Látkový a energetický metabolismus rostlin

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) 32 ATP
  • 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