrste plastidov; vsaj po ena vrsta/tip tkiva - gamete in plastidi; - vegetativno razmnoževanje; genom:plastom - interkonverzije plastidov pri brstnicah: proplastidi ( kloro-, levko- in kromoplasti; levkoplasti (kloroplasti, kromoplasti; kloroplasti (etioplasti (tema), kromoplasti (staranje, razvoj); gerontoplasti): - razmere nastanka: svetloba, položaj celic/tkiv v organu; funkcija tkiva; razvoj - starnje tkiv/organov.

7 LEVKOPLASTI - brezbarvni plastidi brstnic (pirenoidi, plastoglobuli alg) - velja tipična zgradba plastidov; ni barvil; notranja membrana slabše diferencirana (prolamelarno telesce; tuboli; ni tilakoid) - možnost pretvorbe v kloroplaste - funkcija: - skladišče rezervnih snovi: škrob (amiloplasti; amiloza + amilopektin); škrobna zrna: enostavna (simetrična, asimetrična; okrogla, drugih oblik -vrstna značilnost; poreklo moke); sestavljena; - druge fukcije: zaznavanje težnosti: škrobna zrna (citoskelet; stato- liti (koreninska čepica, usmerjanje transporta hormonov (usmer- janje rasti); majhni levkoplasti brez založne vloge (epiderm;...), slabo poznana fukcija (morfogeneza?, modra svetloba?); kopičenje maščob -elaeoplasti, beljakovin - proteinoplasti (izjema!) - mesta pojavljanja: škrobna zrna (+ elaeo-, proteinoplasti) - založna tkiva; specializirana (sek. endosperm (alevronska, škrobna plast!), nespecializirana (skorje, strženi stebel, korenin), sredice listov, parenhimi v lesu);vzgoja kmetijskih rastlin (založni organi, tkiva).

8 Različni tipi amiloplastov: A asimetrični (krompir); B-dva centra nalaganja škroba; C- simetrični; D- sestavljeni

9 plod. ovojnica Sem. ovojnica Ostanek nucela Alevronska plast ŠKROBNA PLAST Z amiloplasti Alevronska zrna A l e Škrob se zelo pogosto nalaga v založnih tkivih npr. v semenu, v v sekundarnem endospermu. r o

10 Vegetativni založni organi -koreni

11 Čebule Stebelni gomolji

12 KROMOPLASTI -rumeno-, oranžno-, rdeče-, rjavo obarvani plastidi brstnic (cvetovi, plodovi, redko drugi organi); - nastanek: različen (iz proplastidov, kloroplastov), povezan z razvojemstaranjem (dezintegracija tilakoidnih membran, razpad klorofilov) - vrste: tubolarni, lamelarni, kristalinični - vsebnost barvil: karotenoidi ( karoten, violaksantin, lutein; violaksantin (anteraksantin, zeaksantin; kloroplasti (kromoplasti; kromoplasti: cca 70 vrst: n.p. likopen -Lycopersicum esculentum; kapsantin, kapsikorubin - Solanum capsicum; zeaksantin - Zea mays; violaksantin - Viola sp. (tricolor, arvensis, witrockiana, zoysii, riviniana, odorata, itd...), caroten - Daucus carota, itd... - vloga: ekološki pomen (opraševanje -zoogamija, raznašanje plodov - zoohorija); pomen v prehrani (predstopnje vitaminov); za rastline: z razpadom karotenoidov nastajajo nekateri hormoni (ABA,...).

13 V plodu navadnega šipka (Rosa canina L.) se z zorenjem zeleni kloroplasti spreminjajo v oranžne kromoplaste.

14 Kromoplasti dajejo rumenooranžno barvo številnim cvetovom na sliki cvet mačehe-viola sp.

15 KLOROPLASTI -Cormophyta -KLOROFILNA ZRNA (kroglasti, lečasti; več /celico; -Thallophyta (alge, lišaji) - VELIKI PLASTIDI (različnih oblik, ponavadi 1/celico); KLOROPLASTI, RODOPLASTI, FEOPLASTI - Prokaryota- Cyanobacteria: protocita = funkcionalno kloroplast - funkcije: FOTOSINTEZA, fotosintezno aktivni kromatofori. + ostali metabolični procesi (sinteza maščob, )

16 Zgradba kloroplasta- klorofilnega zrna višjih rastlin

17 ZGRADBA KLOROFILNEGA ZRNA - lečaste oblike; µm, več /celico, nastanek iz proplastidov; svetloba!; Fe++, - zgradba: velja splošni princip zgradbe plastidov: 2 membrani: zunanja enostavna, notranja močno diferencirana v tilakoidni sistem; plastidoplazma (stroma); DNK, 70S ribosomi (RNK); - posebnosti v zgradbi (fotosinteza): zgradba tilakoidnih membran: - lipoproteidne membrane; uvihki notranje membrane; pomen: povečanje absorbcijske površine za svetlobo, razdelitev notranjosti kloroplasta za ustvarjanje elektrokemičnega in konc. gradienta; - proste tilakoide - stromatarne; zlepljene tilakoide - granularne (grana); - zleplanje tilakoid je v določeni meri od okolja vzpodbujen reverzibilen proces, odvisen največ od jakosti in kvalitete sončnega sevanja; vpliv temperature! - prepustnost membran kloroplasta je zelo različna (zunanja, notranja membrana, membrane prostih in zlepljenih tilakoid; saharoza; Pi; H+,...

18 Svetlobne reakcije Ogljikove reakcije Zgradba kloroplasta odseva njegovo funkcijo fotosintezo v prvi vrsti

19 ULTRASTRUKTURA TILAKOID "unit membrana", tekoči mozaik lipoproteinov; ("freeze etching"); posebnosti: SVETLOBNA FAZA FOTOSINTEZE: ABSORBCIJA SVETLOBE, TRANSFORMACIJE ENERGIJE SEVANJA V ENERGIJO ATP (ENERGETSKO BOGATIH ELEKTRONOV (= el. energija); FOTOLIZA VODE (oksidacija vode); SINTEZA NADPH+H+, ATP

20 Zlepljene(granularne) in proste (stromatarne) tilakoide

21 Model prostih in zlepljenih ( naloženih - packed ) tilakoid

22 FOTOSINTEZNO AKTIVNA BARVILA (PIGMENTI) absorpcija svetlobe, konverzija energije sevanja v el. energijo; zaščita pred radikali, oksidacijo; - GLAVNA BARVILA: KONVERZIJA ENERGIJE (izbitje elektronov): klorofil A (bakterioklorofil); abs. max = 420nm, 660 nm; zelena barva rastlin!!; zgradba, razvoj in pomen zgradbe molekule klorofila a za fotosintezo; bakterioklorofil : abs. max = nm.

23 Molekulska zgradba klorofilov a in b ter bakterioklorofila

24 Zgradba molekule korofila omogoča pretvorbo svetlobne energije v energijo elektrona

25 Absorpcijski spektri fotosinteznih barvil

26 POMOŽNA BARVILA (ANTENSKI, AKCESORNI PIGMENTI): USMERJANJE SVETLOBE NA kl. a, POMOČ PRI ABSORBCIJI SVETLOBE, ZAŠČITA TILAKOIDNIH MEMBRAN (radikali, oksidacija): - klorofili: klorofil b: abs. max: 460nm; 640 nm; kl. c, d; - karotenoidi (cca 60): karoteni; karoten: abs.max = nm; ksantofili: lutein, violaksantin, anteraksantin, zeaksantin, neoksantin ( cca 70!); fukoksantin (alge); feoplasti; (pomen antenskih pigmentov; odvisnost količine od okoljskih razmer - svetloba, stres, dnevno in sezonsko) - fikobilini (fikobiliproteidi): pomožni pigmenti cianobakterij in alg; fikocijan: moder; abs.max = 600 nm; fikoeritrin: rdeč abs. max = 560 nm; rodoplasti;

27 Barvila iz skupine karotenoidov

28 Pomožna fotosintezna barvila rdečih alg in cianobakterij

29 Ureditev fotosinteznih barvil v tilakoidnih membranah - ureditev - vezava fot. barvil v tilakoidni membrani; nekovaletne vezi z beljakovinami ( fotosintetski centri: PS I, PSII; Emersonov efekt ("red drop") in antenski kompleksi (LHCP I, LHCP II; vezava pomožnih fot. barvil in beljakovin);

30 Zgradba PSII

31 Zgradba PSI

32 Model zgradbe fotosinteznih centrov in pripadadajočih antenskih kompleksov

33 Model zgradbe fotosinteznega centra in antenskih kompleksov pri rdečih algah v fikobilisome

34 Ostali gradniki tilakoid - PREJEMNIKI IN PRENAŠALCI ELEKTRONOV: PS I: feredoksin, citohrom b563; PSII : Q - PQ- kinoniplastokinon; citohrom b559, FeS kompleks, PC-plastocianin; - ENCIMSKI SISTEMI: PSI, PSII: ATP, NADPH+H sintetaza; PSII: sistem za fotolizo vode

35 Zgradba tilakoidne membrane

36 ORGANIZACIJA TILAKOIDNIH MEMBRAN Zlepljanje in sproščanje tilakoid stromatarne in granularne tilakoide prilagajanje na svetlobni režim rastišča (tudi z razmerji med glavnimi in pomižnimi fotosin. barvili) Zgradba tilakoid odraža prilagojenost rastlin na potek fotosinteze v normalnih in stresnih razmerah kapaciteto pretvorbe svetlobe

37 Nalaganje in sproščanje tilakoidnih membran je prilagoditev na svetlobo in druge stresne dejavnike

38 Povezava PSI in PSII v funkcionalno enoto- fotosintezno enoto

39 LIPIDI TILAKOIDNIH MEMBRAN monogalaktozildiacilglicerol, digalaktozildiacilglicerol, sulfolipidi, fosfatidilglicerol, plastocianin, plastokinoni, tokoferol ; Lipidna sestava tudi odraža prilagoditev kloroplasta na stresne razmere (mraz, vročina, suša); vloga tokoferola V lipidno sfero membran so vključeni karotenoidi!!

40 ZGRADBA IN ŠTEVILO KLOROPLASTOV - dimorfizem kloroplastov; C3, C4 rastline; senčne- sončne adaptacije na ravni števila kloroplastov, zgradbe tilakoidnih membran (proste/zlepljene tilakoide), razmerja glavnih in pomožnih barvil (kla/klb; klorofili/karotenoidi, karotenoidi/ksantofili) in ostalih sestavin tilakoid (PSI/PSII),..

41 ZGRADBA STROME - temotna faza fotosinteze: ENCIMI KALVINOVEGA CIKLA, sinteze polisaharidov; redukcije sulfata, nitrata; sistemi za nevtralizacijo radikalov (katalaza, SOD, peroksidaza); RUBISCO; RIBULOZA-BIFOSFAT KARBOKSILAZA; PLATOGLOBULI; ASIMILACIJSKI ŠKROB DNK, 70S ribosomi

42 FOTOSINTEZA Svetloba kot energija: E = h. = h.c/λ ( nm); E = energija; =frekvenca; λ = val. dolžina svetlobe; h = Plankova konstanta (6, J/s); c = hitrost svetlobe Enota : 1µmol s -1 m -2 = 1 µe s -1 m -2 = 6, fotonov s -1 m -2 = 6, kvantov s -1 m -2

43 FOTOSINTEZA - ASIMILACIJA OGLJIKA (energetika celice) RASTLINE - FOTOAVTOTROFNI ORGANIZMI višje rastline -brstnice; cianobakterije, fotosintetskoaktivne bakterije, evkariontske alge, lišaji

44 KEMOSINTEZA 1. Nitrifikacijske bakterije (Nitrosomonas) 2 NH = 2 HNO H 2 O kcal 2. Nitratne bakterije (Nitrobacter) 2 HNO = 2 HNO kcal (solitri; guano; Čile) 3. Žveplove bakterije: 2H 2 S + O 2 H S 2 S H H 2 SO 4 H 2 S H 2 SO kcal

45 ZAČETEK FOTOSINTEZE 4. Purpurne žveplove bakterije CO H 2 S(donor e -, H + ) (svetloba) CH 2 0 +H 2 O +2S Svetloba je vir energije Žveplovodik vir elektronov in protonov Sprošča se elementarno žveplo

46 Ostale oblike kemosinteze 5. Železove bakterije (Crenothrix, Leptothrix) FeCO 3 (Fe ++ ) (Fe 2 (CO 3 ) 3 Fe(OH) 3 (Fe +++ ) 6. Metanove bakterije (Bacillus methanicus) CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O

47 FOTOSINTEZA VIŠJIH RASTLIN, EV. ALG, CIANOBAKTERIJ OKSIGENA FOTOSINTEZA 6CO H 2 O(donor H +, e - ) kcal (klorofil, h() C 6 H 12 O 6 + 6O 2 n H 2 O + n CO 2 (h. ) (CH 2 O)n + no 2 ; endergon proces! (Go = + n. 477KJ (+ n. 114 KCAL); n=6 1. 2H 2 O + 2A (h. ) 2AH 2 + O 2 2. CO 2 + 2AH 2 CH 2 O +H 2 O + 2A 1+2( CO H 2 O (h. ) CH 2 O + O 2 + H 2 O

48 BISTVO FOTOSINTEZE: pretvorba svetlobne energije v kemijsko oksidacija vode (fotoliza); sprošča se kisik redukcija ogljik.dioksida; nastanek org. spojin (sladkorji, amino kisline, maščobe) PQ (fotosintetski količnik) = O 2 /CO 2 = 1 (samo v idealnih razmerah!)

49 FAZE FOTOSINTEZE I. SVETLOBNA FAZA (svetlobne reakcije): pretvorba svetlobne energije v kemično: ATP; fotoliza vode: NADPH 2 (2e -, 2H + ); nastanek kisika: O 2 - Poteka na tilakoidnih membranah kloroplasta - II. TEMOTNA FAZA(ogljikove reakcije fotosinteze): redukcija CO 2 : nastanek sladkorjev, aminokislin, maščob,.. -poteka v stromi kloroplasta

50 Faze fotosinteze: svetlobne in ogljikove ( temotne ) reakcije

51 I. SVETLOBNA FAZA FOTOSINTEZE Pomen svetlobe za rastline: vir energije regulator rasti in razvoja (fitokromi, kriptokromi) toplotni učinek svetloba kot stres (preveč, premalo,..) Učinki so odvisni od spektralnega sestava, jakosti sevanja in trajanja sevanja

52 Prikaz fotosinteznega učinka svetlobe glede na spektrani sestav

53 a) Fotofizikalne reakcije: - absorbcija svetlobne energije:e = h. ; fotoni; kvanti; molekule klorofila; ant. kompleksi, reakcijski centri - prenos energije do reakcijskih centrov; PSI (700nm), PSII (680nm) - ekscitacija in deekscitacija molekul klorofila a; glavni in pomožni pigmenti; - Emersonov efekt; PSI, PSII, "red drop"; pomen (; vzburjenje elektrona; izbitje elektrona; fluorescenca; toplota; hiperenergetsko stanje kloroplasta

54 Pomen fotosinteznih barvil: A) Glavna: Klorofil a (bakterioklorofil): absorbcija svetlobe in pretvorba energije fotonov v energijo elektronov B) Pomožna (antenski pigmenti): pomoč pri absorbciji svetlobe (spektralni sestav; okolje!): klorofil b (c, d, e), karotenoidi, fikobilini);zaščita kloroplasta v stresnih razmerah: karotenoidi (karoteni ksantofili; ksantofilski cikel)

55 Strukturne formule klorofila a, b in bakteriklorofila

56 FOTOSINTEZNI UČINEK SVETLOBE PhAR(phtosynthetic active radiation): 400 (380) 700 (710) nm Učinek je odvisen od spektralne sestave (=energetske vsebnosti sevanja: E=hν=hc/λ (npr. 1 mol fotonov modre svetlobe, 490 nm, ima energijo 240 kj, 1 mol rdeče svetlobe z val. dol 700 nm pa le 170kJ(1E)

57 Učinek svetlobe na pigmentih: Absorpcija svetlobe in pretvorba pigmenta (kl a) iz osnovnega (E g ) v vzbujeno, ekscitirano stanje (E e ): E e - E g = hc/λ; osnovno (graund state) 1.vzbujeno (singlet)- 2. vzbujeno (triplet) nadaljna usoda: - sprememba v toploto - oddaja svetlobe dalj. val. dol. (fluorescenca) - prenos na drugo molekulo v bližini - oddaja elektrona bližnjemu prejemniku fotokemija (Φ =št.fotokemično nastalih produktov/št. absorb. fotonov: quantum yield (fotokemični izkoristek; le reko 1)

58 Pomen karotenoidov Pomožna absorbcija v modrem delu PhAR zaščita kloroplasta pred fotokemijsko oksidacijo fotoinhibicijo Pomen kemijske zgradbe karotenoidov Vloga ksantofilskega cikla odaptacija kloroplasta na svetlobno okolje

59 B) Fotokemične reakcije Z-shema, Hill & Bendal 1960; izbitje elektronov v reakcijskih centrih (PSI, PSII); fotoliza vode (PSII) Vektorski transport elektronov iz vode ( pomoč PSI, PSII) preko prenašalcev na končne prenašalce (NADP + ; O) in poraba v temotni fazi (CO 2, NO 3-, SO 4 --, Z - shema); Vektorski transport protonov H + iz strome v notranji lumen tilakoidnih membran; Fotofosforilizacija (tvorba ATP; ADP + Pi(ADP)

60 Model fotosistema 1- PS-I kla700

61 Model PS II kla 680; poleg reakcijskega centra vebuje še sistem za fotolizo vode

62 Shema obeh reakcijskih centrov in pridruženih antenskih kompleksov

63 Razporeditev v tilakoidah: Nekatere funkcionalne enote so omejene na stromatarne tilakoide (PSI, kompleks ATP-aze), druge na granularne, zlepljene dele (PSII), tretje so enakomerno razporejene po obeh vrstah tilakoid (citohrom b 6 f kompleks) Zlepljanje in sproščanje tilakoid omogoča prilagajanje na svetlobno okolje

64 Porazdelitev funkcionalnih enot glede na vrste tilakoid

65 PSI in PSII tvorita funkcionalno enoto Samo fotosintetsko aktivne bakterije in cianobakterije imajo 1 PS Evkariontske alge in vse višje rastline imajo PS I in PSII, ki delujeta v navezi Delež/število PSI/PSII je odvisno od jakosti sevanja

66 Tok elektronov iz vode na NADP+ pojasnjuje Hil-Bendallova Z-shema;

67 Tvorba ATP- fotofosforilizacija Teorije nastanka ATP: kemijska hipoteza (Arnon et al. 1954, Slater 1954) kemoosmotska hipoteza (Mitchell 1966, Nobel 1978): Fotofosforilizacija poteka na intaktnih (topografsko celih) tilakoidah, ki so relativno nepropustne za H+ in OH- ione. Vir e- in H+ je voda. Prenos e- iz vode (fotoliza vode!, PSII) na prejemnike je vektorski - preko prenašalcev, vezanih za oba PS v tilakoidni membrani. Prenos e- je istočasno spremljan s prenosom H+ iz strome kloroplasta v notranji lumen zlepljenih (naloženih) tilakoid. Nastanek koncentracijskega gradienta (H+!) in el. polja preko tilakoidne membrane. Kombinacija konc. gradienta in el. polja tvorita visoko energetsko stanje s težnjo po izmetu protonov (H+) iz notranjega lumna tilakoid. V tilakoidah obstaja vektorsko vezana ATP sintetaza (F1-Fo kompleks; integralni, transmembranski protein), ki na račun energije elektrokemijskega potenciala in gradienta protonov sintetizira ATP iz ADP in Pi.

68 Kaj potrjuje hipotezo? - poskusi na izoliranih in intaktnih tilakoid. membranah (meritve fluorescence, sproščanje O2, meritve ph, toplote, količine ATP, NADPH+H,...) - analize tilakoidnih membran z el. mikroskopom in biokemične analize sestave proteinov v tilaoidnih membranah.

69 Prikazana pot elektronov med PS II in PS I

70 Prikaz tvorbe ATP na stromatarnih tilakoidah

71 ATP-aza

72 Poenostavljen prikaz poteka ksantofilnega cikla na tilakoidnih membranah, proces, ki deluje stalno in ohranja tilakoidne membrane.

73 Načini tvorbe ATP V normalnih razmerah poteka neciklična fotofosforilizacija, pot elektrona iz vode na NADP + Kadar se NADPH+H ne porablja (težave v Kalvinovem ciklu) steče na PS I ciklična fotofosforilizacija, tvori se samo ATP Ob popolni redukciji PS I lahko sprejme elektron kisik Maehlerjeva reakcijapsevdociklična fosforilizacija

74 Povzetek Ciklična: PSI; pot e - : PSI PSI (kl a 700nm); Neciklična: PSII; pot e - : H 2 O PSII PSI NADP + : fotoliza vode: 2H 2 O (Mn ++ ) O 2 + 4H + +4e - ; prenos e - na NADP + ; PSII (Mn -protein!); Kok et al. 1970; (H 2 O + NADP + + h. 1/2O 2 + NADPH + H + ) Pseudociklična : PSII,PSI; pot e - : H 2 O e - iz H 2 O PSII PSI O O 2 (2H + + O 2 + 2e - H 2 O 2 (katalaza) H 2 O + 1/2O 2 ); Edwards & Walker 1983; "Mehlerjeva"reakcija)

75 POVZETEK REAKCIJ IN PRODUKTI SVETLOBNE FAZE: 2H 2 O + 2 NADP ADP + 3Pi (H 2 PO 4 ) FOTONOV O NADPH + 2H + + 3ATP + 3H 2 O; 1 molekula H 2 O 1/2O 2 + NADPH +H + + 1,5 ATP; za redukcijo 1CO 2 potrebujemo: 3 ATP + 2 NADPH +H + zadošča že neciklična fosforilizacija, a v kloroplastu ne poteka le redukcija ogljika; stresne razmere!! (poraba ATP in NADPH za reparacijo, delo,..)

76 Ogljikove reakcije fotosinteze (TEMOTNA FAZA FOTOSINTEZE = KALVINOV CIKEL= RPP CIKEL) Povzetek reakcij: 6CO ATP + 12 NADPH + 12H + C 6 H ADP + 18 Pi + 12NADP+ Proces ne poteka v temi Sodelujejo številni encimi-temperaturna občutljivost Tvorijo se različni c-skeleti, ki se usmerjajo glede na potrebe rastline

77 Regulacija Kalvinovega cikla Encimatska 13 encimov, 3 le v kloroplastu (RUBISCO, sedoheptoloze- 1,7-bifosfataza, fosforibulokinaza) Stanje reducentov in energije (ATP, NADPH) Metabolitna (snovi, ki vzstopajo in izstopajo: CO 2,H 2 0, O 2, 1. akceptor(r- BP,C 5 ), drugi sladkorji) Okolje (svetloba, temperatura, voda)

78 Faze Kalvinovega cikla Karboksilacija Redukcija Regeneracija substrata Avtokataliza

79 Pregled faz Kalvinovega cikla

80 Karboksilacija Vezava CO 2 na prvi akceptor, sladkor ribuloza bifosfat Akceptor mora biti aktiviran Problem je pomanjkanje CO 2, še posebej ob zaprtih režah; tedaj vezava kisika, RUBISCO postane RUBISO Potek pri večini rastlin: CO 2 (C 1 ) RuBP (C 5 ) (C 6 ) 2PGK (C 3 )

81 Prva faza Kalvinovega cikla: karboksilacija pri C 3 rastlinah (ob zadostni preskrbi s CO 2 in oksigenacija ob pomanjkanju, kar vodi v fotorespiracijo).

82 FOTORESPIRACIJA Ob zaprtih režah zmanjka CO 2 Na isti substrat se veže kisik ob katalizi istega encima: O 2 (C 0 ) + RuBP (C 5 ) (C 5 ) 1PG (C 3 )+1PG (C 2, fosfoglikolat) Fosfoglikolat se presnavlja v peroksisomih, ob sodelovanju klooroplastov in mitohondrijev fotorespiracija (pomen: stres, povezava metabolizma C in N) Rešitve: C 4, CAM in C 1 tipi fotosinteze

83 C 4 FOTOSINTEZA Pretežno tropske trave (Poaceae, Amarantaceae, Aizoaceae, Chenopodiaceae) Pretežno zelišča, bogatih, dobro osvetljenih in na hranilih bogatih tal Dva tipa karboksilacije v listu; dimorfizem kloroplastov in asimilacijskega parenhima

84 Navadne celice mezofila Celice žilnega ovoja z agranularnimi kloroplasti in delno oplutenelimi cel. stenami Prerez lista C4 rastline (npr. koruze): dimorfizem asimilacijskega parenhima

85 Dve prostorsko ločeni karboksilaciji pri C 4 rastlinah

86 Dimorfizem kloroplastov pri C 4 rastlinah: kloroplasti celic žilnega ovoja nimajo PSII, agranularni kloroplasti.

87 Različni tipi C 4 fotosinteze

88 CAM tip fotosinteze: Crassualacean Acid Metabolism Problem odprtosti rež pri pomanjkanju vode; Crassulaceae, Euphorbiaceae, Aizoaceae, Bromeliaceae, Chenopodiaceae,.. Odprte reže ponoči (manjše sevanje, manjša transpiracija, vezava CO 2 iz zraka) Podnevi reže zaprte in izraba CO 2 iz rezervoarja C 4 -kislin v vakuoli Majhna produkcija, a preživetje v zelo sušnih območjih (puščave, polpuščave, epifiti,..

89 Potek CAM tipa karboksilacije: časovni zamik dveh encimatskih vezav CO 2.

90 C 1 tip vezave Vodne rastline - makrofiti Slaba topnost CO 2, visoke temperature V membrani epiderma je bil odkrit način privzema CO 2 po reakciji: CO 2 (C 1 ) + H 2 O (C 0 ) H 2 CO 3 H + +HCO - 3 Rastlina sprejme bikarbonat; splošni način pasiranja membran pri vseh rastlinah!!

91 REDUKCIJA Pomeni redukcijo fosfoglicerata v triozo: fosfoglicerin aldehid, dihidroksi aceton fosfat Porabita se ATP in NADPH2 Reakcija pomeni energetski prag PGA + NADPH+H + + ATP + h.( (trioze fosfat; C3 spojina

92 Regeneracija akceptorja- RuBP 6 C 5 (ribuloza bifosfat) + 6 C 1 (CO 2 ) 12 C 3 6C 5, 1C 6!! feedback regulacija; ker CO 2 pogosto primankuje, je vedno dovolj RuBP, da Kalvinov cikel normalno teče Dokazano z izotopi ogljika

93 Pregled trajanja posameznih faz Kalvinovega cikla

94 AVTOKATALIZA Uklanjanje C 3, C 6 spojin iz strome; sinteza škroba (asimilacijski škrob); Eksport trioz, tvorba saharoze v citoplazmi; povezava s sintezo drugih spojin (eritroza riboza RNK; deoksiroboza(dnk; ); sek. metabolizem

95 Sintezni procesi v kloroplastu

96 Prikaz izmenjave ogljikovih spojin med plastidi in citoplazmo translokacija asimilatov

97 trioza CO 2 tetroze, pentoze heksoza Pool 4 metabolitov v ravnotežju. Iz snovi A nastaja snov D. metabolični status celice določa ali nastane D ali pa se izvozi že vmesni produkt (B,C).

98 Izmenjava metabolitov med plastidi in okolico

99 Sinteza asimilacijskega škroba v kloroplastu

100 Sinteza rezervnega škroba v levkoplastu

101 VPLIVI NA FOTOSINTEZO I. INTERNI: Stanje in vrsta rastline II. ZUNANJI: Okolje: 1. [CO 2 ] Q= D. C.S/d; D= dif. koeficient (cm 2 s -1 ); (c= razlika v konc. CO 2 med okoljem in celico; S = povprečna debelina lista; d= dolžina poti za CO 2 H 2 O/CO 2 ; prevodnost, upornost; r s, r a, ri 2. [O 2 ] FOTORESPIRACIJA; DIHANJE 3. SVETLOBA; 4. TEMPERATURA 5.VODA; 6. MINERALNA PREHRANA 7. BIOTIČNI DEJAVNIKI OKOLJA: Herbivori; paraziti (glive, živali, prokarionti)

102 Interni dejavniki:rastlina Vrsta, sorta Starost Fenofaza Organ (list, steblo, plod,..) Tkiva:klorenhimi (asimilacijski parenhimi),ostala tkiva Cela rastlina Trenutne meritve; akumulirana vezava

103 Načini meritve fotosinteze PQ = O 2 /CO 2 = 1 (idealne razmere) Vodni ekosistemi: meritve sproščanja O 2 Kopenski ekosistemi: meritve vezave CO 2 Meritve fluorescence (oddane svetlobe) Meritve pridelka (žetveni indeks) Meritve biomase v časovnih presledkih

104 Pomen svetlobe pri meritvah fotosinteze: Multipli vplivi svetlobe, odvisni od jakosti in spektralnega sestava Tipala za meritve učinkov svetlobe (kvantna-fotosinteza, radiacijska-energija celotnega spektra, meritve osvetlitve) Meritve fluorescence

105 Učinki sevanja na rastline: + veliki; x majhni; o nepomembni

106 Tipala za meritve različnih učinkov svetlobe in primeri vrednosti sevanja

107 Značilnosti svetilk, ki se uporabljajo za osvetljevanje rastlin pri meritvah fotosinteze

108 Odboj, prepustnost in absorpcija svetlobe lista topola v odvisnosti od valovnih dolžin

109 Usoda energije vzbujenega klorofila a: pretvorba v fotokemično delo (ATP; NADPH2) fluorescenca, pretvorba v toploto

110 Prikaz poteka fluorescence klorofila na PS II; meritev kapacitete kloroplasta

111 Meritve izmenjave CO 2 IRGA metode (Infra Red Gas Analysis) Meritve fotosinteze v kopenskih ekosistemih Meritve neto fotosinteze: P n =P g -R (P n =neto fotosinteze, P g =bruto fotosinteza,r= dihanje) Kardinalne točke neto fotosinteze: spodnja kompenzacijska, saturacijska, zgornja kompenzacijska (minimum, optimum, pesimum) Spreminjanje vplivnih dejavnikov in meritve fotosinteze; standarne razmere Svetlobna, CO 2 saturacijska krivulja,.. Odprti in zaprti IRGA sistemi; absolutni in diferencialni način meritev; meritve spremljajočih parametrov

112 Svetlobna krivulja fotosinteze označuje odvisnost neto fotosinteze od svetlobe: kardinalne točke- kompenzacijska in saturacijska točka fotosinteze

113 Sistem za pripravo zraka Komore kivete merilec Shema meritve neto fotosinteze s sistemom IRGA

114 Meritve velikosti fotosinteze so lahko na podlagi izmenjave CO 2 posameznih rastlin/njihovih organov-največkrat lista (slika levo) ali pa merimo izmenjavo CO 2 na ravni tipa vegetacije ( eddy covariance metoda).

115 Svetlobne krivulje netofotosinteze rastlin različnih funkcionalnih skupin, izmerjene pri optimalni temperaturi in ambientalni koncentraciji CO 2

116 Shematski prikaz dnevnega spreminjanja izmenjave CO 2 v odvisnosti od jakosti Sevanja; C4 rastline imajo veliko večji izkoristek svetlobe kot C3 rastline; skiofiti učinkovito izkoriščajo svetlobo šibkih jakosti

117 Prikaz odvisnosti dnevnega poteka fotosinteze od radiacije pri C3 (Fagus sylvatica) In C4 rastlini (Zea mays). Izkoristek sevanja je večji pri C4 rastlini.

118 Vpliv vodnega režima na potek fotosinteze

119 Izmenjava CO 2 pri CAM rastlinah

120 Letna bilanca CO 2 kalice cemprina na gozdni meji v Alpah

121 Energija in življenje Energija je potrebna za opravljanje delavsi življenski procesi Vir- sonce; ,5% se je veže v fotosintezi-osnova za vse življenje Enote:cal, Cal, J; 1 cal=4,12 J Potencialna energija; kinetična enrergija Pretvorbe energije nikdar niso 100%

122 Zakoni termodinamike Življenje je odvisno od pretvorbe energije Za življenske procese veljajo zakoni termodinamike Potencialna energija se lahko spreminja v kinetično, a ne 100% Celice/organizmi/ekosistemi so odprti sistemi,ki jih ohranja, vzdržuje energija po zakonih termodinamike

123 1. Zakon termodinamike: zakon o ohranitvi energije Energije ne moremo ne uničiti, niti ustvariti, možna je le pretvorba- velja za vse organizme V vsakem procesu je vsota energije v določenem sistemu in njegovi okolci konstantna Celokupna količina energije v izoliranem sistemu je konstatna (tudi v vesolju!) Za nič ne dobiš ničesar!!

124 2. Zakon termodinamike:zakon o entropiji Vse pretvorbe energije so nepopolne = količina koristne energije se pri vseh pretvorbah zmanjšuje Sistemi težijo k povečani neurejenosti (entropiji) Vsak sistem teži spontano k neurejenosti Pri vseh pretvorbah energije se del uporabne energije spreni v toploto Perpetum mobile ne obstaja!

125 Metabolizem-energija za življenje Pretvorbe energije v organizmu se odvijajo postopoma-metabolni cikli. Pri vsaki reakciji metabolizma se atomi preuredijo v nove spojine Glavne pretvorbe so pretvorba sončne energijefotosinteza v rastlinah in pretvorba energije kemijskih vezi v druge oblike preko ATP- vsi organizmi Entalpija-potencialna energija organskih spojin Pri pretvorbi energije v celici se kljub postopnosti nekaj energije vedno spremeni v toploto Eksoterme in endoterme reakcije

126 Prosta energija Potencialna energija spojine je v njenih kemičnih vezeh Razbitje vezi sprosti energijo, ki se lahko uporabi za tvorbo drugih vezi Količina te energije se imenuje prosta energija (G-Josiah Gibbs) Kemijske reakcije spreminjajo količino proste energije (ΔG) ΔG = ΔH -TΔS (ΔH = sprememba v entalpiji toplota; T- temperatura; ΔS = spremba v entropiji Eksotermne-eksergone reakcije imajo ΔG manj kot 0 so spontane C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + energija; ΔG = -686kcalmol -1 Endotermne-endergone reakcije niso spontane Glukoza + fruktoza saharoza in H 2 O; ΔG =5,5 kcalmol -1 V ravnotežju je ΔG nič-smrt; življenje je borba za odmik od ravnotežja

127 Oksidacija, redukcija in vsebnost energije Spremembo energetskega stanja v celici spremljajo oksidacijsko-redukcijske reakcije, ki so povezane Oksidacija-izguba elektronov (protonov)- sproščanje energije-katabolizem; tvorba ATP; ΔG <0 Redukcija-vezava elektronov (protonov)- vezava enrgije-anabolizem; poraba ATP; ΔG >0

128 ATP- energetska valuta celice ATP i H 2 O ADP + Pi + energija; ΔG = -7,3 kcalmol -1 Količina enrgije pri hidrolizi ATP je dvakrat tako veliko kot je potrebno za večino kemijskih reakcij, da stečejo, ostanek je toplota ATP je takoj na voljo- cash -denar-ostalo (sladkorji, maščobe so vezana sredstva) Vez v ATP ni kovaletna-se lahko razdre Tvorba ATP poteka v celici v povezanih reakcijah, kjer se sprošča energija ADP + Pi + energija ATP; ΔG = + 7,3kcalmol -1

129 Druge spojine-udeležene v prenosu energije Kofaktorji (npr. Mn ++, Mg ++ -prenos fosfatne skupine med dvema molekulama) Organski kofaktorji so koencimi vitamini,ki se pojavljajo v vseh celicahrastline jih tvorijo same: NAD+ (vitamin B 3 ), NADP+, FAD+ (B 2 ), UTP (sinteza polisaharidov), GTP (sinteza proteinov), CTP (tv orba membran), citohromi

130 Encimi in energija Za večino reakcij je potrebna aktivacijska energija V celici aktivacija s toploto (vročino) ni primerna Biokatalizatorji-encimi imajo to vlogo, da zmanjšujejo aktivacijsko energijo, da stečejo reakcije pri zmernih temperaturah z večjo hitrostjo Encimi vplivajo na potek rekacij še z feedback inhibicijo, competitivno inhibicijo in nekompetitivno inhibicijo

131 Glavne transformacije energije v rastlinah Fotosinteza-endergoni proces (veže se energija sonca) Respiracija-eksergoni proces (sprošča se enrgija organskih spojin) Tok energije v ekosistemu (100 enot energije v koruzi 10 enot energije v herbivoru 1 enota energije v karnivoru; entropija narašča (2. zakon!!) Kroženje hranil v ekosistemu