Podcast na Fotosyntéza: Mechanismus a adaptace rostlin

Kapitoly

Proč je slunce superhrdina?

Světelná fáze: Továrna na energii

Co rostliny vidí?

Antény na střeše chloroplastu

Jízda na elektronovém tobogánu: Z-schéma

Výroba ATP: Protonový nanomotor

Temnostní fáze: Velké pečení cukru

Rostlinné vychytávky: C4 a CAM

Když se to pokazí: Fotorespirace

Zelený klenot buňky

Závěr a rozloučení

Přepis

Ondřej: Představte si Kláru. Sedí u stolu, před ní otevřená učebnice biologie a na stránce… no, chaos. Šipky, zkratky jako ATP, NADPH, molekuly... Vypadá to jako mapa metra z pekla. Klára si povzdechne a říká si: „Tohle se nikdy nenaučím.“

Anna: Jo, ten pocit znám. Vypadá to složitě, ale slibuju, že na konci téhle epizody v tom budeš mít jasno, Kláro. A vy všichni ostatní taky. Posloucháte Studyfi Podcast.

Ondřej: Anno, tak pojďme na to. Fotosyntéza. Všichni víme, že to rostliny dělají, ale co to vlastně je? Proč je to takový zázrak?

Anna: Je to naprostý základ života na Zemi, Ondřeji. Představ si to jako ultimátní solární elektrárnu a zároveň nejlepší kuchyni na světě. Rostliny vezmou energii ze slunečního světla, vodu a oxid uhličitý z atmosféry a vyrobí si z toho vlastní jídlo – cukry.

Ondřej: Takže si doslova vaří oběd ze vzduchu a světla? To je docela sci-fi.

Anna: Přesně tak. A jako bonus u toho vypouštějí kyslík, který dýcháme. Bez fotosyntézy by tu nebyl ani kyslík, ani jídlo. Žádní živočichové, žádní lidé. Nic.

Ondřej: Dobře, to je velký. Jak tenhle proces probíhá? Říkala jsi něco o dvou fázích.

Anna: Správně. Celý ten proces dělíme na dvě hlavní části. První je primární fáze, říká se jí taky světelná. Tam rostlina chytá sluneční energii a mění ji na takové chemické baterky.

Ondřej: Chemické baterky? To se mi líbí.

Anna: A druhá fáze je sekundární, neboli temnostní. Tady už světlo není potřeba. Rostlina vezme ty nabité baterky a s jejich pomocí z oxidu uhličitého postaví molekuly cukru. Je to jako stavění z lega, jen potřebuješ energii z baterek.

Ondřej: Tak se pojďme podívat na tu první fázi. Světelná. Kde se to celé odehrává?

Anna: Všechno se to děje v listech, konkrétně v malých zelených organelách, kterým říkáme chloroplasty. A uvnitř nich jsou takové placaté měchýřky, thylakoidy. Právě v jejich membráně je ta nejdůležitější továrna.

Ondřej: A co vyrábí? Zmínila jsi ty baterky.

Anna: Přesně. Vyrábí dvě klíčové molekuly, dvě nabité baterie. Jedna se jmenuje ATP – to je taková univerzální energetická měna buňky. A druhá je NADPH. To je baterka plná elektronů, taková redukční síla.

Ondřej: ATP a NADPH. To jsou ty zkratky, ze kterých měla Klára hrůzu.

Anna: Jsou, ale teď už víme, že jsou to jen nabité baterky. A nabíječkou je sluneční světlo. Ale co to vlastně světlo je?

Ondřej: No… světlo je prostě světlo, ne? Svítí.

Anna: Pro fyzika je to elektromagnetické záření. Má vlnovou povahu, jako vlny na vodě, ale zároveň i částicovou. Tyhle částice světla se jmenují fotony a každá nese určitý balíček energie.

Ondřej: Takže na rostlinu neustále prší maličké energetické balíčky? Fotonová sprcha?

Anna: Krásně řečeno! A rostlinu zajímá jen určitý typ těchhle fotonů. Konkrétně světlo o vlnových délkách zhruba od 400 do 700 nanometrů. To je viditelné světlo, které vidíme i my.

Ondřej: Dobře, takže rostlina používá stejné světlo, jaké vidíme my. Ale proč jsou listy zelené? To mě vždycky zajímalo.

Anna: Skvělá otázka, která nás vede přímo k jádru věci. Rostliny mají v listech barviva, hlavně chlorofyl. A chlorofyl je tak trochu vybíravý. Miluje modré a červené světlo – to pohlcuje, aby získal energii.

Ondřej: A co to zelené?

Anna: Zelené světlo se mu nelíbí. Takže ho prostě odrazí pryč. A to odražené zelené světlo pak dopadne do našich očí, a proto vidíme listy jako zelené. Rostlina vlastně nosí barvu, kterou nepotřebuje.

Ondřej: Takže kdybych byl rostlina, tak by pro mě zelená lampička byla úplně k ničemu?

Anna: Přesně tak, moc by sis z ní energie nevzal. Potřebuješ modrou a červenou. Když foton – třeba modrého světla – narazí do molekuly chlorofylu, předá jí svou energii. Molekula se tím dostane do excitovaného stavu.

Ondřej: Co to znamená, „excitovaný stav“? Jakože je nadšená?

Anna: Můžeš si to tak představit! Je nabitá energií, nestabilní, jako natažená pružina. A chce se té extra energie co nejdřív zbavit. Modré světlo má víc energie, takže ji „vykopne“ na vyšší energetickou úroveň. Červené světlo má míň energie, takže ji posune na nižší, ale pořád excitovanou úroveň.

Ondřej: A co se děje dál s tou energií?

Anna: Chlorofyl má několik možností. Může energii vyzářit jako teplo nebo jako světlo o trochu jiné barvě, čemuž říkáme fluorescence. To jsou ale ztrátové procesy. Může ji předat jiné molekule. Anebo, a to je to nejdůležitější pro fotosyntézu, může tu energii použít k tomu, aby ze sebe „vystřelil“ elektron.

Ondřej: Takže chlorofyl chytí foton a vystřelí elektron. Dělá to každá molekula chlorofylu zvlášť?

Anna: Ne tak docela. Bylo by to neefektivní. Rostliny na to mají geniální systém. Představ si obrovský satelit, který sbírá signál z vesmíru a soustředí ho do jednoho malého bodu, do přijímače.

Ondřej: Rozumím.

Anna: V thylakoidní membráně jsou takové biologické satelity, kterým říkáme světlosběrné antény. Jsou to komplexy bílkovin, na kterých jsou jako ozdoby navěšené stovky molekul barviv – chlorofyly, karotenoidy, xantofyly…

Ondřej: Takový barevný vánoční stromeček.

Anna: Přesně. A úkolem tohohle stromečku je pochytat co nejvíc fotonů z různých směrů a o různých vlnových délkách. Když jedna molekula chytí foton a excituje se, nepustí elektron, ale předá tu excitační energii jako horký brambor sousední molekule.

Ondřej: A ta další a další…

Anna: Přesně tak. Energie si takhle přeskakuje z molekuly na molekulu, jako vlna v davu na stadionu, a směřuje do jednoho jediného bodu. Do takzvaného reakčního centra.

Ondřej: A tam je co?

Anna: Tam sedí speciální pár molekul chlorofylu A. To je ten hlavní šéf. Až k němu ta energie doputuje, tak teprve on, nabitý energií z celé antény, konečně vystřelí ten klíčový elektron. Tím se spustí celá chemická reakce.

Ondřej: Dobře, elektron je venku. Co se s ním děje dál? Kam letí?

Anna: Teď začíná ta pravá jízda. Letí na takovou molekulární horskou dráhu, které odborně říkáme elektron-transportní řetězec. Kdyby sis nakreslil jeho energetickou úroveň, vypadá to trochu jako písmeno Z ležící na boku. Proto „Z-schéma“.

Ondřej: Z-schéma. Dobře, to si zapamatuju. Z čeho se ta dráha skládá?

Anna: Hlavní atrakce jsou dvě. Jmenují se fotosystém II a fotosystém I. Jsou to obrovské proteinové komplexy v té thylakoidní membráně. Začínáme ve fotosystému II.

Ondřej: Proč II a ne I, když je první na řadě?

Anna: Protože fotosystém I byl objeven jako první. Trochu matoucí, já vím. Takže: světlo dopadne na anténu fotosystému II, energie se soustředí do reakčního centra P680, to vystřelí elektron a ten začne svou cestu.

Ondřej: Počkat. Když chlorofyl v reakčním centru ztratí elektron, co se s ním stane? Zůstane mu tam díra?

Anna: Vynikající postřeh! Musí si ten elektron okamžitě nahradit. A tady přichází jeden z nejúžasnějších procesů v přírodě: fotolýza vody. Fotosystém II je tak silné oxidační činidlo, že dokáže něco neuvěřitelného. Dokáže sebrat elektron molekule vody.

Ondřej: Rozbije vodu?

Anna: Přesně tak. Vezme dvě molekuly vody a rozštěpí je na čtyři protony, čtyři elektrony a jednu molekulu kyslíku. Elektrony si vezme, aby zaplnil díru v reakčním centru. Protony zůstanou uvnitř thylakoidu. A kyslík? Ten je jen vedlejší produkt, který rostlina vypustí do atmosféry.

Ondřej: Takže kyslík, který dýcháme, je vlastně odpad z toho, jak si rostliny berou elektrony z vody. To je neuvěřitelné.

Anna: Je to tak. Ten náš elektron mezitím putuje dál, přes různé přenašeče jako jsou chinony a cytochrom b6f komplex, až dorazí k fotosystému I. Tady ale už ztratil většinu své energie.

Ondřej: Takže potřebuje znovu „nakopnout“?

Anna: Přesně. Fotosystém I a jeho reakční centrum P700 pohltí další foton, znovu elektron nabije energií a vystřelí ho na ještě vyšší energetickou úroveň. A odtud už je jen krůček k finálnímu cíli – k vytvoření té druhé baterky, NADPH.

Ondřej: Dobře, takže máme nabitou baterku NADPH. A co ta první, ATP? Kde se tvoří ta?

Anna: Ta se tvoří v průběhu celé té cesty elektronu. Vzpomínáš, jak při štěpení vody vznikaly protony, tedy ionty H+?

Ondřej: Jasně, zůstaly uvnitř toho thylakoidu.

Anna: Nejen ty. I ten cytochrom b6f komplex, přes který elektron cestoval, funguje jako pumpa a pumpuje další protony dovnitř. Takže uvnitř thylakoidu se hromadí obrovské množství protonů. Je tam vysoká koncentrace a kyselé prostředí.

Ondřej: A venku, ve stromatu, je jich málo.

Anna: Přesně. Vzniká obrovský koncentrační a elektrický gradient. A protony se zoufale chtějí dostat ven, aby se to vyrovnalo. Je to jako voda nahrnutá za přehradou. Obrovská potenciální energie.

Ondřej: A ta přehrada má někde turbínu, že?

Anna: Jsi geniální! Přesně tak. V membráně je zabudovaný neuvěřitelný molekulární stroj, enzym zvaný ATP-syntáza. Můžeš si ho představit jako miniaturní otočnou turbínu nebo nanomotor.

Ondřej: Nanomotor poháněný protony?

Anna: Ano! Protony nemohou projít membránou nikde jinde, jen skrz tenhle kanálek v ATP-syntáze. A jak proudí ven, roztáčejí část toho enzymu. A tahle rotační energie se mechanicky přenese na jinou část enzymu, která vezme molekulu ADP a anorganický fosfát a doslova je k sobě „zmáčkne“ a vytvoří tak vysokoenergetickou molekulu ATP.

Ondřej: Takže shrnuto: světelná fáze chytí sluneční světlo, rozbije vodu, uvolní kyslík a nabije dvě baterky, ATP a NADPH, které použije v další fázi.

Anna: Naprosto přesně. A teď se můžeme vrhnout na to pečení cukru.

Ondřej: Sekundární, temnostní fáze. Říkala jsi, že nepotřebuje světlo. Znamená to, že probíhá v noci?

Anna: To je častý omyl. „Temnostní“ znamená jen to, že světlo není její přímou hnací silou. Ale probíhá za dne, protože je naprosto závislá na těch nabitých baterkách, ATP a NADPH, které se tvoří jen na světle.

Ondřej: Takže jakmile se baterky vybijí, proces se zastaví.

Anna: Přesně tak. Celé se to odehrává ve stromatu chloroplastu, tedy v té tekuté výplni kolem thylakoidů. A tenhle proces se jmenuje Calvinův cyklus.

Ondřej: A co se v tom cyklu děje?

Anna: Vstupují do něj tři věci: oxid uhličitý ze vzduchu a naše dvě nabité baterky, ATP a NADPH. A hlavním hrdinou je tu jeden z nejdůležitějších enzymů na planetě, jmenuje se RuBisCO.

Ondřej: RuBisCO? To zní jako nějaká italská omáčka.

Anna: Blízko, ale ne. Je to nejhojnější protein na Zemi! A jeho úkolem je chytit molekulu CO₂ ze vzduchu a připojit ji na už existující pětiuhlíkatou molekulu v chloroplastu.

Ondřej: Takže fixuje uhlík z atmosféry do rostliny.

Anna: Přesně. Tím vznikne nestabilní šestiuhlíkatá molekula, která se okamžitě rozpadne na dvě tříuhlíkaté. A proto se Calvinovu cyklu někdy říká C3 cyklus – protože prvním stabilním produktem je tříuhlíkatá sloučenina.

Ondřej: A dál? Kde se spotřebují ty baterky?

Anna: Teď přichází na řadu. V dalších krocích cyklu se za pomoci energie z ATP a elektronů z NADPH tato tříuhlíkatá molekula přeměňuje a „redukuje“. A výsledkem je tříuhlíkatý cukr, glyceraldehyd-3-fosfát.

Ondřej: To je ten finální produkt?

Anna: Je to základní stavební kámen. Část těchto molekul se použije na výrobu glukózy, škrobu, celulózy – prostě všeho, co rostlina potřebuje. A větší část se v cyklu zase přemění zpátky na tu původní pětiuhlíkatou molekulu, aby mohla chytit další CO₂. Cyklus se musí neustále obnovovat.

Ondřej: Takže tohle je standardní postup, C3 cyklus. Ale slyšel jsem, že existují i nějaké C4 a CAM rostliny. Co je na nich speciálního?

Anna: To jsou rostliny, které si vyvinuly úžasné adaptace na horké a suché podnebí. Ten enzym RuBisCO má totiž jednu nectnost. Když je horko a sucho, rostliny zavírají průduchy, aby neztrácely vodu. Tím ale uvnitř listu klesá koncentrace CO₂ a roste koncentrace kyslíku.

Ondřej: A co to RuBisCO udělá?

Anna: Občas se splete. Místo CO₂ chytí molekulu kyslíku, což spouští úplně jiný, ztrátový proces. Tomu se budeme věnovat za chvíli. A právě tomu se C4 a CAM rostliny snaží zabránit.

Ondřej: Jak to dělají ty C4 rostliny? Třeba kukuřice nebo cukrová třtina?

Anna: Ty na to jdou prostorově. Mají speciální anatomii listu. CO₂ nejdřív zafixují v buňkách na povrchu listu pomocí úplně jiného, efektivnějšího enzymu. Vznikne čtyřuhlíkatá sloučenina – proto C4. Tuhle sloučeninu pak aktivně napumpují hlouběji do listu, do buněk kolem cévních svazků.

Ondřej: A tam už čeká RuBisCO?

Anna: Přesně. Tam z té čtyřuhlíkaté molekuly CO₂ zase uvolní. Vytvoří tam tak uměle vysokou koncentraci CO₂, takže RuBisCO nemá šanci se splést a chytit kyslík. Je to jako donášková služba na CO₂ přímo k enzymu.

Ondřej: Chytré. A co ty CAM rostliny? Třeba kaktusy a sukulenty?

Anna: Ty na to jdou časově. Přes den, kdy je největší horko, mají průduchy úplně zavřené. Šetří tak každou kapku vody. A dýchají v noci.

Ondřej: Dýchají v noci?

Anna: Ano. V noci otevřou průduchy, nachytají si CO₂ a uloží si ho do zásoby ve formě kyseliny jablečné ve vakuolách. A přes den, když mají díky světlu nabité baterky ATP a NADPH, si z té kyseliny CO₂ zase uvolňují a zpracovávají ho v Calvinově cyklu za zavřenými dveřmi.

Ondřej: Takže C3 rostliny dělají všechno najednou na jednom místě. C4 mají dvě oddělené místnosti. A CAM pracují na dvě směny – noční a denní.

Anna: To je naprosto dokonalá analogie!

Ondřej: Zmínila jsi ten proces, kdy se RuBisCO splete. Co to přesně je?

Anna: Jmenuje se to fotorespirace. A je to v podstatě pravý opak fotosyntézy. Probíhá na světle, ale místo aby spotřebovávala CO₂ a vyráběla cukry, tak spotřebovává kyslík a cenné meziprodukty fotosyntézy a uvolňuje CO₂. Rostlinu to stojí spoustu energie, kterou pak nemůže použít na růst.

Ondřej: Proč to tedy rostliny dělají? To nedává smysl.

Anna: Je to evoluční pozůstatek. RuBisCO vzniklo v době, kdy v atmosféře bylo hodně CO₂ a skoro žádný kyslík. Nebyl důvod, aby se učilo je rozlišovat. Jak ale fotosyntéza produkovala stále víc kyslíku, tahle jeho „chyba“ se stávala větším a větším problémem.

Ondřej: Takže C4 a CAM rostliny jsou vlastně evoluční odpovědí na tenhle problém?

Anna: Přesně tak. Jsou to strategie, jak minimalizovat ztráty způsobené fotorespirací v extrémních podmínkách. U běžných C3 rostlin, jako je pšenice nebo rýže, může fotorespirace za horkého dne snížit výnosy až o desítky procent.

Ondřej: Páni. Takže od chaosu šipek a zkratek jsme se dostali k něčemu, co ovlivňuje, kolik jídla se na světě vypěstuje. To je fascinující.

Anna: Vidíš? Fotosyntéza není jen nudná kapitola v učebnici. Je to dynamický a naprosto klíčový proces, který pohání celý náš svět. Od molekuly chlorofylu až po globální zemědělství.

Ondřej: A když už mluvíme o molekulách... pojďme se na závěr podívat na tu úplně nejdůležitější. Na ten zelený pigment, bez kterého by nic z toho nebylo. Co je vlastně chlorofyl?

Anna: To je můj oblíbený klenot přírody! Představ si, že v každém jednom chloroplastu je jich asi 600 milionů. Neskutečné číslo.

Ondřej: Počkat, šest set milionů molekul v jedné malé organele? To je jako nacpat celé město do jedné místnosti.

Anna: Přesně taková je hustota života! A ta molekula je sama o sobě umělecké dílo. Základem je takzvaný porfyrinový systém. Jsou to čtyři menší kruhy, kterým říkáme pyroly, a ty jsou elegantně spojené methinovými můstky.

Ondřej: Zní to jako nějaká složitá stavebnice. A co je uprostřed?

Anna: Uprostřed sedí, jako král na trůnu, dvoumocný iont hořčíku. Mg²⁺. Věděl jsi, že podobnou strukturu má i hem, součást našeho hemoglobinu, ale ten má uprostřed železo?

Ondřej: Aha! Takže jsme vlastně tak trochu 'příbuzní' s rostlinami. A jak je to s těmi typy, chlorofyl a a b?

Anna: To jsou jen drobné úpravy. Chlorofyl 'a' má na jednom místě navázanou methylovou skupinu, zatímco chlorofyl 'b' tam má skupinu aldehydickou. Malý detail, ale mění to, jaké vlnové délky světla nejlépe pohlcují.

Ondřej: Takže od obrovských ekosystémů až po jeden atom hořčíku. Dnešek byl opravdu nabitý. Anno, moc ti děkuju.

Anna: Já děkuji za pozvání, Ondřeji. Bylo to skvělé. Nejdůležitější je si pamatovat, že fotosyntéza je ten nejúžasnější motor života na Zemi.

Ondřej: S tím naprosto souhlasím. Našim posluchačům děkujeme za pozornost a těšíme se na vás příště u Studyfi Podcastu. Na slyšenou!

Anna: Na slyšenou.