Rozdíl mezi rostlinami C3 a C4

klíčový rozdíl mezi rostlinami C3 a C4 je to rostliny C3 tvoří sloučeninu se třemi atomy uhlíku jako první stabilní produkt temné reakce, zatímco rostliny C4 tvoří sloučeninu se čtyřmi atomy uhlíku jako první stabilní produkt temné reakce.

Fotosyntéza je proces řízený světlem, který přeměňuje oxid uhličitý a vodu na cukry bohaté na energii v rostlinách, řasách a sinicích. Během světelné reakce fotosyntézy dochází k fotolýze molekul vody. V důsledku fotolýzy vody se kyslík uvolňuje jako vedlejší produkt. Po světelné reakci začíná tmavá reakce a syntetizuje uhlohydráty fixací oxidu uhličitého. Kyslík generovaný světelnou reakcí se však může vázat s hlavním enzymem temné reakce, kterým je RuBP oxygenáza-karboxyláza (Rubisco), a provádět fotorezi. Fotodpirace je proces, který plýtvá energií a snižuje syntézu uhlohydrátů. Proto, aby se zabránilo fotorezi, existují tři různé způsoby, jak v rostlinách dochází k temné reakci, aby se zabránilo setkávání kyslíku s Rubisco. Proto v závislosti na způsobu, jakým probíhá temná reakce, existují 3 druhy rostlin; jmenovitě rostliny C3, rostliny C4 a rostliny CAM.

OBSAH

1. Přehled a klíčový rozdíl
2. Co jsou to rostliny C3
3. Co jsou C4 rostliny
4. Podobnosti mezi rostlinami C3 a C4
5. Porovnání bok po boku - rostliny C3 vs C4 v tabulkové formě
6. Shrnutí

Co jsou rostliny C3?

Asi 95% rostlin na Zemi jsou rostliny C3. Jak název napovídá, provádějí C3 fotosyntetický mechanismus, kterým je Calvinův cyklus. Předpokládá se, že fotosyntéza C3 vznikla téměř před 3,5 miliardami let. Jedná se většinou o dřeviny a rostliny okrouhlých listů. U těchto rostlin dochází k fixaci uhlíku v buňkách mezofylu, které jsou těsně pod epidermou.

Oxid uhličitý vstupuje z atmosféry do mezofylových buněk přes stomatu. Pak začíná temná reakce. První reakcí je fixace oxidu uhličitého s ribulózo-bisfosfátem na fosfoglycerát, což je sloučenina se třemi atomy uhlíku. Ve skutečnosti je to první stabilní produkt rostlin C3. Ribulóza bisfosfátkarboxyláza (Rubisco) je enzym, který katalyzuje tuto karboxylační reakci v rostlinách. Podobně se Calvinův cyklus vyskytuje cyklicky při výrobě uhlohydrátů.

Obrázek 01: Rostliny C3

Ve srovnání s rostlinami C4 jsou rostliny C3 neúčinné, pokud jde o jejich fotosyntetický mechanismus. Je to kvůli výskytu fotorezi v rostlinách C3. Fotorezpirace nastává v důsledku oxygenázové aktivity enzymu Rubisco. Oxygenace Rubisco pracuje v opačném směru než karboxylace, účinně zbavuje fotosyntézu plýtváním velkého množství uhlíku původně fixovaného Calvinovým cyklem při velkých nákladech a vede ke ztrátě oxidu uhličitého z buněk, které fixují oxid uhličitý. Rovněž k interakci s kyslíkem a oxidem uhličitým dochází ve stejném místě na Rubisco. Tyto konkurenční reakce normálně probíhají v poměru 3: 1 (uhlík: kyslík). Je tedy zřejmé, že fotorepirace je proces stimulovaný světlem, který spotřebovává kyslík a vyvíjí oxid uhličitý.

Co jsou C4 rostliny?

Rostliny C4 jsou přítomny v suchých a vysokoteplotních oblastech. Přibližně 1% rostlinných druhů má C4 biochemii. Některé příklady rostlin C4 jsou kukuřice a cukrová třtina. Jak název napovídá, tyto rostliny provádějí fotosyntetický mechanismus C4. Předpokládá se, že C4 fotosyntéza vznikla téměř před 12 miliony let; dlouho po vývoji C3 mechanismu. Rostliny C4 se nyní mohou lépe přizpůsobit, protože současné úrovně oxidu uhličitého jsou mnohem nižší než před 100 miliony let.

Rostliny C4 jsou mnohem účinnější při zachycování oxidu uhličitého. Fotosyntéza C4 se dále vyskytuje u jednoděložných i dvouděložných druhů. Na rozdíl od rostlin C3, prvním stabilním produktem vzniklým při fotosyntéze je kyselina oxalooctová, což je sloučenina se čtyřmi atomy uhlíku. A co je nejdůležitější, listy těchto rostlin vykazují zvláštní typ anatomie zvané „Kranzova anatomie“. Kolem vaskulárních svazků je kruh buněk svazku obalů s chloroplasty, pomocí kterých lze identifikovat rostliny C4.

Obrázek 02: C4 Rostliny

V této cestě dochází k fixaci oxidu uhličitého dvakrát. V cytoplazmě mezofylových buněk, CO₂ nejprve fixuje s fosfoenolpyruvátem (PEP), který působí jako primární akceptor. Reakce je katalyzována enzymem PEP karboxylázy. Pak se PEP přemění na malát a pak na pyruvát uvolňující CO₂. A to CO₂ znovu fixuje podruhé s ribulosovým bisfosfátem, aby vytvořil 2 fosfoglycerát k provedení Calvinova cyklu.

Jaké jsou podobnosti mezi rostlinami C3 a C4?

• Rostliny C3 a C4 fixují oxid uhličitý a produkují uhlohydráty.
• Provádí temnou reakci.
• Rovněž oba typy rostlin provádějí stejnou světelnou reakci.
• Dále mají chloroplasty k provádění fotosyntézy.
• Jejich fotosyntetická rovnice je podobná.
• RuBP navíc zahrnuje temnou reakci obou typů rostlin.
• Obě rostliny produkují fosfoglycerát.

Jaký je rozdíl mezi rostlinami C3 a C4?

Rostliny C3 produkují kyselinu fosfoglycerovou jako první stabilní produkt temné reakce. Jedná se o sloučeninu se třemi atomy uhlíku. Na druhé straně rostliny C4 produkují kyselinu oxaloctovou jako první stabilní produkt temné reakce. Jedná se o sloučeninu se čtyřmi atomy uhlíku. Toto je klíčový rozdíl mezi rostlinami C3 a C4.

Fotosyntetická účinnost rostlin C3 je navíc nižší než fotosyntetická účinnost rostlin C4. To je způsobeno fotorepirací pozorovanou u rostlin C3, která je u rostlin C4 zanedbatelná. Jedná se tedy o další rozdíl mezi rostlinami C3 a C4. Při zvažování strukturálních rozdílů nemají rostliny C3 v listech dva typy chloroplastů a Kranzovu anatomii. Na druhé straně rostliny C4 mají dva typy chloroplastů a v listech vykazují anatomii Kranze. Je to tedy také rozdíl mezi rostlinami C3 a C4.

Navíc, další rozdíl mezi rostlinami C3 a C4 je v tom, že rostliny C3 fixují oxid uhličitý pouze jednou, zatímco rostliny C4 fixují oxid uhličitý dvakrát. Vzhledem k této skutečnosti je asimilace C méně u rostlin C3, zatímco asimilace C je vysoká u rostlin C4. Nejen to, že C4 rostliny mohou provádět fotosyntézu, když jsou stomaty uzavřeny a při velmi vysokých koncentracích světla a nízkých CO₂ koncentrace. Rostliny C3 však nejsou schopné provádět fotosyntézu, když jsou stomaty uzavřeny a při velmi vysokých světelných koncentracích a nízkém obsahu CO₂ koncentrace. Proto je to také významný rozdíl mezi rostlinami C3 a C4. Rostliny C3 a C4 se navíc liší od prvního akceptoru oxidu uhličitého. RuBP je CO₂ akceptor v rostlinách C3, zatímco PEP je první CO₂ akceptor v rostlinách C4.

Shrnutí - rostliny C3 vs C4

C3 a C4 jsou dva typy rostlin. Rostliny C3 jsou velmi běžné, zatímco rostliny C4 jsou velmi vzácné. Klíčový rozdíl mezi rostlinami C3 a C4 závisí na prvním uhlíkovém produktu, který produkují během temné reakce. Rostliny C3 provádějí Calvinův cyklus a produkují sloučeninu tří uhlíku jako první stabilní produkt, zatímco rostliny C4 provádějí mechanismus C4 a produkují čtyři sloučeniny uhlíku jako první stabilní produkt. Kromě toho rostliny C3 vykazují menší fotosyntetickou účinnost, zatímco rostliny C4 vykazují vysokou fotosyntetickou účinnost. Kromě toho rostliny C3 nemají Kranzovu anatomii v listech a také nemají dva typy chloroplastů. Na druhé straně rostliny C4 mají v listech anatomii Kranze a také mají dva typy chloroplastů. Toto je shrnutí rostlin C3 a C4.

Odkaz:

1. Szczepanik, et al. "O mechanismu C 4 fotosyntézy Intermediate Exchange mezi Kranz Mesophyll a Bundle Sheath Cells in Grasses." OUP Academic, Oxford University Press, 28. března 2008. K dispozici zde 
2. Study.com, Study.com. K dispozici zde 

Obrázek se svolením:

1. „Zjednodušený fotorezpirační diagram“ Rachel Purdon - vlastní práce, (CC BY-SA 3.0) přes Commons Wikimedia 
2. ”HatchSlackpathway2” Adenosine (diskuse) - HatchSlackpathway.svg, (CC BY-SA 2.5) přes Commons Wikimedia