Fotosyntéza viděná elektronovou mikroskopickou tomografií

Fotosyntéza, zejména zelených rostlin, nás zásobuje mnoha produkty, bez nichž by byl náš život na Zemi nemyslitelný, na prvním místě kyslíkem. Při studiu buněčného aparátu fotosyntézy se začala před několika lety uplatňovat elektronová mikroskopická tomografie. Na rozdíl od běžné transmisní elektronové mikroskopie, která pracuje s velice tenkými řezy, elektronová mikroskopická tomografie umožňuje prostorové zobrazení útvarů v buňkách s velmi vysokým rozlišením, a často, při použití rychle zmrazeného, chemicky nefixovaného biologického materiálu, ve stavu velmi blízkém stavu za živa. Její princip je podobný jako u počítačové tomografie používané v medicíně, ovšem v (ultra) mikroskopickém měřítku: elektrony prozařují objekt (tlustší řez než při běžné prozařovací čili transmisní elektronové mikroskopii) pod různými úhly, z tomografických „řezů“ počítač vytváří „trojrozměrný“ model objektu. (Více o této metodě i o jiných moderních elektronových mikroskopických metodách uvádí Vesmír 83, M9, 2004/3.)

Připomeňme, že při fotosyntéze obdobně jako při dýchání dochází v buňkách k fosforylaci, je syntetizován adenosintrifosfát (ATP), univerzální buněčná konzerva energie. V 60. letech minulého století vytvořil anglický biochemik Peter Mitchell chemiosmotickou teorii oxidační a fotosyntetické fosforylace (r. 1978 za tento objev získal Nobelovu cenu za chemii). Její podstatou je hromadění vodíkových iontů (protonů) v prostorech ohraničených biologickými membránami na úkor energie obsažené v potravě nebo ve slunečním záření. Na membránu vázaný enzymový komplex (ATP syntáza) využívá vytvořený protonový gradient k fosforylaci. Ve stejné době, kdy bylo objeveno toto „chemiosmotické spřažení“, publikoval německý rostlinný biolog Wilhelm Menke svoji představu o tylakoidech (jeho termín z roku 1961 v klasické řečtině znamená pytlovitý útvar) jako strukturním základu fotosyntetického aparátu rostlin. Zatímco fylogeneticky nejstarším fotosyntetickým bakteriím slouží dodnes jako fotosyntetická membrána povrchová membrána jejich buněk, buňky vývojově pokročilejších cyanobakterií (sinic) už většinou obsahují ploché membránové váčky – tylakoidy. V nich se při osvětlení hromadí protony, které se vracejí přes částice ATP syntázy po koncentračním spádu do buněčné cytoplazmy a tvoří se ATP. Potomky někdejších sinic (cestou vnitrobuněčné symbiózy s nefotosyntetizujícími prvoky) jsou chloroplasty v buňkách zelených rostlin i plastidy různých skupin řas. Také chloroplasty i jiné fotosyntetizující plastidy obsahují složitý systém vzájemně propojených tylakoidů. Vnitřní stavba tylakoidních membrán je známa do značných podrobností (viz např. Vesmír 75, 33, 1996/1), dnes už na úroveň molekul a atomů, ale přesně pochopit prostorové uspořádání tylakoidů v buňce sinice nebo v chloroplastu nám umožňuje teprve elektronová mikroskopická tomografie.

Skupina izraelských vědců stanovila s velikou přesností, jak vypadají grana chloroplastů v buňkách listů salátu.¹⁾ (Grana, latinsky zrna, obsahují většinu zeleného barviva chloroplastů, chlorofylu, a jevila se jako zelená zrna ve světelném mikroskopu.) Právě v těchto útvarech, tvořených přitisknutými tylakoidy, dochází při osvětlení k uvolňování kyslíku z vody. Poměrem přitisknutých tylakoidů k nepřitisknutým se chloroplasty velmi rychle přizpůsobují množství a kvalitě světla (správněji řečeno, fotosynteticky účinného záření, které není zcela totožné s námi viditelným světlem). Tento poměr je také důležitý pro míru fixace oxidu uhličitého a produkce cukrů (sacharidů) při fotosyntéze. Prostorové uspořádání tylakoidů ve chloroplastech umožňuje procesům fotosyntézy velmi pohotově reagovat na podmínky prostředí. Autoři zjistili, že základem gran jsou rozdvojení těchto plochých pytlovitých lamel. Jedna ze vzniklých vrstev se vždy ohýbá nahoru a spojuje se s vrstvou ležící nad ní, kdežto druhá vrstva se ohýbá dolů a spojuje se s níže ležící vrstvou. Tato spojení mohou snadno vznikat a zanikat. Popsané jednotky jsou v granu proti sobě pootočeny vždy o určitý úhel kolem osy grana. Vznikají tak válcovité útvary, přirovnávané tradičně ke sloupečkům mincí, ze kterých šroubovicovitě vystupují nepřitisknuté tylakoidy. Na okrajích gran dochází vlivem světelných podmínek ke změnám přitisknutých tylakoidních lamel v nepřitisknuté a naopak. Toto komplikované uspořádání tylakoidů umožňuje suchozemským rostlinám neustálou optimalizaci procesů fotosyntézy.

Fotosyntetický aparát buňky sinice je relativně jednodušší.²⁾ Z podobné fotosyntetizující prokaryotní (bezjaderné) buňky vznikly dnešní chloroplasty. Tylakoidy v buňce sinice netvoří grana, vyplývá to z vnitřní stavby jejich membrán. Autoři ale prokázali, že tylakoidy v buňkách sinic také tvoří vysoce propojený systém, podobně jako je tomu ve chloroplastech. Tylakoidy jsou proděravělé, a to umožňuje molekulám rozpustným ve vodě i v tucích (tedy v buněčné cytoplazmě i v tylakoidních membránách) bez překážek difundovat buňkou sinice.

Elektronová mikroskopická tomografie je i do budoucna unikátní technikou pro objasnění jemných vztahů mezi strukturou a funkcí fotosyntetického aparátu (Photosynthesis Research 102, 177–188, 2009).