Látkový a energetický metabolismus rostlin

 
  •       metabolismus = výměna látek
  •       anabolické reakce (A) = syntéza látek, spotřeba energie (např. fotosyntéza)
  •       katabolické reakce (K) = rozklad látek, výdej energie (např. dýchání)
  •       normální stav: A = K; v mládí: A > K; ve stáří: A < K

Fotosyntéza

–      jediný proces, při němž vzniká v přírodě kyslík

–      funguje už cca 2 mld. let (prahory, vznik sinic)

–      důležitá společenstva (řasy, tropické deštné lesy)

–      podstatné faktory: sluneční energie, oxid uhličitý, voda, chlorofyl

–      souhrnná sumární rovnice fotosyntézy (ve skutečnosti jde o sled rovnic!): 6 CO2 + 12 H2O ® C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

–      zdroj energie = světelné záření Þ energie chemické vazby Þ redukce oxidu uhličitého a jeho zabudování do organických látek

–      děje fotosyntézy: primární + sekundární procesy

 

A) PRIMÁRNÍ PROCESY (SVĚTELNÁ FÁZE)

–      chemické děje spojené s absorpcí světelné energie a její přeměny na energii chemické vazby (ATP)

–      1. absorpce světelné energie

–      2. přenos elektronů

–      3. fotolýza vody

–      4. vznik ATP

 

1. absorpce světelné energie

–      fungují dva fotosystémy („pasti“ na fotony)

–      fotosystém I: karoteny ® karotenoidy ® chlorofyl b ® různé druhy chlorofylu a ® chlorofyl a1 (l = 700 nm)

–      fotosystém II: xantofyly ® karotenoidy ® chlorofyl b ® různé druhy chlorofylu a ® chlorofyl a2 (l = 680 nm)

2. přenos elektronů

–      chlorofyl a absorbuje energii 2 fotonů (= excitace) > obohacené elektrony se uvolní a jsou přenášeny redox systémy

–      z elektropozitivní soustavy voda-kyslík (+ 0,8 V) na elektronegativní soustavu koenzymu (– 0,4 V)

–      redoxní soustavy:

–      příjem elektronů - redukují se (akceptor)

–      odevzdání elektronů - oxidují se (donor)

–      fotosystémy jsou zabudované v tylakoidech

3. fotolýza vody

–      pracuje fotosystém II

–      2 H2O ® ½ O2 + 2 H+ + 2 e–

4. vznik ATP

–      redoxní systémy jsou řazeny za sebou

–      elektrony ztrácejí při přechodu část energie ® její fixace v chemické vazbě

–      získávání ATP:

–      cyklická fosforylace - pracuje fs I, uvolněný elektron se vrací do chlorofylu a1

–      necyklická fosforylace - pracují oba fotosystémy

 

B) SEKUNDÁRNÍ PROCESY (TEMNOSTNÍ FÁZE)

–      chemická energie ATP je využita na vázání oxidu uhličitého a jeho redukci na sacharidy

–      soubor těchto reakcí se nazývá Calvinův cyklus

 

◊ VNĚJŠÍ FAKTORY FOTOSYNTÉZY

–      oxid uhličitý: dnes 0,03 % - není to nejvhodnější; jeho množství lze uměle zvýšit

–      světlo: využitelná je pouze část světla (l = 400–700 nm)

–      voda: fotolýza; nedostatek vede k zavření průduchů

–      teplo: optimum 15–20 °C, nejvíce 25–30 °C; pro C4 rostliny platí teploty o trochu vyšší

 

◊ C4 ROSTLINY

–      v Calvinově cyklu vytváří čtyřuhlíkatou kyselinu

–      karboxylace (vázání oxidu uhličitého): dvojí, dva typy chlorofylu, Hatch-Slackův cyklus; mohou být uzavřeny průduchy proti odparu (např. u tropických rostlin)

–      př. kukuřice, proso, třtina

–      odlišná anatomie listu

–      vyšší nároky na oxid uhličitý, sluneční záření a teplotu

–      vyšší produkce, nižší rychlost transpirace

–      nízká fotorespirace (= dýchání při fotosyntéze; čím nižší, tím větší výnos)

–      prostorové oddělení dvojí karboxylace (buňky mezofylu, buňky pochev CS)

 

◊ CAM ROSTLINY

–      časové oddělení dvojí karboxylace (v noci příjem oxidu uhličitého; ve dne rozklad oxidu uhličitého)

 

Dýchání

–      katabolický proces opačný k fotosyntéze

–      rozklad složitých látek + uvolnění energie

–      rostliny mohou žít nějakou dobu bez fotosyntézy (klíčení, kvetení)

–      energie je třeba ke krytí energetických potřeb (růst, plodění, pohyb)

–      probíhá neustále (den i noc)

–      ve dne je intenzita fotosyntézy větší než dýchání

–      dýchají všechny buňky kromě anaerobních

–      intenzivní dýchání > mladé a klíčící rostliny

–      souhrnná sumární rovnice: C6H12O6 + 6 O2 ® 6 H2O + 6 CO2 + energie

–      2 fáze dýchání:

 

A) ANAEROBNÍ FÁZE

–      probíhá v cytoplazmě

–      kyslík není třeba, ale může být přítomen

 

1. glykolýza

–      rozklad cukru

–      spouští se enzymaticky

–      molekula glukózy se rozštěpí na dvě molekuly kyseliny pyrohroznové

–      uvolní se malé množství energie Þ 2 ATP)

–      vše se přetransportuje do mitochondrií

 

B) AEROBNÍ FÁZE

–      probíhá v mitochondriích

 

1. dekarboxylace

–      odštěpení molekuly oxidu uhličitého z molekuly kyseliny pyrohroznové

–      opět enzymatický proces

–      oxid uhličitý se uvolňuje do prostředí

–      vzniká acetyl-CoA (acetylkoenzym A)

2. dehydrogenace

–      odštěpení molekuly vodíku

–      řada reakcí (postupně se odštěpí 8 molekul)

–      cyklus kyseliny citrónové (Krebsův cyklus) Þ 2 ATP

3. oxidace

–      dýchací řetězec

–      postupná oxidace vodíku až na vodu

–      uvolňuje se mnoho tepla (reakce probíhají postupně) Þ 32 ATP

Þ  z jedné molekuly glukózy se postupně uvolní energie k syntéze 36 molekul ATP

 

 

◊ VNĚJŠÍ FAKTORY DÝCHÁNÍ

–      oxid uhličitý: když se zvýší koncentrace, snižuje se dýchání

–      kyslík: zatím je ho dostatek

–      voda: když je jí málo, tak se dýchání nejprve zrychlí a pak ustává

–      teplo: optimum 30 °C, > 45 °C snížení, > 50 °C enzymatické změny (zastavení); jehličnany až do –25°C