Velkaencyklopedie - Vše, co potřebujete do školy

 Látkový a energetický metabolismus rostlin

-      metabolismus = neustálá přeměna látek a energií -> soubor chemických reakcí, probíhá neustále

-       v metabolismu rozlišujeme dva typy protichůdných reakcí (jsou spolu těsně propojeny a vzájemně se podmiňují):

·         anabolismus = (asimilace) = biosyntetické – skladné procesy

o   z jednodušších látek vznikají látky složitější 

o   energie se spotřebovává = endergonické děje (spotřeba ATP) např. fotosyntéza

·         katabolismus = (disimilace) = rozkladné procesy

o   z látek složitějších vznikají látky jednodušší

o   energie se uvolňuje = exergonické děje (produkce ATP), např. dýchání

-      jednotlivé metabolické reakce na sebe navazují prostřednictvím meziproduktů (tzn. produkt jedné reakce je substrátem následující reakce) => vnikají řetězce reakcí 

·         metabolické dráhy (např. glykolýza = metabolická dráha v procesu štěpení glukózy)    

·         metabolické procesy nejsou možné bez enzymů

o   ENZYMY= látky bílkovinné povahy (v 1 buňce až několik desítek tisíc)

§  funkce: biokatalyzátory = urychlují a usnadňují reakce

Přenos energie v buňce

-      každý živý organismus potřebuje neustále energii, přijímá ji ze svého okolí jako energii chemická vazeb nebo jako energii světelnou (jen buňky s chlorofylem dovedou využívat energii fotonů -světelnou energii)

-      energetický metabolismus buňky podléhá zákonům termodynamiky

·         energie nevzniká ani nemizí, pouze dochází k přeměně z jedné formy na jinou

-      zdrojem energie v buňce je energie chemicky vázaná (uvolňuje se při katabolických reakcích, při štěpení živin = organ.látek bohatých na energii chemických vazeb)

·         tato energie je schopna konat práci = volná energie (= Gibbsova), část uvolněné energie je vydávána ve formě tepla

-      uvolněná energie není využita přímo, ale prostřednictvím speciálních sloučenin (přenašečů)

·         mají schopnost uvolněnou energii zachytit, uložit, rozvádět po buňce, podle potřeby uvolnit, aby ji buňka mohla využít

·         => makroergické sloučeniny = obsahují velké množství energie (energie chemických vazeb)

o    tyto sloučeniny tvoří spojovací článek mezi exergonické a endergonické reakcemi

-      nejdůležitějším (univerzálním) přenašečem energie v buňkách je ATP = adenosintrifosfát

·         fosfáty jsou navzájem vázány vazbou, která obsahuje velké množství energie a je snadno štěpitelná = makroergní vazba (= energií bohatá vazba)

o   přenos energie v buňce je vždy spojen s přenosem fosfátu

o   základem je tato vratná reakce:

                                                                                <--------

                                      ADP     +  P + energie    ------->  ATP   +  H2 0

§   energie se z  ATP uvolňuje štěpením makroergní vazby

v   tvorba ATP z   ADP (adenosindifosfát) a  P  (anorganického fosfátu) se označuje jako fosforylace

§   probíhá především v mitochondriích (a také v chloroplastech při fotosyntéze=fotofosforylace)

o    molekuly ATP jsou pohotovostním zdrojem energii (k okamžitému použití v rámci buňky)

o   dlouhodobě je energie uchovávána ve formě zásobních organ.látek (sacharidy, lipidy, bílkoviny),

§  zásobní polysacharidy:

v  glykogen pro živočichy  

v  škrob pro rostliny

Dělení organismů podle charakteru metabolismu

1)   Heterotrofie

-       organismy mohou využívat pouze energii chemicky vázanou v organ.látkách přijatých z okolí

-       Heterotrofní organismy: většina baktérií, houby, živočichové

2)   Autotrofie

-       mohou tvořit z látek anorganické látky organické, za pomoci energie (světelné-fotosyntéza)

-       uhlík přijímají ve formě CO2

-       zelené rostliny, sinice, některé bakterie

Fotosyntéza

-      základní anabolický proces zabezpečující život na Zemi

-      zachycuje sluneční energii a používá ji k syntéze energeticky bohaté organické látky z jednoduchých, energeticky chudých anorganických látek

-      přeměna energie světelné na chemickou

-      silně endergonický děj

-     

                        6CO₂ + 12H₂O ────>  C₆H₁₂O₆ +  6H₂O +  6O2

                                                                     glukóza

-      schopnost fotosyntézy mají prokaryotní organismy (sinice, některé bakterie) a eukaryotní organismy (rostliny)

-       celý proces fotosyntézy probíhá (u eukaryot) v chloroplastech, za účasti fotosyntetických barviv

·             membrána tylakoidů a stroma, matrix

o   = bílkovinná hmota vyplňující chloroplast (matrix)

Fotosyntetická barviva 

-      chlorofyly a, b, c, d = zelená barviva, absorbují nejúčinnější část světelného záření (400-700 nm).

·         chlorofyl a + b = vyšší rostliny

·         chlorofyl a + c = hnědé řasy

·         chlorofyl a + d = červené řasy

-      další pigmenty - karotenoidy (karoteny + xantofyly) - účastní se přenosu fotonů

-      základním fotosyntetickým barvivem je chlorofyl a = jako jediný se přímo účastní fotosyntézy, je schopen využít zachycenou energii sluneční záření

-      doplňková barviva (chlorofyl b, c a karotenoidy)

·         = mají funkci lapačů světla a předávají fotony molekule chlorofylu a (foton = elementární množství elektromagnet. Záření)

-      molekuly fotosyntetických pigmentů (=barviv) se v membránách tylakoidů seskupují do systémů (v systému je až 500 molekul)

·         tyto molekuly vytvářejí jakousi past na zachycování dopadajících fotonů = fotonová past

Fotosynteticky účinné světlo

-      sluneční světlo = elektromagnetické záření dopadající na zemský povrch

-      rostliny z něj využívají při F pouze oblast viditelného světla v rozmezí vlnových délek 400-700 nm = fotosynteticky účinné záření

-      jednotlivá fotosyntetická barviva výběrově zachycují jen záření v určitém rozsahu vlnových délek

(proto je pro R výhodná kombinace více barviv)

-      barva fotosyntetických pigmentů je barvou doplňkovou k barvě pohlcené části slunečního spektra

·         Např. chlorofyly a , b  pohlcují modrou (420-490nm) a červenou (620-680nm) část spektra, zbývající část spektra zelené a žluté odrážejí -> proto vidíme rostliny zeleně zbarvené!

Průběh fotosyntézy

-      fotosyntéza probíhá ve 2 oddělených, ale na sebe navazujících procesech (dějích)

-      podle závislosti reakcí na osvětlení:

·         1) Primární procesy (světelná fáze)

o   přímo závislá na světle,

o   dochází k přeměně energie světelné na chemickou (= fáze fotochemická)

o   probíhá v membránách tylakoidů

o   zahrnuje pohlcení světla fotosyntetickými barvivy, redukci koenzymu, tvorbu ATP, fotolýzu vody

·         2) Sekundární procesy (temnostní fáze)

o   nevyžaduje světlo 

o   přeměna látek (=fáze syntetická) probíhá ve stromatu chloroplastů

o   zahrnuje redukci CO2 a vznik šestiuhlíkatého cukru (=glukóza)

Primární procesy fotosyntézy

-      světelná energie se přemění na energii chemických vazeb (ATP) a uvolňuje se kyslík

-      molekuly asimilačních pigmentů se seskupují do systémů = FOTOSYSTÉMU (liší se od sebe pigmentové složením a účinností v jiné oblasti záření)

-      Je jich mnoho a jsou zabudovány do membrány tylakoidů.

-      V každém fotosystému se nachází: 

·          A/ Molekuly pigmentů (několik set)- zachycují a vedou fotony k účinné molekule chlorofylu a

·          B/ Přenašeče elektronů

-      Primární procesy se uskutečňují ve

·         2 pigmentových systémech, dvěma světelnými reakcemi:

o   ve fotosystému I – první světelnou reakcí

o   ve fotosystému II- druhou světelnou reakcí

  FOTOSYSTÉM I

-      aktivní chlorofyl Chl aI  , absorbuje fotony s vlnovou délkou 700 nm= pigment 700=P700

  FOTOSYSTÉM II

-      aktivní chlorofyl Chl aII  , absorbuje fotony s vlnovou délkou 680 nm = pigment 680=P680

-      Primární proces probíhá na světle a je zahájen absorpcí (pohlcením) fotonů molekulou chlorofylu a -> dostává se do excitovaného stavu (vzbuzeného - stav s vyšší hladinou energie)

-      Molekula chlorofylu a uvolní excitovaný elektron (obohacený o energii fotonu) a vrací se do základního stavu ochuzená o jeden elektron (ionizovaná) a chybějící elektron si doplní (viz dále).

-       Excitovaný elektron e- se pohybuje po membráně tylakoidů přes systém přenašečů  (několik např.ferredoxin)

-      Během přenosu odevzdávají elektrony postupně přijatou světelnou energii (fotonů). -> ta je využita k tvorbě ATP (přeměna na energii chemických vazeb).

·         Tvorba ATP při fotosyntéze = FOTOFOSFORYLACE (2 způsoby) :

o       A) CYKLICKÁ

o       B) NECYKLICKÁ

A/ CYKLICKÁ FOTOFOSFORYLACE

·         podílí se na ní pouze fotosystém I a slouží k získání energie ve formě ATP (probíhá v kruhu, elektrony se vracejí na původní fotosystém I )

o   ve fotosystému I 2 molekuly Chl aI  P700 excitují dvěma fotony, jež absorbovaly, dojde k uvolnění 2 elektronů 2e-   (z každé mol.ChlaI jeden)

§  2e- se pohybují přes systém přenašečů (např. ferredoxin) vracejí se nazpět ke dvěma ionizovaným molekulám Chl aI  P700, kterými si doplní chybějící elektrony

v  během přenosu přes systém přenašečů odevzdávají elektrony 2e- přijatou světelnou energii (fotonů), ta je využita k tvorbě ATP

B/  NECYKLICKÁ FOTOFOSFORYLACE

·         podílí se na ní oba fotosystémy (I, II), je doplněna procesem fotolýza vody

·         vytváří se koenzym NADPH+H  (redukční činidlo pro sekundární procesy), ATP a kyslík

·         ve fotosystému I excitují 2 mol. Chl aI  P700 dvěma fotony, dojde k uvolnění 2 elektronů 2e-

o   2e- se pohybují přes systém přenašečů až na ferredoxin (nevrací se zpět na mol.Chl a I P700 ), dál přes jiné přenašeče až na konečného příjemce, kterým je koenzym NADP (nikotinamidadenindinukleotidfosfát)

§  chybějící 2e- si ionizované mol. Chl aI  P700 musí doplnit (z fotosystému II)

v  ve fotosystému II excitují 2mol. Chl aII   P680 dvěma fotony, které absorbovaly, dojde k uvolnění 2 elektronů 2e-

o   2e- se pohybují přes systém přenašečů (2e- odevzdávají energii), tvorba ATP, nakonec doplní chybějící 2e- ionizovaným molekulám Chl aI   P700 z fotosystému I (dochází k propojení obou fotosystémů)

FOTOLÝZA VODY

·         = rozklad molekul vody pohlcenou světelnou energií na kyslík, protony a elektrony. (je těsně spřažena s necyklickým tokem elektronů, doplňuje oba fotosystémy)

                     energie fotonů

             H₂O     ¾®      1/2 O₂   +   2H⁺   +   2e^-

·         Výsledek: kyslík  O2  uniká do ovzduší

o    elektrony  2e^-  doplní chybějící elektrony dvěma ionizovaným molekulám  Chl aII  ve fotosystému II

o   protony   2H⁺  se připojí na koenzym NADP a společně s  2e^-  z fotosystému I (z necyklické fotofosforylace) redukují koenzym NADP na redukovanou formu NADPH + H (= redukční činidlo pro redukci CO2  v sekundárních procesech)

                    2H⁺  +  2e^-   =  2H  --------- vodíky redukují NADP   na   NADPH  + H

·         VÝSLEDEK PRIM. PROCESU:

o   NADPH + H, ATP (obojí je využito v sekundárních procesech), kyslík (vedlejší produkt, uniká do ovzduší)

Sekundární procesy fotosyntézy

-      Navazuje přímo na primární procesy.

-      Probíhá nezávisle na světle, ale podmínkou je dostatečná zásoba ATP a NADPH (z  primárních procesů).

-      Jde o syntézu sacharidů z CO2  za pomoci redukčního činidla NADPH + H a energie ATP.

-      Probíhá ve stromatu chloroplastů několika metabolickými reakcemi. Nejznámější je:

·            CALVINŮV CYKLUS

o   Zahrnuje řadu enzymatických reakcí (mnoho meziproduktů) a má cyklický charakter.

§  Nejprve je CO2  navázán (fixace) na organ. sloučeninu (pentóza).

v  Následují biochemické reakce, při nichž dochází k redukci CO2  (redukčním činidlem NADPH) a k postupné přeměně na sacharidy.

o   Konečným produktem je GLUKÓZA.

§  Ta je zapojena do celé řady enzymatických reakcí a stává se výchozí látkou pro vznik dalších organ.látek (škrobu, celulózy, lipidů, organ.kyselin)

-      Produktivita fotosyntézy - množství organické látky vzniklé za určitou dobu na jednotku listové plochy.

Faktory ovlivňující fotosyntézu

-      Vnitřní:

·         celkový fyziologický stav rostliny - stáří listů, množství chlorofylu …

-      vnější:           

·         1/ světlo:

o   fotosyntézu ovlivňuje intenzita světla, kvalita světla (vlnová délka-spektrální složení-nejúčinnější je červené a modré světlo) a doba působení

·         2/ teplota:

o   fotosyntéza probíhá od 0^oC do 60^oC, optimum je 25 - 30^oC, u jehličnanů probíhá i při teplotách pod nulou

·         3/ koncentrace CO₂:

o   ve vzduchu je cca 0,03% CO₂, toto množství není pro průběh fotosyntézy optimální, zvyšování jeho koncentrace se dá provádět jen ve sklenících - dosahuje se vyšších výnosů.

·         4/ voda:

o    pro fotosyntézu naprosto nezbytná, při jejím nedostatku se uzavírají průduchy, což znemožňuje přísun oxidu uhličitého do pletiv.