Shrnutí na Fotosyntéza a metabolismus rostlin

## Úvod Fotosyntéza je základní biologický proces, kterým fotoautotrofní organismy přeměňují světelnou energii na chemickou energii uloženou v organických sloučeninách. Tento materiál shrnuje evoluci fotosyntetizujících organismů, stavbu chloroplastu a mechanizmy fotochemické části oxygenní fotosyntézy tak, aby byl srozumitelný pro samostudium. > Definice: Fotosyntéza je proces, při kterém se **světelná energie** mění na **chemickou energii** za současného vázání anorganického uhlíku do organických látek. ## 1. Evoluce fotosyntézy — stručně ### Hlavní kroky evoluce - První fotoautotrofní organismy se objevily před miliardami let. Postupně se vyvinuly různé formy fotosyntézy. - Rozlišení podle donoru elektronů: - **Anoxygenní fotosyntéza**: donorem elektronů jsou sloučeniny jako sirovodík nebo organické kyseliny; pigmenty jsou bakteriochlorofyly; pouze jedno reakční centrum. - **Oxygenní fotosyntéza**: donorem elektronů je voda; vzniká kyslík; pigmenty chlorofyly a, b; zahrnuje dva fotosystémy (I a II). > Definice: Anoxygenní fotosyntéza je fotosyntéza, při které se nevytváří kyslík protože donorem elektronů není voda. Did you know that anoxygenní fotosyntéza pravděpodobně předcházela oxygenní fotosyntéze v evoluci Země? ## 2. Evoluce eukaryotických buněk rostlin - Endosymbiotická teorie: heterotrofní eukaryotická buňka pohltila eubakterii -> vznik mitochondrie; později pohlcení fotoautotrofní sinice -> vznik plastidu (chloroplastu). - Výsledkem: eukaryotická rostlinná buňka obsahuje **jádro**, **mitochondrie** a **plastidy** (chloroplasty). > Definice: Chloroplast je semi-autonomní organela rostlinné buňky vzniklá z endosymbiózy fotoautotrofní bakterie. ## 3. Stavba chloroplastu a plastidový genom ### Struktura chloroplastu - Dvojitá obalová membrána - Thylakoidní systém: ploché váčky (grana a stroma lamely) - Stromatický prostor (stroma) obsahuje enzymy pro asimilační a biosyntetické procesy ### Specifické znaky - Semi-autonomní organely s vlastním genomem (kruhová DNA), vlastní proteosyntézou částečně - Thylakoidní membrána bohatá na galaktolipidy - Plastidy obsahují asi 300 druhů proteinů, z nichž cca 90 syntetizují přímo ### Plastidový genom - Kruhová DNA, 10–200 kopií na plastid - Asi 90 genů kóduje hlavně proteiny enzymaticky důležité pro funkci stromatu - Zbytek genetické informace se týká genové exprese (různé RNA) Fun fact: Chloroplasty mají vlastní DNA, proto některé genetické znaky rostlin dědí cytoplasmou, ne jen z jaderné DNA. ## 4. Hlavní procesy v chloroplastech - Fotochemické procesy v thylakoidech (primární přeměna světla) - Biochemické procesy ve stromatu (např. asimilace CO2, syntéza škrobu, proteinů a pigmentů) - Dále asimilace dusíku a síry a respirace > Definice: Thylakoid je membránový váček uvnitř chloroplastu, kde probíhá fotochemická část fotosyntézy. ## 5. Organizace proteinových komplexů v thylakoidní membráně - Hlavní komplexy: **Fotosystém II (PS II)**, **Cytochromový komplex**, **Fotosystém I (PS I)**, **ATP-syntáza** - Rozmístění: PS I a ATP-syntáza na částech membrány komunikujících se stromatem; PS II převážně v přitisklé části (grana) Tabulka: Rozdíly mezi PS II a PS I | Vlastnost | Fotosystém II (PS II) | Fotosystém I (PS I) | |---|---:|---:| | Hlavní pigment v reakčním centru | P680 | P700 | | Hlavní funkce | Oxidace vody, přenos elektronů na plastochinon | Redukce feredoxinu, přenos na NADP | | Umístění v thylakoidech | Grana (přitisklá část) | Volné části membrány | | Anténní chlorofyly | a + b, vnější i vnitřní antény | a + b, velké antény | | Speciální součásti | Klastr Mn pro štěpení vody | Fe-S proteiny pro přenos na feredoxin | ## 6. Mechanismus primárních fotochemických procesů ### Od absorpce světla po tvorbu NADPH a ATP (lineární transport) 1. Absorpce fotonů anténními pigmenty -> přenos excitační energie k reakčnímu centru 2. V PS II se P680 ionizuje a elektron putuje na plastochinon; elektrony doplňuje štěpení vody (uvolní se O2) 3. Plastochinon přenáší elekt