Podstata fotosyntézy

Transcript

1 Fotosyntéza Plastidy Asimilačné pigmenty a absorpcia svetla Komplexy tylakoidov (fotosystém II, I, komplex cyt b6-f, ATP syntáza) Elektrónový a protónový transport Fotofosforylácia Fixácia CO2 a syntéza cukrov (Calvinov cyklus, fotorespirácia, syndróm C3, Hatchov a Slackov cyklus, syndróm C4, syndróm CAM) Syntéza a odbúravanie sacharózy a translokácie asimilátov floémom, škrob. Ekofyziológia fotosyntézy. Difúzne procesy. Energetická účinnosť. Faktory prostredia (žiarenie, CO2, teplota a ostatné faktory).

2 Podstata fotosyntézy

3

4

5

6 10-12 s 10-9 s

7

8 PS 1 plastokyanín/ cytochróm c 6 na feredoxín oxidoreduktáza Cyt b 6 f plastohydrochinón na plastokyanín/ cytochróm c 6 oxidoreduktáza PS 2 voda-plastochinón oxidoreduktáza

9 Redukcia plastochinónu v PSII

10 Prenos elektrónov a protónov v tylakoidnej membráne 4hν 4 H + stróma + 2PQ + 2 H 2 O 2PQH 2 + O H + lumen

11 Fotofosforylácia chloroplastová ATP syntáza

12 Calvinov cyklus

13

14

15 Regeneračná fáza Calvinovho cyklu

16 Rubisko katalyzuje karboxyláciu alebo oxygenáciu

17 Fotorespirácia

18 Fotorespirácia

19

20 C 3 stredne produktívne, mierne pásmo C 4 vysoko produktívne, tropické a subtropické pásmo CAM málo produktívne, púšte

21 C4

22 C4

23 CAM

24 Syntéza sacharózy

25 amylóza

26 amylopektín

27

28 Ekofyziológia fotosyntézy Faktory prostredia žiarenie CO 2 teplota

29 Priečny rez rôzne osvetleným listom (Fagus silvatica)

30 Listová mozaika

31 Svetelný tok a ožiarenie

32

33

34

35

36 CO2

37

38 Teplota

39 FOTOSYNTÉZA Život na Zemi nevyhnutne závisí na energii slnečného žiarenia. Fotosyntéza má základný význam, lebo je v podstate jediným mechanizmom vstupu energie do živých organizmov. Fotosyntetizujúce systémy premieňajú energiu svetla na energiu chemických väzieb v organických látkach. Prvé fotosyntetizujúce baktérie sa objavili pred 3000 miliónmi rokov. Sinice k ním pribudli asi pred 2000 miliónmi rokov a napokon prvé cievnaté suchozemské rastliny sa objavili pred asi 400 miliónmi rokov. Značná časť energetických zdrojov na Zemi je výsledkom fotosyntézy. Popri recentnej biomase sú to aj zásoby fosílnych palív. V súčasnosti fotosyntetizujúce organizmy produkujú okolo ton hmoty ročne. Schopnosť fotosyntetizovať majú len primárni producenti, rastlinné organizmy obsahujúce chlorofyl a a baktérie obsahujúce baktériochlorofyly. Orgánom pre fotosyntézy cievnatých rastlín je list. Najviac aktívnych fotosyntetizujúcich buniek je v mezofylovom pletive listov. Jeho bunky obsahujú chloroplasty, v ktorých prebieha fotosyntéza. Podstatou fotosyntézy sú procesy premeny energie. V tylakoidných membránach chloroplastov, kde prebiehajú svetelné reakcie, chlorofyl excitovaný svetlom vyvolá oddelenie oxidujúcej a redukujúcej jednotky. Časť energie absorbovaných fotónov sa využije na oxidáciu vody spojenú s výdajom O 2 do atmosféry. Ďalej sa pomocou tejto energie prenášajú elektróny v redoxných reakciách cez sériu látok, ktoré pôsobia ako elektrónové donory a akceptory. Konečným akceptorom elektrónov je NADP +. Časť svetelnej energie spôsobí vytvorenie protónového gradientu cez tylakoidnú membránu a využije sa na syntézu makroergických väzieb ATP. Výsledné produkty svetelných reakcií, energeticky bohaté látky, reduktant NADPH a ATP sa v uhlíkových reakciách v stróme spotrebujú na redukciu CO 2 a syntézu väzby C-C- v cukroch a ďalších organických látkach. Obr. 1 Svetelné a uhlíkové reakcie fotosyntézy 15

40 Chloroplasty Fotosyntetickým aparátom v prokaryotických bunkách fotosyntetizujúcich baktérií a siníc sú špecializované membrány neohraničené od základnej cytoplazmy. Eukaryotické rastlinné organizmy majú bunkové organely plastidy, ktoré od cytoplazmy oddeľuje povrchová membrána. Nové plastidy vznikajú výlučne delením už existujúcich plastidov. Pri pohlavnom rozmnožovaní sa kontinuita plastidov zabezpečuje prenosom cez vajcovú bunku. V meristematických bunkách sú bezfarebné proplastidy malých rozmerov. Z nich sa diferencujú chloroplasty. Limitujúcim faktorom vývinu chloroplastov je svetlo. Rôzne druhy rastlín majú chloroplasty rôznych tvarov a veľkostí. Semiautonómny charakter chloroplastov spôsobujú DNA, RNA a ribozómy, ktoré sú zastúpené v stróme. Plastidové gény kódujú niektoré proteíny, ale väčšina chloroplastových proteínov je kódovaná jadrovými génmi. Ultraštrukúra funkčných chloroplastov sa vyznačuje rozsiahlym membránovým systémom. Každý chloroplast je obklopený povrchovou membránou, ktorá kontroluje prenos molekúl dovnútra a von. Medzi jej dvomi vrstvami je periplastidový priestor. Povrchová membrána neobsahuje chlorofyly, ale sú v nej karotenoidy s ochrannou funkciou. Vnútro chloroplastov tvorí amorfná gélovitá stróma, ktorá je bohatá na enzýmy. Obr. 2 Štruktúra chloroplastu Membránový systém chloroplastov tvoria tylakoidy, ktoré majú tvar plochých vrecúšok. Tylakoidy uložené tesne vedľa seba tvoria gránum. Funkčne sú odlíšené časti tylakoidných membrán v gránach, ktoré sú v kontakte s inými a časti membrán ktoré sú v kontakte so strómou. Vnútorný priestor tylakoidov, ich lúmen, je vyplnený vodou a rozpustenými soľami a má úlohu pri tvorbe ATP. V tylakoidnej membráne sú uložené chlorofyly a ďalšie asimilačné pigmenty ako aj zložky reťazca prenosu elektrónov. Chlorofyly a karotenoidy sú nekovalentnými väzbami viazané na molekuly bielkovín. V tylakoidných lipidoch sú hojne zastúpené nenasýtené mastné kyseliny, čo spôsobuje, že tylakoidná membrána je neobvykle fluidná a niektoré zložky elektróntransportného reťazca sú v nej pohyblivé. 16

41 Asimilačné pigmenty Väčšina pigmentov absorbujúcich svetlo vo fotosyntéze sú zberače svetla. Chlorofyly a karotenoidy sú molekuly, ktoré absorbujú svetelné kvantá, prenášajú absorbovanú energiu na iné molekuly, až do reakčného centra a znova sa vrátia do základného stavu schopného ďalšej absorbcie. Vo vyšších rastlinách sú zastúpené dva chlorofyly, a a b. Ich molekula má časť cyklickú, ktorou je porfyrín pozostávajúci zo štyroch pyrolových heterocyklov a centrálne viazaného atómu horčíka. Esterovou väzbou je na porfyrín naviazaný lineárny diterpénový alkohol, fytol. Táto nepolárna časť molekuly chlorofylu sa javí ako kotva do hydrofóbnej časti membránového prostredia. Nahradením horčíka dvomi atómami vodíka v molekule chlorofylu vzniká feofytín. Pyrolové jadrá porfyrínu majú konjugovaný -elektrónový systém v dôsledku striedania jednoduchých a dvojitých väzieb. Tento systém sa môže vzbudiť relatívne nízkymi dávkami energie. Dôsledkom toho je schopnosť chlorofylu absorbovať kvantá dlhovlnného viditeľného svetla. Chlorofyl sa nám javí ako zelený, lebo absorbuje svetlo v červenej a modrej časti spektra, zelené sa odráža alebo prepúšťa. Obr. 3 Chlorofyl a a b Delokalizácia π elektrónov v porfyrínovej časti molekuly. Karotenoidy sú žltooranžové izoprenoidné pigmenty, ktoré absorbujú v modrej a fialovej časti spektra. Karotény sú uhľovodíky, v chloroplastoch sú najviac zastúpené -karoténom. Xantofyly obsahujú v molekule aj kyslík, v listoch je najhojnejší luteín. 17

42 luteín Podobne ako chlorofyly väčšina karotenoidov účinne prenáša excitačnú energiu a prispieva k fotosyntéze. Karotenoidy majú aj ochrannú funkciu pri vysokých hodnotách ožiarenia. Mechanizmom xantofylového cyklu chránia lipoidné molekuly pred deštrukciou singletovým kyslíkom. Po osvetlení violaxantín (diepoxidový xantofyl) sa v deepoxidačnej reakcii mení cez anteroxantín (monoepoxid) na zeaxantín (bez epoxi- skupín). Za šera alebo v tme sa zeaxantín naspäť epoxiduje na violaxantín. Svetelnú deepoxidačnú reakciu katalyzuje enzým na lúmenovej strane membrány, ktorý má optimum ph pri 5,2 a je neaktívny pri ph okolo 7. Do reakcie vstupuje askorbát a redukovaný glutation. Epoxidácia prebieha na strómalnej strane tylakoidnej membrány v podmienkach osvetlenej strómy pri ph 7,5, katalyzuje ju oxygenáza so zmiešanou funkciou. Do reakcie vstupuje NADPH, vzniká voda a NADP +, ktorý môže prijímať ďalšie elektróny. Aktivita xantofylového cyklu závisí od svetlom indukovaného protónového gradientu cez tylakoidnú membránu, vzhľadom na lokalizáciu v dvoch kompartmentoch a rozdielne hodnoty optima ph. Hlavnou úlohou xantofylového cyklu je pravdepodobne regulovať pomer NADPH ku ATP, znížiť možnosť poškodenia membrány svetlom a optimalizovať podmienky pre funkciu membrány. Absorpcia svetla Hnacou silou fotosyntézy je svetlo, časť energie žiarenia, ktoré je viditeľné pre ľudské oči. Z celého elektromagnetického spektra svetlo predstavuje len malú oblasť. Svetlo má dvojaký charakter, vlnový a časticový. Fotóny majú energiu kvánt nepriamo úmernú vlnovej dĺžke. Kvantá fotónov modrých vlnových dĺžok sú bohatšie na energiu ako fotóny dlhších červených vlnových dĺžok. Základným princípom vo fotochémii je, že molekula môže absorbovať súčasne iba jeden fotón a excitovať sa môže iba jeden elektrón. Získaná energia umožňuje preskok elektrónu zo základného do excitovaného orbitu, teda na energeticky vyššiu hladinu. Väčšia hodnota energie kvanta umožňuje dosiahnutie vyššieho excitačného stavu, ale jeho životnosť je kratšia ako pri nižšom excitačnom stave. Absorbciou modrého svetla sa excituje chlorofyl do vyššieho excitačného stavu (2. singlet, životnosť s). Ak sa časť energie odovzdá ako teplo elektrón môže prejsť do nižšieho excitačného stavu (1. singlet, životnosť 10-9 s). Absorbciou červeného svetla sa dosiahne excitácia do 1. singletového stavu. Dlhšie trvanie toho stavu umožňuje niekoľko ciest pre použitie voľnej energie. 18

43 Obr. 4 Absorpcia a emisia svetla chlorofylmi. (A) diagram hladín energie; (B) spektrá absorpcie a fluorescencie Emisiou fotónu fluorescenciou sa môže elektrón vrátiť do základného stavu. Vlnová dĺžka fluorescencie bude dlhšia asi o 10 nm, lebo časť energie sa premení na teplo. Druhou možnosťou je premena excitačnej energie na teplo bez emisie fotónu. Tretí proces je fotochemický, absorbovaná energia sa prenesie fluorescenčným rezonančným prenosom na inú susediacu pigmentovú molekulu. Migráciou energie z molekuly na molekulu sa umožňuje sústredenie svetelnej energie v chlorofyle reakčného centra (P680 alebo P700). Tu dochádza k oddeleniu kladného a záporného náboja a tým ku konzervovaniu energie do chemických väzieb. Modré svetlo je vo fotosyntéze vždy menej účinné ako červené svetlo. Pri excitácii chlorofylu modrým svetlom sú nevyhnutné energetické straty výdajom tepla. Pri absorbcii fotónu červeného svetla sa excitačná energia využije na prenos bez strát. Grafické zobrazenie relatívnej absorbancie rôznych vlnových dĺžok svetla látkou sa volá absorpčné spektrum. Absorpčné spektrá chlorofylov ukazujú, že oba chlorofyly absorbujú v modrej a červenej oblasti spektra a že absorbujú veľmi málo zeleného svetla. Ak sa porovná účinok rôznych vlnových dĺžok na rýchlosť fotosyntézy tak, že sa nedosiahne úroveň nasýtenia, získa sa akčné spektrum. Porovnanie absorbčných spektier jednotlivých pigmentov a akčného spektra prekvapuje v tom, že vo fotosyntéze sa značne využíva aj zelené svetlo. Príčinou tohoto faktu je mnohonásobne opakované odrážanie zeleného svetla od chloroplastu ku chloroplastu v 19

44 liste. S každým odrazom sa malé percento týchto vlnových dĺžok absorbuje až nakoniec sa absorbuje značná časť zeleného svetla. Chlorofylové molekuly absorbujú niekoľko fotónov každú sekundu. Efektívnosť využitia enzýmov fotosyntézy sa dosahuje veľkým počtom pigmentov, ktoré dodávajú energiu do reakčného centra. Vysoko špecifické nekovalentné väzby molekúl chlorofylov s bielkovinami spôsobujú modifikáciu ich absorbčných spektier. Červené absorbčné maximum sa posúva o 10 až 30 nm k dlhším hodnotám vlnových dĺžok. In vivo existuje v tylakoidnej membráne niekoľko foriem chlorofylu a líšiacich sa absorpčnými maximami. Červené svetlo s vlnovými dĺžkami nad 690 nm sa chloroplastami výrazne absorbuje, ale vo fotosyntéze je málo účinné. Zistilo sa, že ak sa chloroplasty osvetlili súčasne svetlom kratších vlnových dĺžok a aj dlhovlnným červeným svetlom, intenzita fotosyntézy bola väčšia, ako jej suma ak sa obe osvetlenia aplikovali zvlášť. Toto zvýšenie fotosyntézy sa dá vysvetliť iba existenciou dvoch oddelených skupín pigmentov, fotosystémov. Fotosystém II (PSII) absorbuje vlnové dĺžky kratšie než 690 nm a sériovo kooperujúci fotosystém I (PSI) vlnové dĺžky do 700 nm. Hlavné komplexy tylakoidov V tylakoidnej membrány sú lokalizované štyri hlavné proteínové komplexy fotosyntézy (fotosystém II, komplex cytochrómov b 6 -f, fotosystém I a ATP syntáza). Obr. 5 Proteínové komplexy prenosu elektrónov a protónov v tylakoidnej membráne 20

45 Fotosystém II (voda-plastochinón oxidoreduktáza). Jadrový komplex fotosystému II pozostáva zo šiestich polypeptidov, ktoré sú navzájom pospájané nekovalentnými väzbami a reakčného centra P 680. Dva z týchto polypeptidov (D1 a D2) priamo viažu P680 a chinóny potrebné na oxidáciu vody. S jadrovým komplexom sú prepojené aj tri periférne polypeptidy. Pigment P680 je chlorofyl a s absorpčným maximom 680 nm. Predpokladá sa, že polypeptidy viažu Ca 2+ a Cl -, potrebné pre fotolýzu vody. Okrem polypeptidov jadrový komplex obsahuje 40 molekúl chlorofylu a, niekoľko molekúl -karoténu, membránové lipidy (väčšinou galaktolipidy), štyri mangánové ióny, jeden nekovalentne viazaný Fe, jeden alebo viac Ca 2+, niekoľko Cl -, dve molekuly plastochinónu a dve molekuly feofytínu. Svetlozberný komplex fotosystému II (LHCII) zachytáva svetelnú energiu pomocou 250 molekúl chlorofylu a a b (zastúpené sú v približne rovnakom počte) a mnohými molekulami xantofylov. Každá molekula pigmentu je viazaná s integrálnym proteínom. Na jednu molekulu proteínu sa viaže 10 chlorofylov a 2 alebo 3 xantofyly. Komplexy PSII sú prítomné najmä v častiach tylakoidov grán, ktoré nie sú v kontakte so strómou. Celková funkcia PSII je pomocou svetelnej energie redukovať plastochinón (PQ na PQH 2 ) za využitia elektrónov z vody, pričom sa potrebné protóny odoberajú zo strómy. Cytochrómový komplex b 6 -f. Tento komplex pozostáva zo štyroch odlišných integrálnych polypeptidov, tri z nich obsahujú Fe 3+, ktoré sa počas toku elektrónov redukuje na Fe 2+ a potom späť oxiduje. Prvé dva sú cytochróm b 6 a cytochróm f. Každý cytochróm obsahuje železo v hémovej prostetickej skupine. Tretí je proteín s dvomi nehémovými atómami železa, ktoré sú spojené s dvomi nebielkovinovými atómami síry a tiež s dvomi atómami síry cysteínov v proteíne (2Fe - 2S proteín). Štvrtý polypeptid neobsahuje železo a nie je známa jeho funkcia. Komplex cyt b 6 - f je zhruba rovnako zastúpený v tylakoidoch grán a strómy. Jeho hlavnou funkciou je preniesť elektróny z PSI na PSII. Uskutočňuje sa to oxidáciou PQH 2 a redukciou plastokyaninu. Zároveň sa protóny uvoľňujú do lúmenu tylakoidu. Plastokyanin je malý proteín, dobre pohyblivý v tylakoidnej membráne. Pozostáva zo štyroch polypeptidov, každý ma po atóme medi koordinovanom s dvomi atómami dusíka histidínu a dvomi atómami síry cysteínu. V oxidovanom stave plastokyanin je modrý. Fotosystém I. Jadrový komplex PSI obsahuje 11 odlišných polypeptidov. Jeden z nich je polypeptid centra P700. Pigmentom P700 je chlorofyl a. Dva najväčšie polypeptidy (označené Ia a Ib) viažu reakčné centrum s inými polypeptidmi a viažu tiež 50 až 100 molekúl chlorofylu a, niekoľko molekúl -karoténu a tri prenášače elektrónov (A 0, A i a X). A o je chlorofyl a, A 1 je naftochinón fylochinón a X je 4Fe - 4S skupina. FeS skupiny sa zistili aj na ďalších dvoch polypeptidoch. Na polypeptid svetlozberného komplexu I (LHCI) sa viaže okolo 100 anténových molekúl chlorofylu a a b (v pomere 4:1). LHCI obklopuje jadrový komplex. Fotosystém I je lokalizovaný v tylakoidoch strómy a úsekoch tylakoidov grán, ktoré sú orientované do strómy. PSI funguje ako na svetle závislý systém oxidácie redukovaného plastokyaninu, ktorý prenáša elektróny na ferredoxin. 21

46 Ferredoxin je malý periférny Fe-S proteín pripojený voľne na strómatickej strane tylakoidov. Syntetizuje sa na cytoplazmatických ribozómoch. Môže byť donórom elektrónov aj pre sulfitreduktázu a nitritreduktázu. ATP syntáza. Konečným komplexom v tylakoidoch je skupina deviatich polypeptidov, ktorá mení ADP a P i na ATP. Nachádza sa len v nestlačených úsekoch tylakoidov grán a tylakoidoch strómy, tesne vedľa PSI. Má dve hlavné časti, stopkovú (CF o ), ktorá prebieha z lúmenu cez tylakoidnú membránu do strómy a sférickú (CF 1 ), ktorá leží v stróme. ATP syntáza spája tvorbu ATP s transportom protónov z lúmenu cez tylakoidnú membránu do strómy. Mechanizmus elekrónového a protónového transportu Po absorbcii fotónov vhodných vlnových dĺžok v pigmentoch P680 a P700 v reakčných centrách fotosystémov dochádza k ich elektrónovej excitácii do singletového stavu. Každý z excitovaných pigmentov P * 680 a P * 700 prenáša v primárnej reakcii elektrón v priebehu 20 nanosekúnd na molekulu reakčného partnera, na eletrónový akceptor. Takto sa energia žiarenia využije na intermolekulový prenos elektrónu, pričom energia fotónu sa viaže do formy redoxnej energie. V ďalších sekundárnych reakciách sa oddelí náboj na protiľahlych stranách tylakoidnej membrány za asi 200 pikosekúnd. Obr. 6 Cesty toku elektrónov a protónov v tylakoidnej membráne Transport elektrónov a protónov sa uskutočňuje kaskádou oxidačno - redukčných reakcií pomocou štyroch komplexov (PSII, cyt b 6 -f, PSI a ATP syntáza). Tieto komlexy sú v tylakoidnej membráne vektorovo orientované. Voda sa oxiduje na O 2 v lúmene tylakoidu, NADP + sa redukuje na NADPH na strómalnej strane tylakoidnej membrány, ATP sa uvoľňuje do strómy v spojení s pohybom H + z lúmenu do strómy. 22

47 Fotolýza vody Elektróny z H 2 O odoberá komplex výdaja O 2 fotosystému II. Uvoľnenie jednej molekuly O 2 vyžaduje oxidáciu dvoch H 2 O a premiestnenie štyroch elektrónov. Predpokladá sa, že prebieha jednostupňová oxidácia dvoch molekúl vody, ktorej podmienkou je naakumulovanie štyroch kladných nábojov. Pre vytvorenie štvornásobného kladného náboja, sa predpokladá účasť rôznych oxidačných stupňov mangánu (Mn 2+, Mn 3+, Mn 4+ ) naviazaných na polypeptidy D 1 a D 2 na lúmenovej strane tylakoidnej membrány, kde sa O 2 uvoľňuje. Pri oxidácii H 2 O majú úlohu Cl - a Ca 2+. Prvou látkou, ktorá získa elektróny uvoľnené oxidáciou H 2 O je aminokyselina tyrozín v polypeptide D1. Elektróny prenáša po jednom na P P680 odovzdá elektrón feofytínu, ktorý ho ďalej prenesie na plastochinón Q A pevne viazaný na D2. Z neho sa odovzdá elektrón na inú molekulu plastochinónu (Q B ) voľne viazanú na polypeptid D1. Úplná redukcia plastochinónu vyžaduje dva elektróny a súčasne dva H +. Protóny pochádzajú zo strómy a keď sa neskôr PQH 2 oxiduje, uvoľňujú sa do lúmenu tylakoidu. Redukovaný PQ B je pohyblivý a prenáša elektróny na komplex cyt b 6 -f. Na D1 sa potom viaže iná molekula PQ B, ktorá prenesie dva elektróny z druhej molekuly H 2 O a zároveň odoberie protóny zo strómy. Obr. 7 Z schéma fotosyntézy 23

48 Komplex cyt b 6 -f môže prijať elektróny každého mobilného redukovaného plastochinónu. Elektróny sa prenášajú po jednom na Fe 3+, ktoré sa redukuje na Fe 2+. Fe 3+ je buď v Fe-S proteíne alebo cytochróme b 6. Zároveň z každého PQH 2 sa dva H + uložia do lúmenu tylakoidu. Každý elektrón z Fe 2+ v cyt b 6 alebo FeS proteíne sa prenesie na cyt f, v ktorom sa redukuje Fe 3+ na Fe 2+. Cyt f dodá elektrón na Cu 2+ v plastokyanine, ktorý redukuje na Cu +. Mobilný plastokyanový prenášač dodáva elektróny do komplexu fotosystému I. Prvou molekulou, ktorá prijíma elektróny z Cu + v plastokyanine je P Každý pohyb elektrónu z P700 na akceptor A o vyžaduje dodanie energie zo svetlozberného systému LHCI. Z A o sa elektrón prenesie na A 1 a potom na železo v rôznych 4Fe-4S proteínoch v jadre komplexu fotosystému I. Napokon príjme elektrón mobilný ferredoxin a prenesie ho pomocou ferredoxin - NADP + reduktázy na NADP +. Reakcie poháňané svetlom, ktorými sa lineárne prenášajú elektróny z H 2 O cez tylakoidnú membránu umožnia v stróme vznik NADPH. Na redukciu jednej molekuly NADP + sú potrebné dva elektróny z H 2 O. Súčasne sa pri oxidácii každej molekuly H 2 O uložia do lúmenu tylakoidu štyri H + : dva z oxidácie vody a dva z PQH 2. Pri výdaji jednej molekuly O 2 sa akumuluje 8 H +. Fotofosforylácia Časť energie fotónu zachytenej pigmentami fotosyntetického aparátu sa chemiosmotickým mechanizmom viaže do ATP. Asymetrická podstata tylakoidnej membrány a jednosmerný tok protónov počas transportu elektrónov vytvoria gradient H +. Rozdiely v koncentráciach protónov sú ekvivalentné gradientu ph, stróma sa stane alkalickou (ph 8) a lúmen tylakoidov kyslým (ph 5). Transport elektrónov a protónová pumpa vyvolajú tiež rozdiel v elektrických potenciáloch cez tylakoidnú membránu. Protónový chemický potenciál a transmembránový elektrický potenciál predstavujú zásobu voľnej energie, ktorá sa označuje spolu ako protónom motivovaná sila. Lipidová membrána tylakoidov je prakticky nepriepustná pre H +. Protóny sa môžu prenášať späť do strómy kontrolovaným spôsobom cez komplex ATP syntázy. Protóny sa z lúmenu tylakoidu transportujú rotujúcim c polypeptidom a vypudia do strómy. Tento enzým (CF1) využije protónom motivovanú silu pri vzniku makroergických väzieb počas syntézy ATP z ADP a P i. Na tvorbu jednej molekuly ATP je potrebné transportovať 3 protóny. Obr. 8 Chloroplastová ATP syntáza 24

49 Cesty transportu elektrónov a fotofosforylácia Fotofosforylácia môže byť spojená s dvojakými cestami toku elektrónov. Dosiaľ popísaný lineárny transport elektrónov z vody na NADP + sa označuje ako necyklický. Pri necyklickej fotofosforylácii 8 H + umožňuje tvorbu 3 ATP. ATP sa môže tvoriť aj v spojení s cyklickým transportom elektrónov. Ak je necyklický tok elektrónov zablokovaný, napríklad nedostatkom oxidovaných NADP +, môže prebiehať cyklický transport elektrónov. Elektróny z PSI alebo veľmi pravdepodobne z ferredoxínu sa vrátia späť na plastochinón cez cytochrómy. Energia sa využije iba na prenos H + do lúmenu tylakoidu. Fotosystém II sa sa na cyklickom transporte nepodieľa. Význam necyklickej fotofosforylácie in vivo nie je jasný. Vo fyziologicky intaktných pletivách môže byť dôležitá vtedy, keď necyklický transport je pomalý, napríklad pri nedostatku CO 2 a slabom svetle. Metabolizmus uhlíka - fixácia CO 2 a syntéza sacharidov Svetelná energia uložená do makroergických väzieb NADPH a ATP predstavuje redukčnú silu, ktorá sa využíva na redukciu CO 2 po jeho naviazaní ako karboxylovej skupiny do organických látok. NADPH je reduktantom v týchto reakciách, ATP iba podporuje redukciu. Prvým stabilným produktom po naviazaní CO 2 je buď kyselina 3-fosfoglycerová (Calvinov cyklus) alebo organické kyseliny pozostávajúce zo štyroch kyslíkov (Hatchov a Slackov cyklus). Calvinov cyklus V tomto cykle je akceptorom CO 2 ribulozo-1,5-bisfosfát a prvým stabilným produktom po fixácií kyselina 3-fosfoglycerová. Reakcie Calvinovho cyklu prebiehajú v stróme chloroplastov, kde sú lokalizované enzýmy, ktoré ich katalyzujú. Cyklus má tri fázy: 1. karboxylačnú, 2. redukčnú a 3. regeneračnú. Obr. 9 Calvinov cyklus 25

50 Prvú, karboxylačnú reakciu katalyzuje ribulóza 1,5-bisfosfát karboxyláza-oxygenáza (rubisko). Rubisko je enzým zodpovedný za fixáciu 200 biliónov ton CO 2 ročne. Je to kvantitatívne najvýznamnejší enzým na svete (10 7 ton). Na jedného človeka pripadá 20 kg. Rubisko tvorí 40 % z celkových rozpustných proteínov väčšiny listov. Aktívny enzým sa skladá 8 jednotiek. Každá jednotka sa tvorí z dvoch podjednotiek, menšia (14 kd) je kódovaná jadrovým genómom, väčšia (53 kd) chloroplastovým genómom. Expresia génov pre menšiu podjednotku je regulovaná svetlom cez fytochróm a ďalšie proteíny. Rubisko katalyzuje reakciu ribulóza-1,5-bisfosfátu a CO 2. Očakávanú šesťuhlíkovú látku sa nepodarilo zistiť ani ako medziprodukt. Vznikajú dve molekuly kyseliny 3-fosfoglycerovej. Preto rastliny, ktoré primárne viažu CO 2 Calvinovým cyklom sa označujú ako C-3 rastliny. V redukčnej fáze sa karboxylová skupina kyseliny 3-fosfoglycerovej redukuje na aldehydovú skupinu v 3-fosfoglyceraldehyde. Reakcia neprebieha priamo, najprv za spotreby ATP dochádza ku fosforylácii na kyselinu 1,3-bisfosfoglycerovú, až potom sa spotrebuje NADPH na redukciu. Celkom na redukciu 1 molekuly CO 2 sú potrebné 3 ATP a 2 NADPH. Tretia molekula ATP sa spotrebuje v regeneračnej fáze. Obr. 10 Karboxylačná a redukčná fáza fotosyntézy 1.1 ribulóza 1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza (rubisko); fosfoglycerátkináza; 1.3 NADP-glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza 1,5-bisfosfát sa regeneruje cez viaceré cukrové medziprodukty so 4, 5, 6 a 7 uhlíkmi. Tretí ATP je potrebný na fosforyláciu ribulóza-5-fosfátu. V troch opakovaniach cyklu sa fixujú tri molekuly CO 2 a vytvorí sa jeden 3- fosfoglyceraldehyd. Niektoré molekuly 3-fosfoglyceraldehydu sa využijú v chloroplastoch na tvorbu asimilačného škrobu, ktorý je bezprostredným produktom fotosyntézy. Ďalšie molekuly 3- fosfoglyceraldehydu sa transportujú von z chloroplastu antiportovým prenášačovým systémom výmenou za P i. Iné molekuly 3-PGA sa menia na dihydroxyacetón fosfát a môžu sa tým istým antiportovým prenášačovým systémom vyniesť von z chloroplastu, do cytosólu. Tento transportný systém udržiava konštantné množstvo fosfátu v chloroplastoch. Triozafosfáty v cytosóle sa využijú na tvorbu sacharózy, polysacharidov bunkovej steny a stoviek ďalších látok. 26

51 Obr. 11 Regeneračná fáza Calvinovho cyklu. Fotorespirácia V tme dýchajú listy C-3 rastlín rýchlosťou, ktorá je približne šestinou rýchlosti fotosyntézy. Na svetle je rýchlosť dýchania vyššia, často dva až trikrát ako v tme. V poľných podmienkach sa dýchaním môže uvoľniť tretina až štvrtina CO 2, ktorý sa viazal fotosyntézou. Dýchanie v osvetlených orgánoch prebieha dvomi mechanizmami: tmavým lokalizovaným v cytosóle a mitochondriách a fotorespiráciou (kooperujú chloroplasty, peroxizómy a mitochondrie). Na rozdiel od mitochondriálnej respirácie, ktorá prebieha na svetle aj v tme, fotorespirácia je svetlom stimulovaný príjem O 2 a výdaj CO 2. Obr. 12 Karboxylácia a oxygenácia ribulóza-1,5-bisfosfátu enzýmom rubisko 27

52 Obr. 13 Fotorespirácia C 2 oxidatívny cyklus fotosyntézy 28

53 Fotosyntéza a fotorespirácia sú navzájom súvisiace procesy. Pre objasnenie mechanizmu fotorespirácie bolo dôležité zistenie, že rubisko má zároveň oxygenázovú aktivitu. Ribulóza-1,5- bisfosfát karboxyláza/oxygenáza má iba jedno aktívne centrum, na ktorom prebieha reakcia s ribulóza-1,5-bisfosfátom a CO 2 alebo O 2, ktoré sú v kompetitívnom vzťahu. Pri rovnakej koncentrácií CO 2 a O 2 rubisko 80 krát rýchlejšie katalyzuje fixáciu CO 2 ako oxygenáciu. V reakcii s O 2 (obr. 13) sa ribulóza-1,5-bisfosfát štiepi na kyselinu fosfoglykolovú a kyselinu 3- fosfoglycerovú. Z kyseliny fosfoglykolovej špecifická fosfatáza odštiepi P i ešte v chloroplastoch. Kyselina glykolová sa transportuje do peroxizómov. Peroxizómy sú druhom mikroteliesok, ktoré sú prítomné len vo fotosyntetických pletivách. Sú v priamom kontakte s chloroplastami. V nich sa kyselina glykolová oxiduje na kyselinu glyoxálovú, elektróny sa prenášajú na O 2 pričom vzniká H 2 O 2. Dve molekuly H 2 O 2 sa rozložia katalázou na H 2 O a O 2. Kyselina glyoxálová sa transamináciou konvertuje na aminokyselinu glycín, ktorý sa transportuje do mitochondrií. V nich dve molekuly glycínu reagujú za vzniku aminokyseliny serín, pričom sa odštiepi CO 2 a NH 4 +. Serín sa transportuje do peroxizómov, kde transamináciou vzniká hydroxypyruvát, ten sa redukuje na glycerát a transportuje do chloroplastov. Fotorespirácia znižuje čistú fotosyntézu a v konečnom dôsledku rýchlosť rastu. Jednou z možnosti vysvetlenia jej existovania je, že sa takto odstraňuje prebytok ATP a NADPH pri veľmi vysokých hodnotách ožiarenia. Cesta C-4 dikarboxylových kyselín - Hatchov a Slackov cyklus V listoch cukrovej trstiny, a neskôr aj v iných druhoch, sa zistili ako prvé produkty fixácie CO 2 organické kyseliny (oxaloacetát, malát a aspartát). Fixáciu CO 2 v tomto cykle katalyzuje fosfoenolpyruvát karboxyláza lokalizovaná v cytoplazme. CO 2 sa viaže na fosfoenolpyruvát za vzniku oxaloacetátu a P i. Oxaloacetát v ďalšej reakcii vyžadujúcej NADPH, za katalytického pôsobenia malátdehydrogenázy sa mení na malát. Malátdehydrogenáza je lokalizovaná v stróme chloroplastov, to znamená, že oxaloacetát sa musí transportovať do chloroplastu. Antiportový systém, ktorý to zabezpečuje zároveň vynáša málat von z chloroplastu. Oxaloacetát v cytozole sa môže transaminačnou reakciou meniť na aspartát. Amínoskupina z alanínu nahradí kyslík v α- oxoskupine, zároveň vznikne pyruvát. Postupne sa zistilo, že aj rastliny C-4 majú všetky enzýmy Calvinovho cyklu. Fixácia CO 2 v nich prebieha dvakrát. Z hľadiska evolúcie sa za pôvodné, vývojové staršie typy považujú C-3, z nich sa neskôr vyvinuli C-4 ako adaptácia na sucho a veľkú intenzitu žiarenia. Prítomnosť C-4 cyklu nie je taxonomicky viazaná. V rámci jedného rodu sa môžu vyskytnúť druhy C-3 aj C-4. Priestorová kompartmentácia fixácie CO 2 Pre rastliny C-4 je význačný vencovitý typ anatomickej stavby listov. Okolo pošiev cievných zväzkov je nápadná jedna alebo dve vrstvy hrubostenných buniek s veľkým obsahom chlorofylu, 29

54 ktorá oddeľuje cievne zväzky od mezofylu. V C-3 rastlinách takéto rozdiely nie sú. V bunkách pošiev cievnych zväzkov C-4 rastlín je veľa chloroplastov, ktoré často obsahujú temer všetok listový škrob. V mezofylových bunkách škrob je málo zastúpený. Malát a aspartát sa tvoria v mezofylových bunkách. 3-fosfoglyceraldehyd, sacharóza a škrob sa tvoria hlavne v bunkách pošiev cievnych zväzkov. Obr. 14 C 4 fotosyntetický cyklus v periférnych bunkách listu (mezofyl) a cievnej oblasti. Priestorová kompartmentácia je charakteristická aj pre lokalizáciu enzýmov. Rubisko a ďalšie enzýmy Calvinovho cyklu sú iba v bunkách pošiev cievnych zväzkov. Fosfoenolpyruvát karboxyláza sa vyskytuje hlavne v mezofylových bunkých. CO 2 po vstupe do listu cez prieduchy najprv preniká do mezofylových buniek, kde sa viaže Hatch - Slackovým cyklom ako karboxylová skupina malátu alebo aspartátu. Tieto C-4 organické kyseliny sa rýchle prenášajú do buniek pošiev cievnych zväzkov. V nich sa dekarboxylujú, uvoľnený CO 2 sa fixuje rubiskom do 3-fosfoglycerátu. Pyruvát a alanin ako produkty dekarboxylácie sa vrátia do mezofylových buniek. Možno konštatovať, že tvorba organických kyselín v mezofyle bez čistého zisku energie slúži na zachytávanie CO 2 a prenášanie do buniek pošiev cievnych zväzkov, kde sa tvoria asimiláty. Skupina C-4 rastlín nie je homogénna, podľa enzýmov a látok, ktoré sa transportujú medzi bunkami sa zaraďujú do troch skupín. 30

55 1. typ NADP-ME Rastliny, v ktorých sa prevažne syntetizuje malát. Enzým chloroplastov mezofylu malátdehydrogenáza využíva ako zdroj elektrónov koenzým NADPH. Ten istý koenzým vyžaduje aj dekarboxylačný jablčný enzým buniek pošiev cievnych zväzkov. Chloroplasty v bunkách pošiev cievnych zväzkov majú vretenovitý tvar, sú umiestnené pozdĺž vonkajšej steny buniek. Nemajú vyvinuté typické grána, ale vyznačujú sa veľkým počtom škrobových zŕn. Patrí tu kukurica (Zea mays), cukrová trstina (Saccharum officinarum), cirok sudánsky (Sorghum sudanense). 2. typ NAD-ME Aspartátové rastliny s veľkým množstvom NADH jablčného enzýmu v mitochondriách buniek pošiev cievnych zväzkov, kde sa dekarboxyluje a v chloroplastoch fixuje Calvinovým cyklom. Do mezofylových buniek sa transportuje alanín. V bunkách pošiev cievnych zväzkov je veľa mitochondrií. Chloroplasty sú uložené centripetálne a majú vyvinuté grána. 3. typ PCK Patria tu aspartátové rastliny s veľkým obsahom fosfoenolpyruvát karboxykinázy v cytozole buniek pošiev cievnych zväzkov. Aspartát z mezofylových buniek sa transportuje do buniek pošiev cievnych zväzkov, kde sa transamináciou mení na oxaloacetát a ten sa PCK dekarboxyluje. Do mezofylových buniek sa transportuje alanín. Chloroplasty sú rozložené pozdĺž vonkajšej steny parenchymatickej pošvy buniek a majú vyvinuté grána. Patria tu Panicum maximum, Chloris gayana, Sporobolis fimbriatus. Syndrom CAM Metabolizmus organických kyselín rastlín zistený najprv v čeľadi Crassulaceae je adaptáciou na extrémne suché stanovištia a vysoké intenzity žiarenia. Rastliny z tejto čeľade sa označujú ako sukulenty. Majú hrubé listy s pomerne malým pomerom povrchu k objemu. Hrubá kutikula výrazne znižuje rýchlosť transpirácie. Obvykle nemajú dobre vyvinutý palisádový parenchým, ale fotosyntéza prebieha v špongiovom mezofyle. Jeho bunky majú veľké vakuoly. Metabolizmus CAM sa zistil v stovkách druhov 26 čeľadí vyšších rastlín. Podstatnou črtou rastlín CAM je časová kompartmentácia fotosyntézy. V noci pri nízkych teplotách sú prieduchy otvorené, CO 2 sa asimiluje karboxyláciou fosfoenolpyruvátu, ktorý sa získava odbúraním škrobu. Fosfoenolpyruvátkarboxyláza je lokalizovaná v cytozole. Malát sa akumuluje vo vakuole. Ráno je bunková šťava rastlín CAM kyslá (ph 4). Cez deň sú prieduchy uzavreté. Malát sa transportuje do cytozolu a dekarboxyluje. Uvoľnený CO 2 sa refixuje rubiskom do triozofosfátov. 31

56 Obr. 15 Časová kompartmentácia fotosyntézy (CAM). Porovnanie rastlín typu C-3, C-4 a CAM Prevažujúce podmienky na stanovištiach C - 3 mierne klimatické podmienky C - 4 sucho, vysoká intenzita slnečného žiarenia, nízka vzdušná vlhkosť CAM arídne podmienky, sucho, vysoká intenzita slnečného žiarenia, vysoké denné a nízke nočné teploty Anatomická stavba listu C - 3 mezofyl väčšinou rozlíšený na hubový a palisádový parenchým C - 4 mezofyl s parenchymatickou pošvou okolo cievnych zväzkov CAM bunkový mezofyl s veľkými vakuolami Štruktúra chloroplastov C - 3 majú grána, škrobové zrná a plastoglobuly, pomer chlorofylu a:b - 3:1 32

57 C - 4 dimorfizmus chloroplastov v bunkách mezofylu (granárne) a pošvách cievnych zväzkov (granárne alebo agranárne), pomer chlorofylu a:b - 5:1 CAM chloroplasty s menším počtom grán, s mnohými škrobovými zrnami a plastoglobulami, pomer chlorofylu a:b - 3:1 Karboxylačné enzýmy C - 3 rubisko C - 4 fosfoenolpyruvát karboxyláza a rubisko, oddelená lokalizácia CAM fosfoenolpyruvát karboxyláza a rubisko, časové oddelenie Minimálna spotreba ATP a NADPH pre fixáciu 1 molekuly CO 2 C ATP + 2 NADPH C ATP + 2 NADPH CAM 5 ATP + 2 NADPH Strata vody pri fixácii 1g CO 2 C g C g CAM g Vplyv intenzity žiarenia C - 3 saturácia pri asi tretine z maximálneho ožiarenia C - 4 ani pri maximálnom ožiarení nedochádza k saturácii CAM protichodné údaje Fotorespirácia C - 3 do 40 % fotosyntézy C - 4 nedetekovateľná CAM nedetekovateľná Rozdeľovanie produktov asimilácie C - 3 pomalé C - 4 rýchle CAM variabilné Produkcia sušiny C - 3 stredná C - 4 veľká CAM malá Syntéza sacharózy a polysacharidov Na konci každej z troch hlavných ciest, ktorými sa fixuje CO 2, z triozofosfátov sa syntetizujú dva základné produkty disacharid sacharóza a polysacharid škrob. Glukóza a fruktóza, ani iné voľné hexózy sa vo fotosyntetických bunkách obvykle neakumulujú. V listoch niektorých tráv namiesto škrobu sa syntetizujú fruktozány. Syntéza oligosacharidov a polysacharidov sú kompetitívne procesy. 33

58 Syntéza sacharózy Sacharóza je základnou transportnou formou sacharidov v rastline. V rýchle rastúcich rastlinách je prevažujúcim konečným produktom fotosyntézy, je zdrojom energie. Ekonomicky významná je jej akumulácia v koreňoch cukrovej repy a v stonkách cukrovej trstiny. Sacharóza sa syntetizuje v cytozole. 3-fosfoglyceraldehyd a dihydroxyacetón fosfát sa v cytozole za katalytického pôsobenia fruktóza-1,6-bisfosfát aldolázy menia na fruktóza-1,6- bisfosfát. Fosfatázou sa odštiepi P i za vzniku fruktóza-6-fosfátu, ktorý sa izomerázou mení na glukóza-6-fosfát a v ďalšej reakcie katalyzovanej fosfoglukomutázou na glukóza-1-fosfát. Molekula glukóza-1-fosfátu sa pyrofosforylázou aktivuje reakciou s UTP za vzniku uridíndifosfoglukózy. Za katalytického pôsobenia enzýmu sacharóza-fosfát syntáza UDPG reaguje s fruktózo-6-fosfátom, pričom vzniká sacharóza-6-fosfát. Sacharóza-fosfát fosfatázou sa odštiepi fosfát. Na syntézu jednej molekuly sacharózy je potrebná energia vo forme 1 ATP. Sacharóza sa uskladňuje vo vakuole. Pri mobilizácii sa zásobná sacharóza hydrolyzuje kyslou invertázou vakuoly (optimum ph je 5,0) a hexózy sa uvoľňujú do cytoplazmy. Nosič je v tonoplaste ten istý pre oba smery a je energeticky nezávislý, preto sa riadi relatívnými koncentráciami. Sacharóza sa transportuje z miest syntézy (zdroja) do sinkov (napr. meristémov). Pri transporte na krátke vzdialenosti sa uplatňuje apoplastická aj symplastická cesta. Transport na dlhé vzdialenosti sa uskutočňuje sitkovicami. Pohyb je možný v oboch smeroch, poháňaný je koncentračným gradientom. Sacharóza sa potom štiepi buď alkalickou invertázou (optimum ph je 7,5) v cytoplazme alebo kyslou invertázou v bunkovej stene a vakuole. Obr. 16 Syntéza sacharózy v cytosole. 34

59 Syntéza a odbúravanie škrobu V chloroplastoch cez deň sa syntetizuje nestály asimilačný škrob. Časť viazaného uhlíka sa môže využiť pre metabolizmus fotosyntetizujúcej bunky. Odbúrava sa prednostne účinkom exoenzýmu fosforylázy, ktorý fosforolyticky odštiepuje glukóza-1-fosfát. Fosfátový translokátor je schopný transportovať maltózu a glukóza-1-fosfát von z chloroplastu. V noci sa asimilačný škrob mobilizuje a transportuje do sinkov. Transportné formy sú dočasne vo vakuole. Najvýznamnejším činiteľom regulácie distribúcie asimilátov je turgorový tlak v sitkoviciach. Synchronizáciu medzi zdrojom a sinkom riadia aj ďalšie faktory, hormóny (nepriamym vplyvom), sacharóza, draslík a fosfát. Škrob je hlavným zásobným sacharidom väčšiny rastlín. Napríklad v bunkách dozrievajúcich semien sa menia proplastidy na amyloplasty. Tie nefotosyntetizujú, ale sa špecializujú na zhromažďovanie zásobného škrobu pre vyvíjajúce sa semeno. V amyloplastoch zásobných pletív sa na dobu niekoľkých mesiacov ukladá škrob vo forme granúl nerozpustných vo vode. Tvorí sa zo sacharózy alebo iných transportných foriem. Sacharóza sa v cytoplazme štiepi alkalickou invertázou a ako glukóza-6-fosfát transportuje do plastidov. Pri syntéze škrobu do reakcie vstupuje ADP- a UDP-glukóza. Škrob má dva komponenty, amylózu - lineárne reťazce molekúl glukózy viazaných 1,4- -D-glukozidovými väzbami a amylopektín, kde rozvetvenie molekúl je 1,6- -D-glukozidovými väzbami. Tvorbu 1,6 rozvetvenia v amylopektíne katalyzuje Q-enzým. Rozštiepi sa väzba 1,4- -D a časť reťazca sa prenesie na iný glukozylový zbytok za vzniku 1,6- - D väzby. Reakcia môže prebiehať intramolekulove alebo intermolekulove. Zásobný škrob pozostáva z 20 až 25 % amylózy a 75 až 80 % amylopektínu. R-enzým hydrolyzuje 1,6 rozvetvenie, vzniká dextrán. a -amyláza štiepia 1,4- -D glukozidové väzby za vzniku maltózy. Fosforyláza škrobu štiepi maltózu a fosforyluje glukózu. amylóza 35

60 amylopektín Obr. 17 Štruktúra zložiek škrobu Translokácie floémom Transport na dlhé vzdialenosti v rastlinách prebieha v cievach xylému (vzostupný transpiračný prúd) a floému (asimilačný tok). Floém je pletivo, ktorým sa translokujú produkty fotosyntézy z dospelých listov (zo zdroja) do sinkov - miest rastu a zásob (mladé listy, plody, korene. Floémom sa však redistribuje aj voda, hormóny a ďalšie látky. Smer transportu vo floéme nie je vo vzťahu ku gravitácii. Vodivú funkciu floému majú sitkové bunky väčšiny nižších a nahosemenných rastlín a články sitkovíc krytosemenných rastlín, ktoré tvoria sitkovice spolu so sprievodnými bunkami, lykovým parenchýmom a sklerenchymatickými lykovými vláknami. Floémové bunky sú prepojené plazmodezmami prechádzajúcimi prederaveniami stien. Na priečnych stenách článkov sitkovíc sú dokonalejšie sitkové platničky, ktoré tvoria vzájomné prepojenie susediacich živých protoplastov. Dospelé články sitkovíc majú unikátnu stavbu medzi živými bunkami. Nemajú jadro, tonoplast ani ďalšie štruktúry: mikrofilamenty, mikrotubuly, Golgiho telieska a ribozómy. Steny nie sú lignifikované. Floémový cytozol je bohatý na P-proteín, ktorý tvorí slizové telieska. Plastidy obsahujú buď škrob (S-typ) buď proteín (P-typ). Medzi plazmatickou membránou a bunkovou stenou v póre sitka sa ukladá kalóza. Je to - 1,3-glukán syntetizovaný enzýmom plazmalemy. Syntáza kalózy je uložená vektorovo, substrát získava z cytozolovej strany, produkt sa ukladá na bunkovú stenu. Kalóza sa syntetizuje ako odpoveď na poranenie alebo iný stres a za normálnych podmienok ako príprava na dormanciu. Uložením kalózy sa účinne uzavrie poškodený článok sitkovice a oddelí od intaktného pletiva. Po obnovení článku sitkovice sa kalóza odstráni. 36

61 Každý článok sitkovice je plazmodezmami prepojený so sprievodnými bunkami. Tie zabezpečujú metabolické funkcie ako je proteosyntéza, dodávanie ATP a v listoch majú tiež úlohu v transporte asimilátov z produkujúcich buniek. Obyčajné sprievodné bunky majú dobre vyvinuté chloroplasty s tylakoidmi a bunkovú stenu s hladkým vnútorným povrchom. Transferové bunky majú početné výrastky bunkových stien zasahujúce do vnútra bunky, čím sa zväčšuje povrchová plocha plazmalemy. Predpokladá sa, že sú adaptované pre príjem solútov z apoplastu. Intermediárne sprievodné bunky majú početné plazmodezmy, ktorými sa spájajú s okolitými, zvlášť s bunkami pošiev cievnych zväzkov. Floémom sa transportuje voda a solúty, ktorými sú najmä cukry. Sacharóza sa zistila v koncentráciách 0,3 až 0,9 M. Ďalej sa transportujú oligosacharidy, cukrové alkoholy manitol a sorbitol. Netransportujú sa redukujúce cukry. Z dusíkatých látok sa transportujú aminokyseliny glutamát, aspartát, amidy glutamín a asparagín. Druhy s nodulmi fixujúcimi dusík transportujú ureidy (alantoin). Všetky hormóny (auxín, giberelíny, cytokiníny, kyselina abscisová a ACC) ako aj nukleotidové fosfáty a proteíny (proteínové kinázy, tioredoxín ubikvitín a i.) sa zistili vo floéme. Z anorganických solútov sa pohybujú vo floéme draslík, horčík, fosfát a chlorid. Obr. 18 Translokácie floémom 37

62 Ekofyziológia fotosyntézy Počas evolúcie sa rastliny dedične adaptovali štruktúrou a metabolizmom na rôzne podmienky pre fotosyntézu (C 3, C 4, CAM, heliofyty, sciofyty, efeméry a pod.). Dostupnosť minerálnych živín K, N a ďalších prvkov pre dobrú funkciu fotosyntetického aparátu je úzko spätá so zásobovaním vodou. P - makroergické väzby, Fe - cytochrómy, feredoxín, Cu - plastocyanín, Mn a Cl - fotolýza vody. Pre priebeh fotosyntézy je dôležitý obsah chlorofylu. Priemerný obsah chlorofylu je 0,5 g.m -2 listovej plochy. Syntéza chlorofylu prebieha len na svetle. V tme listy obsahujú nezelené etioplasty. Intenzita fotosyntézy počas ontogenézy sa mení, optimálna je v štádiu fotosynteticky dospelého, plne aktívneho listu. Fotosyntéza v gradiente listovej inzercie stúpa a potom nasleduje klesanie. Časové faktory. Cirkadiánne rytmy deň/noc; poludňajšia depresia fotosyntézy; zmeny počas vegetačnej sezóny. Fotosyntézu limitujú aj kapacity pre hromadenie asimilátov (sinky). Patologické faktory a stres tiež znižujú rýchlosť fotosyntézy. Rastliny v poraste - distribúcia žiarenia, CO 2 a pod., vnútro druhová konkurencia, medzidruhová konkurencia v zápoji. Svetlo V priebehu ontogenézy sa rastliny aklimujú na podmienky prostredia. Napríklad v anatomickej stavbe listu, mohutnosť listového mezofylu závisí od toho či sa vyvíja na svetle, alebo v tieni. Obr. 19 Anatomická stavba listov buka lesného (Fagus silvatica) rastúcich v rôznom svetelnom prostredí 38

63 Listová mozaika, rozloženie listových čepelí tak aby absorbovali čo najviac z dopadajúceho žiarenia. Obr. 20 Listová mozaika Svetlo dopadajúce na povrch rastlín je tok fotónov. Ožiarenosť je množstvo energie dopadajúce na plochý sensor (W m2). Ak rovnaké množstvá svetla dopadajú pod rôznym uhlom, ožiarenosť bude ovplyvnená uhlom dopadu [(B) = (A) x kosínus α]. Obr. 21 Svetelný tok a ožiarenie Kvalita - FAR, fotosynteticky aktívna radiácia, nm. 39 až 48 % z dopadajúceho žiarenia je FAR, listy absorbujú 1 až 5 %, ostatné odrážajú. 39

64 Obr. 22 Absorpcia, prepúšťanie a odrážanie podľa kvality svetla Kvantita - pri veľmi nízkej intenzite žiarenia prevažuje dýchanie nad fotosyntézou. Kompenzačný svetelný bod je taká intenzita svetla, pri ktorej je fotosyntéza a dýchanie, spotreba a výdaj CO 2 v rovnováhe. Ďalším zvyšovaním intenzity žiarenia sa zvyšuje výkon fotosyntézy až po bod svetelného nasýtenia. Zvyšovanie kvantity radiácie nad bod svetelného nasýtenia nemá vplyv na rýchlosť fotosyntézy. Za týchto podmienok iné faktory limitujú fotosyntézu. Veľmi vysoké hodnoty žiarenia majú inhibičný efekt. Konkrétne hodnoty sú druhovo špecifické. Heliofyty - dedične adaptované na plné osvetlenie, sciofyty - dedične adaptované na rast v tieni. Obr. 23 Odpoveď fotosyntézy na svetlo v C 3 rastlinách 40

65 a sciofyty (Asarum caudatum) Obr. 24 Heliofyty (Atriplex triangularis) Obr. 25 Svetlo dopadajúce na povrch Zeme a účinnosť fotosyntézy 41

66 CO 2 Bunkový metabolizmus uhlíka spája s vonkajším prostredím výmena plynov. Oxid uhličitý je substrátom fotosyntézy. V atmosfére je 0,02 až 0,03 % CO 2. V plynnej forme vstupuje do listového mezofylu cez prieduchy. Rastliny prijímajú aj bikarbonátový anión koreňmi (HCO 3 - ), pre submerzné rastliny je to hlavná forma príjmu anorganického uhlíka. Zvyšovanie koncentrácie CO 2 do 3 až 5 % v atmosfére pozitívne ovplyvňuje fotosyntézu, ak nie sú iné faktory limitujúce. Obr. 26 Difúzne odpory pri vstupe CO 2 do listového mezofylu C 3 rastliny pri nižších koncentráciách CO 2 majú nižšiu rýchlosť fotosyntézy ako C 4, pri vysokých koncentráciách naopak. Dvojitá fixácia CO 2 C 4 rastlín je efektívnym mechanizmom, preto sa fotosyntéza začína už pri veľmi nízkych koncentráciách CO 2 v pletivách týchto rastlín aj pri uzavretých prieduchoch. Obr. 27 Kompenzácia a saturácia fotosyntézy CO 2 v C 3 a C 4 rastlinách 42

67 V C 3 rastlinách sú straty fotosyntézy fotorespiráciou. Nedostatok atmosférickej vlhkosti môže znížiť fotosyntézu najmä v spojení so suchým teplým vetrom, ktorý silne zvyšuje transpiráciu, spôsobuje zatváranie prieduchov a tým obmedzuje difúziu CO 2 do listových pletív. Zvyšovanie koncentrácie CO 2 v atmosfére sa zistilo dlhodobým meraním. Teplota Teplota neovplyvňuje fotochemické reakcie, ale má rozhodujúci vplyv na enzymatické reakcie. Zvýšenie rýchlosti spôsobené zvýšením teploty o 10 C udáva teplotný koeficient Q 10, ktorý je takmer konštantný (2 až 3). Rozsah teplôt, pri ktorých čistá fotosyntéza dosahuje viac ako 90 % z možného maxima možno považovať za optimum. Postupne narastajúca rýchlosť dýchania čistú fotosyntézu znižuje. Mnohé C 4 rastliny majú teplotné optimum medzi 30 až 40 C, niekedy až do 50 C. C 3 rastliny majú teplotné optimum v širokom rozsahu teplôt, v závislosti od ekologickej charakteristiky rastlinného druhu. Byliny výslnných stanovíšť a stromy teplých oblastí dosahujú najvyššiu fotosyntézu pri 25 až 30 C. Obr. 28 Vplyv teploty na rýchlosť fotosyntézy a dýchania 43