Transcript Chemická energie

Úvod
Sylabus (Fischer, Šantrůček)
1. Úvod
Celkový přehled hospodaření rostlin s energií. Základní principy přeměny energie.
Energetický metabolismus rostlin - fotosyntéza a respirace. Anabolické a katabolické procesy
– NADPH, NADH, ATP.
2. Primární procesy fotosyntézy
Záření, fotony, fotosyntetické pigmenty. Účinnost fixace sluneční energie rostlinami. Absorpce
energie kvanta molekulou chlorofylu. Světelné reakce fotosyntézy. Fotosyntetický přenos
elektronů (cyklický a necyklický). Štěpení vody, PSII, cytochromový b6f komplex, PSI. Mobilní
přenašeče. Protonový gradient – sumarizace, využití pro fotofosforylaci. Chlororespirace.
3. Fotosyntetický aparát – struktura a evoluce
Evoluce fotosystémů a anténních komplexů. Chloroplasty - thylakoidní membrána - struktura,
funkce, Fotosyntetické struktury Prokaryot, původ plastidů různých skupin Eukaryot. Genom
plastidů, dynamika, transport proteinů z cytoplasmy. Změny během ontogenese.
4. Fotoinhibice, fotoprotekční mechanismy, energetická bilance listu
a porostu
Fotoinhibice, fotopoškození a ochranné mechanismy. Xanthofylový cyklus. Fluorescence
chlorofylu. Energie přijímaná, vydávaná a pohlcená listem a porostem.
5. Fotosyntetická fixace CO2, fotorespirace
Calvinův cyklus, rubisco, oxygenázová aktivita Rubisco, specifitní faktor, regulace aktivity
enzymů. Fotorespirace. Tvorba a degradace škrobu, tvorba sacharosy, transport asimilátů
z chloroplastů.
6. Metabolismus C4 a CAM
Příklady mechanismů redukce oxygenázové aktivity rubisco, strukturně funkční adaptace u
C4 a CAM rostlin.
7. Průduchy a příjem CO2
Cesta CO2 do listu. Průduchy - stavba, výskyt a četnost průduchů. Transpirační koeficient.
Signální úloha světla. Mechanismy otevírání a zavírání průduchů. Vliv vnějších a vnitřních
faktorů.
8. Respirace
Úloha dýchání při růstu rostlin, vztah dýchání a fotosyntézy. Základní struktura mitochondrií.
Biochemie a fyziologie dýchání. Pentózafosfátová dráha. Alternativní oxidáza a nefosforylující
NAD(P)H dehydrogenázy.
9. Fyziologie a regulace fotosyntézy
Rychlost čisté a hrubé fotosyntézy. Vliv světelného záření, koncentrace CO2 a O2, teploty.
Koordinace metabolismu. Redoxní signalizace. Signální molekuly – PQ, thioredoxin, ROS,
askorbát, glutathion. Koordinace světelných reakcí a fixace CO2. Regulace genové exprese.
Energie v živých systémech
• Formy
• Příjem
• Výdej
• Přeměny
Formy energie
Mechanická (vnější) - kinetická, potenciální (gravitace)
Vnitřní
- (jaderná energie)
- tepelná energie (teplota – pohyby molekul,
interakce mezi molekulami)
- chemická energie (vazby mezi atomy elektrony, orbitaly)
- uspořádanost - gradienty
- elektrická, …
Elektromagnetické záření
Změny vnitřní energie
(výměna s okolím – přenosy)
- elektromagnetické záření
Wienův zákon posuvu
- teplo
Příjem energie - zdroje
Chemická energie v přijatých látkách
Elektromagnetické záření (FAR, tepelné)
Teplo přijaté z okolí
Přirozené gradienty látek (např. rozdíly ve vodním
potenciálu)
Výdej energie
Chemická energie v uvolněných látkách
Teplo odevzdané do okolí (skupenské teplo
vypařování)
Elektromagnetické záření (FAR, tepelné)
Vytváření gradientů látek (např. osmotických
potenciálů)
Přeměny energie (výčet jistě není úplný :-)
Elektromagnetické záření
– chemická energie
– energie gradientů
– tepelná energie
Energie gradientů
– chemická energie
– energie gradientů
– transport
Chemická energie
– chemická energie
– energie gradientů
– mechanická energie molekulárních motorů
– tepelná energie
Tepelná energie – energie gradientů, chemická, záření
Přeměny energie při fotosyntéze
Elektromagnetické záření
– chemická energie: P680 + chl a2 → P680+ + chl a2-
Chemická energie
– chemická energie: elektrontransportní řetězec
(voda + ox. feredoxin + P680+ + chl a2- → kyslík + red.
feredoxin + P680 + chl a2 )
– energie gradientů: elektrontransportní řetězec
(část energie elektronů → H + gradient)
Energie gradientů
– chemická energie: H + gradient + ADP + Pi → ATP
Přeměny energie
Energie gradientů
– chemická energie (syntéza ATP)
– energie gradientů (sekundární aktivní transport)
- iontů (stačí elektrický gradient)
- nenabitých částic (nutný symport, či antiport)
– transport (kořenový vztlak, objemový tok asimilátů)
Elektrochemický transmembránový potenciál iontů (H+)
– elektrická složka
– gradient látky
Nernstova rovnice:
E= 2,3.RT / F.z * log c1 / c2
z = náboj, F= Faradayova k.,
R – univerzální plyn. k., T - teplota
AD P + Pi
S2
S1
ATP
S id e 1
S id e 2
při 25°C: E = 0,059V / z * log c1 / c2
(rovnovážný stav: 0,059 V při rozdílu koncentrací 1:10 pro z=1)
Přeměny energie
Chemická energie
– energie gradientů – primární aktivní transport
protonové pumpy: ATPázy (F- type: ATP-synthase,
V-, P-type)
PPi (tonoplast)
Přeměny energie
Chemická energie
– chemická energie - propojení reakcí endergonických a
exergonických: aA+bB = cC+dD
Určení směru reakcí – změna Gibbsovy volné E:
G’ 0 = RT . ln K’eq
Keq = [C]c[D]d/[A]a[B]b
= změna volné E při stand. podmínkách (pH 7, 25°C, 1M
koncentraci všech složek!!! – určuje poměr složek reakce v rovnovážném
stavu
Skutečná změna E
a tedy směr reakce
záleží na c složek!
Příklady standardních změn volné energie
Souvislost s Keq
Přeměny energie – pohánění reakcí
Chemická energie
– chemická energie - spřažení endergonických a
exergonických reakcí (hydrolýzy ATP) – zajištěno
aktivním místem enzymu
– výsledná změna G je součtem změn G dílčích reakcí
AMP~P~P  AMP~P + Pi
AMP~P  AMP + Pi
případně:
AMP~P~P  AMP + P~P
P~P  2 Pi (lze i využít např.
PPi-dependent 6-P-fructokinase)
Spřažené reakce
Spřažené reakce na jednom enzymu:
ATP + H2O  ADP + Pi
Go' = -31 kJ/mol
Pi + glucose  glucose-6-P + H2O
Go' = +14 kJ/mol
ATP + glucose  ADP + glucose-6-P Go' = -17 kJ/mol
Reakce spřažené společným reaktantem (dva enzymy):
1: A + ATP  B + AMP + PPi
Go' = + 15 kJ/mol
2: PPi + H2O  2 Pi
Go' = – 33 kJ/mol
Souhrnná reakce:
A + ATP + H2O  B + AMP + 2 Pi
Go' = – 18 kJ/mol
Spřažené reakce
- možnost využití velkého množství E
Substrátová fosforylace ADP
O
O
-
O
C
C
ADP ATP
O PO 3
2-
O
H
+
O
SH
-
CH 2
 -m ercap to ethylam ine
CH 2
OH
CH2
PEP
O
C
C
C
CH2
-
enolp yruvate
C
O
NH
CH3
C
p yruvate
O
CH 2
p anto thenate
CH 2
NH
Vazba CoA- využití E v následné spřažené
reakci
O
C o e n zym e A -S H
+
HO
C
R
NH 2
C
O
HO
C
H
H 3C
C
CH 3 O
H 2C
O
N
N
P
O-
O
O
P
N
N
O
CH 2
O-
O
H
H
O
OH
H
A D P -3 '-p ho sp hate
O
-
C o e n zym e A - S
C
R
+ H2O
C oenzym e A
O
H
P
O
O
-
odbočka: Termodynamika x kinetika
Termodynamická uskutečnitelnost nevypovídá o skutečném
běhu a kinetice!
- reakce mohou mít vysokou aktivační energii – nutnost
katalyzátoru (enzymu) – G je ale stejná!
- vysoká aktivační energie je nutná u hydrolýzy sloučenin s
makroergními vazbami (ATP)!
Oxidace a redukce v živých systémech
klíčové procesy metabolismu – předávání energie ve formě elektronů
Postupné redukce/oxidace uhlíku
(při přeměně anorganického uhlíku na organický)
CO2
R-COO- = -COOH
-CHO
Elektonegativita prvků
H: 2,2 < C: 2,55 < O: 3,44
-CH2OH
-CH3
Oxidace a redukce v živých systémech
1. Přímý přenos samotného elektronu:
Fe2+ + Cu2+ = Fe3+ + Cu+
2. Přenos dvou atomů vodíku:
AH2 = A + 2e- + 2H+
B + 2e- + 2H+ = BH2
-------------------------------AH2 + B = A + BH2
3. Přenos atomu vodíku a elektronu (H-) – opět 2e(př. NAD-dehydrogenázy)
4. Přímá inkorporace kyslíku do organické molekuly
(nepřímo opět 2 atomy H)
Oxidace a redukce organických látek
Redukce za „spotřeby“ NADPH
CO2
(-COO-) = -COOH
-CHO
-CH2OH
-CH3
oxidace produkující NADH
NADH (FADH2) - především přenašeče elektronů do dýchacího řetězce
NADPH – anabolické reakce
Redukované formy vznikají: fotosyntézou, oxidativními reakcemi
NAD(P)+/NAD(P)H
H
O
H
H
C
C
NH 2
+
N
2e
R
NAD
NH 2
-
+ H
+
N
R
+
O
NADH
NAD+ + 2e- + H+  NADH
NAD+ + 2e- + 2H+  NADH + H+
Redoxní potenciál
- určuje změnu volné energie (G)
v jednoduchých redoxních
reakcích
G’ 0 = - z.F. E’ 0
NADH x NADPH
NAD+ – přednostní využití v katabolismu
NADPH – přednostní využití v anabolických reakcích
G’ 0 = - z.F. E’ 0
závisí na koncentraci
- stejná pro NADH i NADPH
E’ 0
orientační poměr v buňce
NAD+ + H+ + 2 e- → NADH
-0.320
NAD+:NADH cca 30:1
NADP+ + H+ + 2 e- → NADPH
-0.320
NADP+:NADPH cca 1:50
Oxidace a redukce organických látek
- hospodaření s energií
při redukcích: někdy dochází k fosforylaci substrátu (je-li potřeba
dodání další energie k proběhnutí reakce)
při oxidacích: někdy dochází k fosforylaci produktu
může docházet k substrátové fosforylaci či vazbě CoA
(uchování energie – využití v další reakci)
může být tvořen protonový gradient
Energetický metabolismus rostlin
Fotosyntéza (chloroplasty)
Dýchání (mitochondrie)
- zdroje energie a jejich dostupnost
- orgánové a pletivové rozdíly (kořen, prýt, pokožka, …)
- změny ve vývoji a diferenciaci
- vliv dostupnosti vody a výživy
- denní, sezónní změny
- nutnost komplexní regulace metabolismu (aktivity
chloroplastů a mitochondrií) a výstavby struktur
(na úrovni celých rostlin i jednotlivých buněk)
Spotřeba energie v rostlině
(fixovaná světelná či uvolněná dýcháním)
(1) Růst – tvorba biomasy (přeměna sacharidů na složky rostliny)
- spotřeba úměrná produkci
asimilátů
(ztráta cca 25 % produkce PG)
(2) Udržování struktur („bazální metabolismus“)
- spotřeba úměrná hmotnosti bílkovin (u bylin i sušiny)
na udržování živých struktur rostlina denně prodýchá 1 – 2 %
hmotnosti své biomasy (platí pro byliny)
(3) Transport – vstup (opětovný vstup) a výstup z floému
(4) Aktivní příjem minerálních živin - zejména NO3(5) Asimilace minerálních živin (zabudování do organických
Změny alokace sušiny do jednotlivých orgánů
během vegetace u pšenice
Larcher, 2001
Fotosyntéza
Dýchání
Energie záření
teplo
chem. energie
CO2
(ATP, NAD(P)H)
O2
BIOMASA
Redukce za „spotřeby“ NADPH
CO2
(-COO-) = -COOH
-CHO
-CH2OH
-CH3
oxidace produkující NADH (FADH2)
Fotosyntéza
Zdroj energie – ATP, NADPH (redukční síly), transport vody
Zdroj metabolitů – anabolismus
Respirace
Zdroj energie – NADH, ATP (v noci,u nezelených pletiv),
tepla
Zdroj metabolitů – u všech buněk (pro anabolismus)
Regulace – disipace nadbytečné energie ATP,
obnovování NAD+ (dýchací řetězec)
+ oxidativní pentózofosfátová dráha (zdroj NADPH)
(oxidace a dekarboxylace bez spotřeby kyslíku)
Respirace je nezbytná i u zelených
buněk
- dýchání v buňkách obsahujících choroplasty je na
světle inhibováno jen na cca 30 % stavu za tmy
Význam:
- tvorba uhlíkových skeletů (např. pro asimilaci N)
regulace
- disipace energie NADH (při fotorespiraci)
- ATP pro syntézu sacharózy
Schéma základního energetického metabolismu
rostlinné buňky
Fotosyntéza
Fotochemie
Calvinův cyklus
Respirace
Glykolýza + -oxidace
Krebsův cyklus
Dýchací řetězec
Pentóza-fosfátový
cyklus (OPPP)
Transport asimilátů,
tvorba škrobu
Základní regulace
energetického metabolismu rostlinné buňky
- na biochemické úrovni mezi cytoplasmou,
chloroplasty a mitochondriemi (např. redox
signalizace)
- na úrovni genové exprese mezi genomem,
plastomem a chondriomem
Signalizace z chloroplastu (ukázka)
MDH – malát dehydrogenáza; FNR – ferredoxin-NADPH reduktáza;
FTR – ferredoxin-thioredoxin reduktáza; Fd – ferredoxin, Trx – thioredoxin,
Grx – glutaredoxin; RNS – reaktivní formy dusíku
Redoxní stav - NAD(P)/NAD(P)H a poměr ADP/ATP
- určení směru mnoha zvratných reakcí!
- kofaktory v klíčových reakcích
Vzájemná regulace metabolismu mezi organelami
Redoxní stav NAD(P)/NAD(P)H:
- vyrovnávání především antiportem metabolitů
- specifické signály
Jednoduché oxidoredukční děje zprostředkované
přenosem e- (metaloproteiny)
FeIII+ / FeII+
hem - cytochromy,
Fe-S – Rieskeho protein, ferredoxin, …
CuII+ / CuI+
např. plastocyanin
Přenašeče
e- a H+
v tylakoidní a
mitochondiální membráně
chinon
plastochinon
semichinon
ubichinon, koenzym Q10
hydrochinon
= chinol