plastidi - biotehniška fakulteta, univerza v ljubljani ... · skupne znaČilnosti v zgradbi -...

PLASTIDI • - značilnost rastlin • -energetski centri, centri presnove v evkariontski r. celici

(fotosinteza - • redukcija CO2 (NO3-, 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).

Alge imajo v celicah pogosto samo po 1 velik plastid

Kloroplast brstnic je klorofilno zrno

Kloroplasti v celici

Kloroplast-povečano

tilakoide

Tilakoide-pove3čano

SKUPNE ZNAČILNOSTI V ZGRADBI

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

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

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.

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).

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

ŠKROBNA PLAST

Škrob se zelo pogosto nalaga v založnih tkivih –npr. v semenu, v sekundarnem endospermu.

plod. ovojnica Sem. ovojnica Ostanek nucela

Alevronska plast

Z amiloplasti

Alevron

Alevronska zrna

Vegetativni založni organi -koreni

Čebule

Stebelni gomolji

KROMOPLASTI • -rumeno-, oranžno-, rdeče-, rjavo obarvani plastidi brstnic (cvetovi, plodovi,

redko drugi organi); • - nastanek: različen (iz proplastidov, kloroplastov), povezan z razvojem-

staranjem (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, ...).

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

Kromoplasti dajejo rumeno- oranžno barvo številnim cvetovom na sliki cvet mačehe-Viola sp.

KLOROPLASTI • -Cormophyta -KLOROFILNA ZRNA (kroglasti,

lečasti; več 10-100/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, …)

Zgradba kloroplasta- klorofilnega zrna višjih rastlin

ZGRADBA KLOROFILNEGA ZRNA

• - lečaste oblike; 4-6-10 µm, več 10-100/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+,...

Zgradba kloroplasta odseva njegovo funkcijo – fotosintezo v prvi vrsti

Svetlobne reakcije Ogljikove reakcije

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

Zlepljene(granularne) in proste (stromatarne) tilakoide

Model prostih in zlepljenih (“naloženih”-”packed”) tilakoid

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 = 800-900nm.

Molekulska zgradba klorofilov a in b ter bakterioklorofila

Zgradba molekule korofila omogoča pretvorbo svetlobne energije v energijo elektrona

Absorpcijski spektri fotosinteznih barvil

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 = 450 -500 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;

Barvila iz skupine karotenoidov

Pomožna fotosintezna barvila rdečih alg in cianobakterij

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);

Zgradba PSII

Zgradba PSI

Model zgradbe fotosinteznih centrov in pripadadajočih antenskih kompleksov

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

Ostali gradniki tilakoid

• - PREJEMNIKI IN PRENAŠALCI ELEKTRONOV: PS I: feredoksin, citohrom b563; PSII : Q - PQ- kinoni-plastokinon; citohrom b559, FeS kompleks, PC-plastocianin;

• - ENCIMSKI SISTEMI: PSI, PSII: ATP , NADPH+H sintetaza; PSII: sistem za fotolizo vode

Zgradba tilakoidne membrane

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”

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

Povezava PSI in PSII v funkcionalno enoto-”fotosintezno enoto”

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 !!

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), ..

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

FOTOSINTEZA

• Svetloba kot energija: E = h.√ = h.c/λ (400-700 nm); E = energija; √ =frekvenca;

• λ = val. dolžina svetlobe; h = Plankova konstanta (6,625 .10 34 J/s); c = hitrost svetlobe

• Enota : 1µmol s -1 m -2 = 1 µE s -1 m -2= 6,023 . 10 17 fotonov s -1 m -2=

• 6,023 .10 17 kvantov s -1 m -2

FOTOSINTEZA - ASIMILACIJA OGLJIKA (energetika celice)

• RASTLINE - FOTOAVTOTROFNI ORGANIZMI višje rastline -brstnice;

• cianobakterije, fotosintetskoaktivne bakterije,

• evkariontske alge, • lišaji

KEMOSINTEZA • 1. Nitrifikacijske bakterije (Nitrosomonas) • 2 NH3 + 3 02 = 2 HNO2 + 2 H2O + 158 kcal • 2. Nitratne bakterije (Nitrobacter) • 2 HNO2 + 02 = 2 HNO3 + 38 kcal (solitri; • guano; Čile) • 3. Žveplove bakterije: • 2H2S + O2 ⇒ H20 + S2 • S2 + 02 + H20 ⇒ 2 H2SO4 • H2S + 2 02 ⇒ H2SO4 + 115kcal

ZAČETEK FOTOSINTEZE

• 4. Purpurne žveplove bakterije • CO2 + 2 H2S(donor e-, H+) ⇒(svetloba)

CH20 +H2O +2S • Svetloba je vir energije • Žveplovodik vir elektronov in protonov • Sprošča se elementarno žveplo

Ostale oblike kemosinteze

• 5. Železove bakterije (Crenothrix, Leptothrix)

• FeCO3 (Fe++) (Fe2(CO3)3 ⇒ Fe(OH)3 (Fe+++)

• 6. Metanove bakterije (Bacillus methanicus)

• CH4 + 2O2 ⇒ CO2 + 2H2O

FOTOSINTEZA VIŠJIH RASTLIN, EV. ALG, CIANOBAKTERIJ OKSIGENA FOTOSINTEZA

• 6CO2 + 6 H2O(donor H+, e-) + 675 kcal ⇒ (klorofil, h() C6H12O6 + 6O2

• n H2O + n CO2 ⇒(h.√) (CH2O)n + nO2 ; endergon proces!

• (Go = + n. 477KJ ⇒(+ n. 114 KCAL); n=6 • 1. 2H2O + 2A ⇒(h.√) 2AH2 + O2 • 2. CO2 + 2AH2⇒ CH2O +H2O + 2A • 1+2( CO2 + 2 H2O ⇒(h.√) CH2O + O2 +

H2O

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) = O2/CO2 = 1

(samo v idealnih razmerah!)

FAZE FOTOSINTEZE

I. SVETLOBNA FAZA (svetlobne reakcije): pretvorba svetlobne energije v kemično: ATP; fotoliza vode: NADPH2 (2e-, 2H+); nastanek kisika: O2

- Poteka na tilakoidnih membranah kloroplasta - II. TEMOTNA FAZA(ogljikove reakcije

fotosinteze): redukcija CO2: nastanek sladkorjev, aminokislin, maščob,..

-poteka v stromi kloroplasta

Faze fotosinteze: svetlobne in ogljikove (“temotne “) reakcije

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

Prikaz fotosinteznega učinka svetlobe glede na spektrani sestav

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

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)

Strukturne formule klorofila a, b in bakteriklorofila

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)

Učinek svetlobe na pigmentih:

• Absorpcija svetlobe in pretvorba pigmenta (kl a) iz osnovnega (Eg) v “vzbujeno”, ekscitirano stanje (Ee): Ee-Eg = 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)

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

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 (CO2, NO3

-, SO4 --, Z - shema);

• Vektorski transport protonov H+ iz strome v notranji lumen tilakoidnih membran;

• Fotofosforilizacija (tvorba ATP; ADP + Pi(ADP)

Model fotosistema 1- PS-I kla700

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

¸Shema obeh reakcijskih centrov in pridruženih antenskih kompleksov

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 b6 f kompleks)

• Zlepljanje in sproščanje tilakoid omogoča prilagajanje na svetlobno okolje

Porazdelitev funkcionalnih enot glede na vrste tilakoid

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

Tok elektronov iz vode na NADP+ pojasnjuje Hil-Bendallova Z-shema; Tok elektronov istočasno spremlja tok protonov v lumen tilakoid

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.

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.

Prikazana pot elektronov med PS II in PS I

Prikaz tvorbe ATP na stromatarnih tilakoidah

ATP-aza

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

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 reakcija-psevdociklična fosforilizacija

Povzetek • Ciklična: PSI; pot e-: PSI⇒PSI (kl a 700nm); • Neciklična: PSII; pot e-: H2O⇒PSII⇒PSI ⇒NADP+: • fotoliza vode: 2H2O⇒(Mn++) ⇒O2+ 4H+ +4e-; • prenos e- na NADP+; PSII (Mn -protein!); Kok et al. 1970;

(H2O + NADP+ + h.√⇒ 1/2O2 + NADPH+H+) • Pseudociklična : PSII,PSI; pot e-: H2O⇒e- iz

H2O⇒PSII⇒PSI⇒O⇒O2 • (2H+ + O2+ 2e- ⇒H2O2 (katalaza) ⇒H2O + 1/2O2);

Edwards & Walker 1983; "Mehlerjeva"reakcija)

POVZETEK REAKCIJ IN PRODUKTI SVETLOBNE FAZE:

• 2H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3Pi (H2PO4) + 8-12 FOTONOV⇒ O2 + 2 NADPH + 2H+ + 3ATP + 3H2O;

• 1 molekula H2O⇒ 1/2O2 + NADPH +H+ + 1,5 ATP;

• za redukcijo 1CO2 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,..)

Ogljikove reakcije fotosinteze (TEMOTNA FAZA FOTOSINTEZE = KALVINOV CIKEL= RPP CIKEL)

• Povzetek reakcij: • 6CO2+ 18 ATP + 12 NADPH + 12H+

⇒C6H1206+ 18ADP + 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

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: CO2,H20, O2, 1. akceptor(R-BP,C5), drugi sladkorji)

• Okolje (svetloba, temperatura, voda)

Faze Kalvinovega cikla

• Karboksilacija • Redukcija • Regeneracija substrata • Avtokataliza

Pregled faz Kalvinovega cikla

Karboksilacija

• Vezava CO2 na prvi akceptor, sladkor ribuloza bifosfat

• Akceptor mora biti aktiviran • Problem je pomanjkanje CO2, še posebej

ob zaprtih režah; tedaj vezava kisika, RUBISCO postane RUBISO

• Potek pri večini rastlin: • CO2 (C1) RuBP (C5)→(C6) 2PGK (C3)

Prva faza Kalvinovega cikla: karboksilacija pri C3 rastlinah (ob zadostni preskrbi s CO2 in oksigenacija ob pomanjkanju, kar vodi v fotorespiracijo).

FOTORESPIRACIJA • Ob zaprtih režah zmanjka CO2 • Na isti substrat se veže kisik ob katalizi istega

encima: • O2 (C0) + RuBP (C5)→(C5) 1PG (C3)+1PG (C2,

fosfoglikolat) • Fosfoglikolat se presnavlja v peroksisomih, ob

sodelovanju klooroplastov in mitohondrijev – fotorespiracija (pomen: stres, povezava metabolizma C in N)

• Rešitve: C4, CAM in C1 tipi fotosinteze

C4 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

Prerez lista C4 rastline (npr. koruze): dimorfizem asimilacijskega parenhima

Celice žilnega ovoja z agranularnimi kloroplasti in delno oplutenelimi cel. stenami

Navadne celice mezofila

Dve prostorsko ločeni karboksilaciji pri C4 rastlinah

Dimorfizem kloroplastov pri C4 rastlinah: kloroplasti celic žilnega ovoja nimajo PSII, agranularni kloroplasti.

Različni tipi C4 fotosinteze

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 CO2 iz zraka)

• Podnevi reže zaprte in izraba CO2 iz rezervoarja C4-kislin v vakuoli

• Majhna produkcija, a preživetje v zelo sušnih območjih (puščave, polpuščave, epifiti,..

Potek CAM tipa karboksilacije: časovni zamik dveh encimatskih vezav CO2.

C1 tip vezave

• Vodne rastline - makrofiti • Slaba topnost CO2, visoke temperature • V membrani epiderma je bil odkrit način

privzema CO2 po reakciji: • CO2 (C1) + H2O (C0)→H2CO3→H+ +HCO3

- • Rastlina sprejme bikarbonat; splošni način

pasiranja membran pri vseh rastlinah!!

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

Regeneracija akceptorja- RuBP

• 6 C5 (ribuloza bifosfat) + 6 C1(CO2) ⇒12 C3⇒6C5, ⇑ 1C6!!

• “feedback” regulacija; ker CO2 pogosto primankuje, je vedno dovolj RuBP, da Kalvinov cikel normalno teče

• Dokazano z izotopi ogljika

Pregled trajanja posameznih faz Kalvinovega cikla

AVTOKATALIZA

• Uklanjanje C3, C6 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

Sintezni procesi v kloroplastu

Prikaz izmenjave ogljikovih spojin med plastidi in citoplazmo – translokacija asimilatov

“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).

CO2

heksoza

trioza

tetroze, pentoze

Izmenjava metabolitov med plastidi in okolico

Sinteza asimilacijskega škroba v kloroplastu

Sinteza rezervnega škroba v levkoplastu

VPLIVI NA FOTOSINTEZO • I. INTERNI: Stanje in vrsta rastline • II. ZUNANJI: Okolje: • 1. [CO2] • Q= D. ∆C.S/d; D= dif. koeficient (cm2s-1); (c= razlika v konc. CO2

med okoljem in celico; S = povprečna debelina lista; d= dolžina poti za CO2

• H2O/CO2; prevodnost , upornost; rs, ra, ri • 2. [O2] • FOTORESPIRACIJA; DIHANJE • 3. SVETLOBA; 4. TEMPERATURA • 5.VODA; 6. MINERALNA PREHRANA • 7. BIOTIČNI DEJAVNIKI OKOLJA: Herbivori; paraziti (glive, živali,

prokarionti)

Interni dejavniki:RASTLINA

• Vrsta, sorta • Starost • Fenofaza • Organ (list, steblo, plod,..) • Tkiva:klorenhimi (asimilacijski

parenhimi),ostala tkiva • Cela rastlina • Trenutne meritve; akumulirana vezava

Načini meritve fotosinteze

• PQ = O2/CO2 = 1 (idealne razmere) • Vodni ekosistemi: meritve sproščanja O2

• Kopenski ekosistemi: meritve vezave CO2

• Meritve fluorescence (oddane svetlobe) • Meritve “pridelka” (žetveni indeks) • Meritve biomase v časovnih presledkih

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

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

Tipala za meritve različnih učinkov svetlobe in primeri vrednosti sevanja

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

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

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

Prikaz poteka fluorescence klorofila na PS II; meritev kapacitete kloroplasta

Meritve izmenjave CO2

• IRGA metode (Infra Red Gas Analysis) • Meritve fotosinteze v kopenskih ekosistemih • Meritve neto fotosinteze: Pn=Pg-R (Pn=neto fotosinteze,

Pg=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, CO2 saturacijska krivulja,.. • Odprti in zaprti IRGA sistemi; absolutni in diferencialni

način meritev; meritve spremljajočih parametrov

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

Shema meritve neto fotosinteze s sistemom IRGA

Sistem za pripravo zraka

merilec Komore kivete

Meritve velikosti fotosinteze so lahko na podlagi izmenjave CO2 posameznih rastlin/njihovih organov-največkrat lista (slika levo) ali pa merimo izmenjavo CO2 na ravni tipa vegetacije (“eddy covariance” metoda).

Svetlobne krivulje netofotosinteze rastlin različnih funkcionalnih skupin, izmerjene pri optimalni temperaturi in “ambientalni”koncentraciji CO2

Shematski prikaz dnevnega spreminjanja izmenjave CO2 v odvisnosti od jakosti Sevanja; C4 rastline imajo veliko večji izkoristek svetlobe kot C3 rastline; skiofiti učinkovito izkoriščajo svetlobo šibkih jakosti

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

Vpliv vodnega režima na potek fotosinteze

Izmenjava CO2 pri CAM rastlinah

Letna bilanca CO2 kalice cemprina na gozdni meji v Alpah

Energija in življenje

• Energija je potrebna za opravljanje dela-vsi življenski procesi

• Vir- sonce; 0.05 -1,5% 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%

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

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!!

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!

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 energije-fotosinteza 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

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 • C6H12O6 + 6O2→6CO2 + 6H2O + energija; ΔG = -686kcalmol-1

• Endotermne-endergone reakcije niso spontane • Glukoza + fruktoza →saharoza in H2O; ΔG =5,5 kcalmol-1

• V ravnotežju je ΔG nič-smrt; življenje je borba za odmik od ravnotežja

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

ATP- energetska valuta celice • ATP i H2O→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

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 celicah-rastline jih tvorijo same: NAD+ (vitamin B3), NADP+, FAD+ (B2), UTP (sinteza polisaharidov), GTP (sinteza proteinov), CTP (tv orba membran), citohromi

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

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