Co vás dnes čeká: Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74. Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Co vás dnes čeká: Přednáška 2: Specifika rostlinné buňky – trocha opakování vakuola buněčná stěna plastidy Fotosyntetické struktury plastidy – struktura, typy fotosyntetické pigmenty a jejich lokalizace Sluneční záření - energie

Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74

Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Eukaryontní buňky: Rozdíly mezi rostlinnou a živočišnou buňkou :

před 1 400 000 000 lety Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


(cyanobacteria)



Rostlinná buňka

Vakuola Buněčná stěna Plastidy

Ale nejen….

Buchanan et al. Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Endomembránový systém 1. cytoplazmatická membrána 2. endoplazmatické retikulum 3. Golgiho aparát 4. Blána jaderná 5. tonoplast 6. oleozómy

.....proč? Buchanan et al. 2OOO Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Membránové systémykompartmentace: Různé reakční prostory

Komunikace mezi kompartmenty – pomocí váčků hotovost látky v kompartmentu: pool

Buchanan et al. 2OOO Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Komunikace mezi kompartmenty – pomocí váčků

Tvorba váčků Golgiho komplexu http://www.skidmore.edu/academics/biology/plant_bio/photos/photos/cellbio/Golgi%20vesicle%20forming.jpg Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Vakuola - funkce:

zásovní vakuola obsahující proteiny

1. Homeostáze cytoplazmy, např. pH 2. Zásobní 3. odpadní, detoxifikační 4. Interakce rostliny s prostředím 5. Lysozomální kompartment 6. Vodní hospodářství buněk

Lytická vakuola

7. Růst buněk aleuronová vrstva v obilce pšenice



Vakuola – osmotický systém Hypotonický roztok

Izotonický roztok

Hypertonický roztok

Živočišná buňka

Lyzovaná

Normální

Svraštělá

Rostlinná buňka

Turgescentní (normální)

Ochablá

Plazmolyzovaná

http://knicelybiology.pbwiki.com/Chapter+9+Section+2:+Page+2



Vakuola – osmotický systém

0,1 M sacharoza

Votrubová 2001

Hypertonické vnější prostředí = větší koncentrace iontů 0,3 M sacharoza



Buněčná stěna - není jen mechanický obal protoplastu!! - recepce vnjších podnětů chemických (pH, patogeny, symbionti) i fyzikálních (tlak, teplota) - skladovací, odpadní, ochranný kompartment (např. ukládání těžkých kovů) - vlastní signalizace dovnitř buňky např.

-interakce mikrofibril stěny a kortikálního MT cytoskeletu, - kotvení preprofázového prstence MT a fragmoplastu

- nezbytná pro buněčné dělení



Buněčná stěna - struktura

Střední lamela

Primární buněčná stěna

Pektin Hemicelulozy (xyloglukany glukuronoarabinoxylany)

Plazmatická membrána

Celulozové mikrofibrily

MB130P34 Biologie rostlinné buňky, Žárský V. http://micro.magnet.fsu.edu/cells/plants/cellwall.html Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Buněčná stěna Replika (otisk) vnějšího listu plazmatické membrány

interakce mikrofibril stěny a kortikálního MT cytoskeletu

transportní váčky

celulozové mikrofibrily Buchanan a kol. 2000 Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


orientace mikrofibril - růst

mikrofibrila asi 3 nm silná tvořena 30 až 36 individuálními řetězci a může při počtu 14 000 glc jednotek dosáhnout délky 7um.




Buněčná stěna

Vrstevnatá sekundární stěna

Plazmodesma Cytoplazma

Střední lamela

Primární buněčné stěny a střední lamela na styku tří buněk Primární stěna

Buchanan a kol.


Střední lamela Vrstevnatá sekundární stěna Primární stěna



Plastidy – semiautonomní organely

http://ultrastruktur.bio.lmu.de/de/forschung/tem/plastiden/index.html Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74

Prezentace – příště ☺ Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Plastidy – semiautonomní organely charakteristické pro rostlinnou buňku ...nejen v zelených částech rostliny!!!



http://ultrastruktur.bio.lmu.de/de/forschung/tem/plastiden/index.html

etioplast

funkční dospělý chloroplast

(prolamelární těleso) Proplastid

chromoplast

Amyloplast Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Plastidy – fotosynteticky aktivní = chloroplasty

lokalizace – hlavně listový mezofyl (ale i další....) Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


struktura chloroplastu mezimembránový prostor

Thylakoidy, grana

stromatální thylakoid thylakoid

granum

membrána stroma vnitřní obalová membrána chloroplastu


lumen granum


struktura chloroplastu

Nature Reviews Molecular Cell Biology 5, 198-208 (2004) doi:10.1038/nrm1333 Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

struktura chloroplastu


rozdíl mezi granálními (GT) a stromatálními (ST) thylakoidy: „zrna“ na GT jsou PS II


Fotosyntetické pigmenty princip absorpce energie záření – přítomnost konjugovaných dvojných vazeb

chlorofyly tetrapyroly

karotenoidy Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74

fykobiliny ruduchy, sinice Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Fotosyntetické pigmenty – biosyntéza chlorofylu

glutamát

5-aminolevulová kyselina (ALA)

porfobilinogen

+ fytolový řetězec aktivace světlem!

chlorofyl a

chlorofylid a

protoporfyrin IX

protochlorofylid a

http://4e.plantphys.net/image.php?id=97 Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


stechiometrické poměry nejsou zachovány

Biosyntéza chlorofylu proteiny glutamyl-tRNAGlu glutamyl-1-semialdehyd

kyselina glutamová

kyselina 5-aminolevulová

NADPH 2 fotony R

Mg chelatáza

pchlid reduktáza chlorofylid a

porfobilinogen

protochlorofylid a

protoporfyrin IX

+ fytol chlorofyl a


chlorofyl b vzniká oxidací chlorofylu a Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Biosyntéza karotenoidů 3-P-glyceraldehyd + pyruvát

1-deoxyxlulóza

izopentenylPP

dimetylallyl-PP +

geranyl-PP (10C)

geranylgeranyl-PP (20C) fytoen (40C)

lykopen

β-karoten α- karoten zeaxantin

lutein

anteraxantin violaxantin Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Karotenoidy - Xanthofylový cyklus – ochrana před fotopoškozením

deepoxidace

epoxidace

ozářenost

- efektivnější pro disipaci energie teplem než zbylé dva http://www.nature.com/embor/journal/v6/n7/fig_tab/7400460_f2.html Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Plastidové pigmenty chlorofyly (+ feofytin) a karotenoidy lipoidní lokalizované v membráně plastidů funkce: absorpce a přenos, disipace energie, ochrana (xantofyly) Vakuolární pigmenty flavonoidy: anthokyany, flavonoly, flavony hydrochromy – ve vodě rozpustné lokalizovány ve vakuolách (hlavně květy a plody) funkce: ochraná před UV, komunikační



Vakuolární pigmenty flavonoidy: anthokyany, flavonoly, flavony hydrochromy – ve vodě rozpustné lokalizovány ve vakuolách (hlavně květy a plody) funkce: ochraná před UV, komunikační

Květ gazánie očima hmyzu – „navigace“ k pylu

http://www.cogsci.bme.hu/~ikovacs/latas2005/prepII_3.html Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Fotosyntetické pigmenty součástí pigment-proteinových komplexů v tylakoidních membránách plastidů PS II

volný chlorofyl problém !!! Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Fotosyntetické pigmenty součástí pigment-proteinových komplexů světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému světlosběrná anténa

jádro fotosystému

jádro fotosystému

molekula chlorofylu reakčního centra http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/PBD-CP29.html Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74

světlosběrná anténa

http://photosynthesis.peterhorton.eu/research/lightharvesting.aspx Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Fotosyntetické pigmenty světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému – proč???

„dělba práce“ absorpce kvanta chlorofylem – -jen několikrát za sekundu kdyby poměr anténa : RC =1 neefektivní

http://kchf-45.karlov.mff.cuni.cz/~jakub/uvod.htm Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


světlosběrné antény x reakční centrum fotosystému

Různý poměr molekul pigmentů v anténě a RC: 20 – 30 u některých sinic 200 – 300 u většiny vyšších rostlin až tisíce u některých sinic a zelených řas Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


FYZIKÁLNÍ JEV přenos energie

CHEMICKÝ JEV přenos elektronů

účinnost přenosu energie mezi pigmenty antény 95-99% Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


absorpce

absorpční spektra fotosyntetických pigmentů

1 – bakteriochlorofyl a 2 – chlorofyl a 3 – chlorofyl b 4 – fykoerytrin 5 – β-karoten vlnová délka (nm)

UV

IR viditelné záření

absorpční maxima fotosyntetizujících pigmentů jsou ovlivněna strukturou fotosystémů Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


rostlina a energie

univerzální zdroj energie pro život na Zemi je Slunce energie se uvolňuje termonukleární reakcí (H energie se šíří prostorem

He)

Slunce vyzařuje široké spojité spektrum elektromagnetického vlnění korpuskulární povahy



množství energie v jedné částici = kvantum Energie 1 kvanta

c E = h . ν = h . —— λ

(J)

h = Planckova konstanta = 6,626176 ± 0,00036 . 10-34 J . s c = rychlost světla 3.108 m.s-1 ν = kmitočet

λ = vlnová délka v nm

fotony = kvanta v oblasti viditelného záření



Spektrum elekromagnetického vlnění

99% sluneční energie je vyzařováno v rozmezí vlnových délek

150 až 5000 nm

nm = délková jednotka, 10-9 = 1 miliardtina metru vzdálenost atomů v pevných látkách je řádově zlomky (typicky čtvrtina) nm Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


záření

vlnová délka (nm)

energie (kJ/mol)

UV-C

210 – 280

471

UV-B

280 – 320

399

UV-A

320 – 400

352

fialová

400 – 425

292

modrá

425 – 490

261

zelená

490 – 560

230

žlutá

560 – 585

206

oranžová

585 – 640

193

červená

640 – 740

176

infračervená

nad 740

85

energie 1 molu vazeb C-C je 348 kJ, O-H 463 kJ



relativní hustota toku fotonů vztažená na jednotkový interval vlnové délky

solární konstanta 1368 J.m-2.s-1 energie záření dopadající na povrch zemské atmosféry záření dopadající na povrch atmosféry

efekt vodní páry a CO2 efekt ozónu záření dopadající na povrch Země 43% solární konstanty vlnová délka nm

FAR Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


solární konstanta 1368 J.m-2.s-1 5% UV 28% viditelné záření 67% IR

maximální tok (výdej) energie ve slunečním záření je v oblasti kolem 500 nm maximální hustota toku fotonů je v oblasti 620 nm (Wienovy zákony posunu)

záření dopadající na povrch Země 2%UV 45% viditelné záření 53% IR



světelné poměry na konkrétním stanovišti ovlivňují další stálé i proměnlivé faktory: zeměpisná poloha změny v délce dne během roku nadmořská výška roční doba denní doba přítomnost porostu a jeho složení stav atmosféry nad porostem – oblačnost, znečištění v podrostu



absorpce světla – podmínka pro získání energie nebo informace záření modrá červená

vlnová délka (nm) 425 – 490

energie (kJ/mol) 261

640 – 740

176 SII

excitované stavy

absorpce fotonu R

základní stav

absorpce fotonu B

energie

SI

v jedné molekule absorbuje jen jeden elektron jen jedno kvantum!

excitovaný stav je vysoce nestabilní - trvá 10-9s Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


absorpce světla – podmínka pro získání energie nebo informace

SII

excitované stavy

teplo

absorpce fotonu R

absorpce fotonu B

teplo nebo jiné formy energie

základní stav

fluorescence

energie

SI

v jedné molekule absorbuje jen jeden elektron jen jedno kvantum!

excitovaný stav je vysoce nestabilní - trvá 10-9s Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


deexcitace – výdej energie získané absorpcí návrat molekuly do základního stavu

možnosti deexcitace chlorofylu

emise zářivé energie - fotonu (delší vlnová délka) fluorescence (viditelná oblast) kinetická energie molekuly - teplo (zvýšení teploty) indukční rezonance (Förstrův přenos) - transfer energie, kdy se excitovaný stav přenese na sousední molekulu (přenos energie po anténě) fotochemická reakce – energie excitovaného stavu - způsobí chemickou reakci – separaci elektronu Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


deexcitace – výdej energie získané absorpcí návrat molekuly do základního stavu

přenos energie na jinou molekulu

uvolnění elektronu

reakce s O2

disipace teplem



FYZIKÁLNÍ JEV přenos energie

CHEMICKÝ JEV přenos elektronů

účinnost přenosu energie mezi pigmenty antény 95-99% Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74


Děkuji za pozornost! příště: fluorescence – využití, primární fáze fotosyntézy na praktika (za 14 dní) pijte mléko a sbírejte průhledné litrové lahve ☺



http://biology4.wustl.edu/faculty/blankenship/EnergyCoupling.html

Co vás dnes čeká: Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74. Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Recommend Documents