Fizjologia i Regulacja Metabolizmu. Jarosław Szczepanik. Instytut Biologii Eksperymentalnej i Biotechnologii Roślin

Transkrypt

1 FOTOSYNTEZA I PROCESY ODDECHOWE ROŚLIN Fizjologia i Regulacja Metabolizmu Jarosław Szczepanik Instytut Biologii Eksperymentalnej i Biotechnologii Roślin

2 Plan prezentacji 1 Wstęp Rośliny jako fotoautotrofy 2 Fotosynteza Chloroplasty Faza jasna Faza ciemna Fotoooddychanie Ekofizjologiczne typy fotosyntezy 3 Oddychanie Wymiana gazowa i oddychanie komórkowe Mitochondria 4 Podsumowanie Fotosynteza i oddychanie porównanie

3 Fotosynteza i wymiana gazowa fotosynteza definiowana jako produkcja związków organicznych z dwutlenku węgla i wody przy udziale światła definicja sumarycznie poprawna ale źle rozumiana wymiana gazowa u roślin wypadkowa fotosyntezy i procesów oddechowych rośliny jako paradoks największe organizmy lądowe nie mają układu do wymiany gazowej

4 Trofia

5 Fotosynteza wśród eukariontów autotrofy, miksotrofy oraz grupy zawierające zarówno auto- jak i heterotrofy, wtórne heterotrofy, heterotrofy Zhao i in., 2012

6 Organizm roślinny system niejednorodny troficznie Łodyga bywa nierzadko dodatkowym organem zdolnym do fotosyntezy. U niektórych roślin (np. katusy) potrafi całkowicie przejąć funkcje liści!

7 Cudzożywne rośliny, samożywne zwierzęta heterotroficzne rośliny nie mają barwników fotosyntetycznych, często również liści są albo pasożytami albo mykohetrotrofami rośliny drapieżne NIE są heterotrofami samożywne zwierzęta są niezwykle rzadkie horyzontalny transfer genów

8 Biogeneza chloroplastów chloroplasty jako efekt endosymbiozy przodkiem chloroplastów (dół) był organizm podobny do sinic (góra, środek) transfer genów do jądra wymagania świetlne chloroplastów dyktują rozmieszczenie roślin światło reguluje wiele procesów fizjologicznych rośliny

9 Endosymbioza pierwotna i wtórna endosymbioza pierwotna z sinicą przynajmniej dwukrotnie (przodkowie roślin oraz pierwotniak Paulinella) inne organizmy fotosyntetyczne (np. brunatnice) zyskały chloroplasty w wyniku endosymbiozy wtórnej (wielokrotnie, niezależnie) chloroplasty z endosymbiozy pierwotnej mają tylko dwie błony, z wtórnej więcej kolory komórek: turkusowy sinica/chloroplast z endosymbiozy pierwotnej, zielony rośliny i ich krewni, fioletowy eugleny i ich krewni, żółty protisty z kladu Rhizaria, niebieski brunatnice + krewni oraz okrzemki + krewni, czerwony chloroplasty krasnorostów Keeling, 2004

10 Budowa chloroplastu rozmiary chloroplastów: zwykle 2 10 µm Grouneva i in., 2013

11 Faza jasna fotosyntezy

12 Faza jasna fotosyntezy Faza jasna fotosyntezy wymaga obecności światła i wody (dwutlenek węgla zbędny); jej produktami są NADPH (siła redukcyjna), ATP i tlen jako produkt uboczny (pochodzi on z fotolizy wody)

13 Barwniki asymilacyjne (fotosyntetyczne) światło jest pochłaniane przez barwniki asymilacyjne najważniejsze to chlorofile (zielone) i karotenoidy (żółte) mają podobne szlaki biosyntezy poszczególne barwniki różnią się tzw. widmem czynnościowym (= zakres promieniowania, jakie dany barwnik może pochłonąć) PAR promieniowanie fotosyntetycznie czynne: zakres w jakim działają barwniki asymilacyjne ( nm) różne gatunki i typy roślinności inaczej pochłaniają i odbijają światło PAR w teledetekcji

14 Chlorofil w akcji chlorofile zawierają pierścień porfirynowy chlorofil może pochłonąć niebieski lub czerwony kwant światła, co powoduje wzbudzenie elektronu (kwant niebieski wybija elektron na wyższy stan wzbudzenia niż czerwony) wzbudzenie może zostać przekazane kolejnej cząsteczce chlorofilu jeśli ta znajduje się w centrum reakcji fotosystemu, może dojść do wybicia elektronu na kolejny przenośnik (feofityna) jeśli wzbudzenie nie może zostać przekazane, elektron wraca do stanu podstawowego, emitując czerwony kwant światła (autofluorescencja) pomiar autofluorescencji chlorofilu pozwala ocenić stan fizjologiczny rośliny

15 Siedlisko a chlorofile widmo chlorofilu b bardziej przesunięte ku czerwieni zawartość chlorofilu b inna u roślin cienio- i światłolubnych stosunek chl a/chl b wskaźnikiem siedliska stosunek ten zmienia się też z wiekiem rośliny

16 Fotosystemy: PS I i PS II fotosystemy składają się one z centrum reakcji oraz białek antenowych (LHC Light Harvesting Complex) w zależności od potrzeb białka antenowe i same fotosystemy zmieniają wielkośc i ułożenie w błonach oprócz chlorofilu a anteny zawierają również chlorofil b oraz karotenoidy anteny działają jak studnie pochłaniające światło i odbijające je do centrum reakcji Buchanan, 2000

17 Budowa anten Scheuring, 2004

18 PS I i PS II różnice PS I jest wydajniejszą pułapką świetlną PS II jest wrażliwszy na uszkodzenia PS I jest zlokalizowany w miejscach bardziej eksponowanych na działanie światła (tylakoidy stromy, zewnętrzna część tylakoidów gran)

19 Nadmiar światła szkodzi FOTOINHIBICJA nadmiar energii uszkadza fotosystemy (zwłaszcza PS II) uszkodzenie fotosystemów przez nadmiar światła prowadzi do zatrzymania fotosysntezy i nosi nazwę fotoinhibicji fotoinhibicja zachodzi nawet przy słabym świetle (raz na mln pochłonietych fotonów) fotoinhibicja jest procesem odwracalnym przed fotoinhibicją chronią m. in. rearanżacje rozmieszczenia PS II w błonie, sterowane przez cykle fosforylacji/defosforylacji (state transitions)

20 Nadmiar światła szkodzi FOTOOKSYDACJA nadmiar fotonów powoduje również, iż łańcuch transportu elektronów zapycha się może wówczas dojść do powstania reaktywnych form tlenu (ROS) fotooksydacji roślina posiada szereg mechanizmów ochronnych przed nadmiarem (niżej) światła: cykl ksantofilowy, wielkość i skład anten, fosforylacja fotosyntetyczna cykliczna cykl ksantofilowy to przemiany karotenoidów pozwalające na zneutralizowanie nadmiaru światła

21 Fosforylacja cykliczna i niecykliczna Fosforylacja niecykliczna biorą udział PS I i PS II, fotoliza wody, powstają NADPH, tlen, ATP Fosforylacja cykliczna bierze udział tylko PS I; spadek po bakteriach; powstaje tylko ATP; tryb awaryjny gdy brak NADP + lub gdy PS II nie może transportować elektronów

22 Cykl Calvina-Bensona faza ciemna fotosyntezy zachodzi w stromie chloroplastów nie wymaga światła wykorzystuje NADPH oraz ATP wyprodukwane w fazie jasnej dopiero tutaj zachodzi asymilacja CO 2 (PCA primary carbon assimilation) oraz jego redukcja do cukrów (PCR primary carbon reduction) dla większości roślin ( 90%) PCA i PCR zachodzą w tym samym czasie i miejscu, podczas cyklu Calvina-Bensona tak zachodzącą fotosyntezę nazywamy fotosyntezą C 3 pierwszy stabilny produkt wiązania dwutlenku węgla (aldehyd 3-fosfoglicerynowy) jest związkiem trójwęglowym ostatecznym produktem cyklu Calvina-Bensona są cukry (sacharoza) z uwagi na ciągłe zapotrzebowanie na ATP i NADPH, faza ciemna zachodzi równolegle z jasną

23 RuBisCO podstawa życia na Ziemi RuBisCO (karboksylaza-oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanowa) to główny enzym cyklu Calvina wiąże on CO 2 do RuBP (rybulozo-1,5-bisfosforanu) mała (kodowana przez genom jądrowy) i duża (genom chloroplastowy) podjednostka; cały enzym oktamerem najliczniejsze białko na Ziemi u większości roślin stanowi około 50% białek enzym niezwykle powolny (kilka kilkanaście obrotów na sekundę) może również przyłączać do RuBP tlen, co daje początek fotooddychaniu

24 Fotoooddychanie proces wydzielania dwutlenku węgla na świetle wynika z utleniania RuBP przez RuBisCO ma miejsce przy zmniejszonej dostawie CO 2 do liścia (np. pod wpływem zamykania aparatów szparkowych w upalny dzień) zaszłość ewolucyjna czy wentyl bezpieczeństwa? fotooddychanie ma na celu zneutralizowanie toksycznego produktu tej reakcji (fosfoglikolan) angażuje kilka organelli (chloroplasty, mitochondria, peroksysosmy) prowadzi do utraty 25 40% CO 2 związanego w cyklu Calvina-Bensona, obniżając wydajność fotosyntezy proces niekorzystny z punktu widzenia gospodarki

25 Fotoooddychanie i wydajność fotosyntezy chloroplasty absorbują około 37% padających na nie fotonów (47% jest poza PAR, a 1/3 z pozostałych pada na inne części komórek) z powyższych 37% jedna czwarta tracona jest pod postacią autofluorescencji i ciepła pozostało 28% pierwotnej ilości energii padającej na liść, która jest zamieniana na ATP i NADPH, z tego jednak tylko jedna trzecia (9%) wykorzystywana jest w cyklu Calvina-Bensona 30 40% energii traconej jest następnie w fotooddychaniu pozostaje 5 6% wydajność baterii słonecznych: 6 20%

26 Fotoooddychanie i klimat najbardziej narażone na fotooddychanie są rośliny strefy międzyzwrotnikowej i z siedlisk otwartych (nieleśnych) dlaczego? równowaga pomiędzy reakcją karboksylacji i utleniania przez RuBisCO zależy od stężenia CO 2 i O 2 w atmosferze Berner, 1999; Berner i Kothavala, 2007; Saltzman i in., 2011

27 Fotoooddychanie i klimat najbardziej narażone na fotooddychanie są rośliny strefy międzyzwrotnikowej i z siedlisk otwartych (nieleśnych) dlaczego? równowaga pomiędzy reakcją karboksylacji i utleniania przez RuBisCO zależy od stężenia CO 2 i O 2 w atmosferze RuBisCO wyewoluowało w warunkach wysokiego stężenia CO 2 Berner, 1999; Berner i Kothavala, 2007; Saltzman i in., 2011

28 Fotoooddychanie i klimat najbardziej narażone na fotooddychanie są rośliny strefy międzyzwrotnikowej i z siedlisk otwartych (nieleśnych) dlaczego? równowaga pomiędzy reakcją karboksylacji i utleniania przez RuBisCO zależy od stężenia CO 2 i O 2 w atmosferze RuBisCO wyewoluowało w warunkach wysokiego stężenia CO 2 okresy o niekorzystnym stosunku obydwu gazów oznaczały nasilenie procesu fotooddychania (zielone prostokąty) Berner, 1999; Berner i Kothavala, 2007; Saltzman i in., 2011

29 Sposób na fotooddychanie około 10% roślin znalazło wydajny sposób na wyeliminowanie fotoddychania jaki? eliminowana jest przyczyna tego procesu niskie stężenie CO 2 oraz obecność O 2 w pobliżu RuBisCO (pompa CO 2 ) CO 2 jest pompowany pod postacią czterowęglowych kwasów organicznych dochodzi do rozdziału PCA i PCR może być to rozdział przestrzenny (PCA zachodzi w innej tkance/kompartmencie komórkowym niż PCR tylko tu RuBisCO) fotosynteza C 4 lub czasowy (PCA zachodzi nocą, PCR w dzień) fotosynteza CAM

30 Fotosynteza C 4 PCA pierwotna asymilacja węgla = związanie CO 2 do związku organicznego (karboksylacja) PCR pierwotna redukcja węgla = włączenie CO 2 do cyklu Calvina-Bensona Fotosynteza C 3 PCA = PCR RuBisCO Fotosynteza C 3 pierwszy stabilny produkt wiązania CO 2 to związek 3-węglowy (PGA) Fotosynteza C 4 pierwszy stabilny produkt wiązania CO 2 to związek 4-węglowy (OAA) U ROŚLIN C 4 : 2 kompartmenty (PCA i PCR, najczęściej 2 różne komórki) intensywny przepływ metabolitów między kompartmentami RuBisCO i PEPC (karboksylaza fosfoenolopirogronianowa) nigdy razem

31 Wstęp Fotosynteza Oddychanie Fotosynteza C4 anatomia Kranz rośliny C3 mezofil (M) luźno ułożony, zielony; pochwy okołowiązkowe (BS) najczęściej bez chloroplastów, nie biorą udziału w fotosyntezie rośliny C4 mezofil ściśle przylega do wiązek mezofil typu Kranz (KMS); BS duże, zawierają chloroplasty u C4 PCA = KMS; PCR = BS; chloroplasty BS często bez PS II (nie wydzielają tlenu) wyjąkowo rośliny z fotosyntezą C4 zachodzącą w jednej komórce podzielonej na 2 kompartmenty J. Szczepanik BiBS, FiRM: Energia Podsumowanie

32 Fotosynteza C 4 budowa i funkcja Briza minor C 3 Digitaria sp. C 4 Pennisetum villosum lokalizacja RuBisCO (żołty, tylko w BS) U roślin C 4 z anatomią typu Kranz RuBisCO występuje tylko w dosyć nielicznych komórkach BS, stąd dla poprawienia wydajności fotosyntezy konieczne jest gęstsze upakowanie wiązek w liściu Ueno, 2006

33 Wstęp Fotosynteza Oddychanie Podsumowanie Ewolucja fotosyntezy C4 Fotosynteza C4 wyewoluwała niezależnie prawie 70 razy u około 20 rodzin roślin okrytozalążkowych (i tylko w tej grupie). Większość roślin C4 to wiechlinowate (60%), turzycowate (20%), oraz komosowate i krewni (za Sage, 2011). J. Szczepanik BiBS, FiRM: Energia

34 Rośliny C 4 zboża i gatunki ważne gospodarczo

35 Rośliny C 4 gatunki niechciane

36 Fotosynteza C 4 konsekwencje pompa CO 2 pozwala na 20-krotne zwiększenie stężenia tego gazu w pobliżu RuBisCO w stosunku do roślin C 3 jedynie 3% roślin ma fotosyntezę C 4, ale wiążą 30% CO 2 w ekosystemach lądowych fotosynteza C 4 wyewoluowała w strefie międzyzwrotnikowej, stąd wiele roślin C 4 nie najlepiej znosi chłód dzięki pompie CO 2 fotosynteza może zachodzić nawet przy zamkniętych aparatach szparkowych lepsze gospodarowanie wodą (ale nie są odporne na suszę) niska zawartość RuBisCO (tylko w niektórych komórkach) sprawia, że rośliny C 4 lepiej gospodarują azotem bardzo często gatunki inwazyjne wady niska wydajność w siedliskach zacienionych oraz większa odporność na chłód (ale są one wynikiem historii ewolucyjnej przodków roślin C 4 a nie samej fotosyntezy)

37 Fotosynteza CAM CAM = Crassulacean Acid Metabolism; Crassulaceae = gruboszowate fotosynteza CAM pozwala oszczędzać wodę i umożliwia wiązanie CO 2 nawet w warunkach skrajnej suszy, przy zamkniętych aparatach szparkowych unikanie fotooddychania jest ubocznym procesem ochrony przed utratą wody (podobnie jak przy ewolucji roślin C 4 ) cykl C 4 identyczny z tym u roślin C 4. U roślin CAM jednak PCA ma miejsce w nocy, a PCR w dzień.

38 Fotosynteza CAM fotosynteza CAM zachodzi w pojedynczej komórce (mezofil) kluczową rolę odgrywa wakuola, będąca magazynem jabłczanu (OAA) gromadzonego w nocy poziom enzymów cyklu C 4 regulowany przez zegar biologiczny większość roślin CAM jest elastyczna w zależności od warunków otoczenia może przełączać fotosyntezę pomiędzy C 3 a CAM pod koniec dnia, gdy w zamkniętym liściu gromadzi się dużo tlenu z fazy jasnej, intensywne fotooddychanie jako ochrona przed ROS tracony CO 2 nie ucieka z liścia, podlega refiksacji przez RuBisCO

39 Ważne rośliny CAM

40 Fotosynteza CAM konsekwencje fotosynteza CAM częsta wśród sukulentów i epifitów (storczyki, ananasowate) fotosynteza CAM wyewoluowała w 35 rodzinach roślin, w tym poza okrytozalążkowymi najprawdopodobniej istniała już 300 Ma temu gatunki CAM to 6% wszystkich roślin; lokalnie mają duże znaczenie ekologiczne fotosynteza CAM wiąże się z ogromną oszczędnością wody (potrzeby rośliny CAM to 5 10% potrzeb rośliny C 3 ) wadą fotosyntezy CAM jest wysoki koszt utrzymania (tkanka magazynująca) oraz niski potencjał wzrostu (fotosyntezę przeprowadzają przekształcone liście lub łodygi) liście potrzebują silnego światła aby nadrobić niską wydajność fotosyntezy

41 Procesy oddechowe u roślin wymiana gazowa = bilans pobierania tlenu i CO 2 : u roślin 2 grupy takich procesów fotosynteza i procesy oddechowe tu oddychanie definiowane jako proces zużywający tlen i wydzielający dwutlenek węgla u roślin trzy takie procesy: oddychanie mitochondrialne, chlorooddychanie, fotooddychanie wymianę gazową u roślin mierzy się ustalając punkt kompensacyjny CO 2 stężenie dwutlenku węgla, przy jakim jego pobieranie w procesie fotosyntezy jest równoważone przez jego wydzielanie w procesach oddechowych punkt kompensacyjny inny za dnia i nocą, inny u roślin C 3, C 4 (bliski 0), czy CAM

42 Oddychanie mitochondrialne u roślin zachodzi we wszystkich tkankach za dnia, w dojrzałych liściach jest maskowane przez kilkunastokrotnie bardziej intensywną fotosyntezę w tkankach fotosyntetyzujących w ciągu dnia głównym dostawcą ATP są chloroplasty oddychanie mitochondrialne roślin przebiega tak samo jak u zwierząt czy grzybów

43 Uzyskiwanie energii u organizmów tlenowych CZTERY ETAPY: Glikoliza cytoplazma, glukoza rozbijana na 2 cząsteczki pirogronianu; zysk 2 ATP + 2 NADH Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu matriks mitochondrialna, powstaje acetylo-coa; zysk 2 NADH Cykl Krebsa matriks mitochondrialna, całkowite utlenienie acetylo-coa; zysk 2 GTP + 6 NADH + 2 FADH 2 Łańcuch oddechowy błona wewnętrzna mitochondrium; transport elektronów z NADH i FADH ATP

44 Oddychanie tlenowe vs beztlenowe

45 Mitochondria

46 Roślinny łańcuch oddechowy

47 Alternatywne komponenty łańcucha oddechowego cechą chatakterystyczną alternatywnych komponentów łańcucha oddechowego jest udział w niefosforylacyjnym transporcie elektronów (nie powstaje ATP, wydziela się tylko ciepło) białka rozprzęgające występują zarówno u roślin, jak i u zwierząt (np. UCP1 termogenina) alternatywne dehydrogenazy oraz AOX są nie występuja u zwierząt, natomiast są spotykane u innych eukariontów oraz u bakterii obecność AOX można sprawdzić podając mitochondriom cyjanek (inhibitor kompleksu IV oksydazy cytochromowej) zużywanie tlenu w obecności cyjanku jest dowodem na działającą AOX niektóre pasożytnicze pierwotniaki oddychają wyłącznie za pomocą AOX alternatywne komponenty łańcucha oddechowego zmniejszają wydajność oddychania, ale najprawdopodobniej wyewoluowały jako mechanizm obronny przed ROS u zwierząt zostały wyeliminowane ze względów ekonomicznych

48 Stałocieplne rośliny obrazkowate (Araceae) potrafią utrzymywać stałą, wysoką temperaturę niektórych spośród swoich organów (nawet o 30 C wyższą od temperatury otoczenia) mechanizm ten służy rozprzestrzenianiu substancji zapachwych, ochronie kwiatów przed mrozem, kiełkowaniu spod warstwy śniegu za mechanizm ten odpowiada zwiększona aktywność AOX oraz UCP w mitochondriach

49 Fotosynteza i oddychanie porównanie kompartmentacja chloroplastu i mitochondrium jest analoiczna łańcuch oddechowy i chloroplastowy łańcuch transportu elektronów są podobne (cytochromy, syntaza ATP, chinony) zarówno chloroplasty jak i mitochondria są potencjalnymi miejscami generowania ROS mechanizmy obronne przed wolnymi rodnikami McCarthy i Johnson, 2001

50 Podsumowanie fotosynteza składa się z dwóch faz: jasnej (produkuje tlen, siłę redukcyjną i ATP) oraz ciemnej (wiązanie CO 2 ) za pochłanianie energii fotonów odpowiedzialne są anteny fotosyntetyczne, zawierające chlorofile i karotenoidy anteny przekazują wzbudzenie na cząsteczkę chlorofilu a znajdującą się w centrum fotoukładów (PS I lub PS II) rozmieszczenie fotoukładów i wielkość anten zależy od wymagań rośliny oraz aktualnych warunków świetlnych nadmiar energii prowadzi do uszkodzenia fotoukładów (PS II) i fotoinhibicji fotosynteza jest procesem o niskiej wydajności zamiany energii świetlnej na chemiczną rośliny wykształciły szereg mechanizmów chroniących przed przeładowaniem łańcucha transportu elektronów w chloroplastach i, w rezultacie, fotoinhibicją (cykl ksantofilowy, fosforylacja niecykliczna, fluorescencja chlorofilu, fotooddychanie)

51 Podsumowanie najważniejszym enzymem fazy ciemnej jest RuBisCO w warunkach niskiego stężenia CO 2 w liściu RuBisCO przeprowadza reakcję utleniania, której wynikiem jest proces fotooddychania niekorzystny z punktu widzenia wzrostu rośliny fotooddychanie jest szczególnie uciążliwe w okresach geologicznych o niskim stężeniu CO 2, w siedliskach otwartych, w strefie międzyzwrotnikowej istnieją 3 typy fotosyntezy: C 3 (PCA=PCR, fotooddychanie = 1), C 4 (przestrzenny rozdział PCA i PCR, fotooddychanie bliskie 0, szybki przyrost biomasy), CAM (czasowy rozdział PCA i PCR, fotooddychanie zmienne, ochrona przed suszą) rośliny C 4 są niezwykle istotne ekologicznie i gospodarczo oddychanie komórkowe u roślin przebiega podobnie jak u zwierząt roślinne mitochondria zawierają alternatywne komponenty łańcucha oddechowego nieobecne u zwierząt, takie jak AOX (chronią one mitochondria przed ROS, adaptacja do ogrzewania ciała u obrazkowatych)