W1

1. BŁONY KOMÓRKOWE:

• plazmolemma

• system endomembran – otaczają kompartymenty komórkowe (organelle),

tworzą sieć dzielącą cytoplazmę na izolowane obszary

błony spełniają dwie sprzeczne funkcje:

• zapewniają izolację (by zachować specyficzny metabolizm kompartymentu lub komórki)

• zapewniają komunikację (kontrolowaną)

dlatego muszą zawierać zarówno elementy nieprzepuszczalne jak i odpowiedzialne za wymianę informacji (dwukierunkowy transport substancji, odbieranie bodźców i umożliwienie adaptacji)

2 frakcje: lipidy – uporządkowana dwuwarstwa (szczelna bariera)

białka błonowe – decydują o specyficznej komunikacji

DWUWARSTWA LIPIDOWA:

• lipidy – 3 klasy:

  • FOSFOLIPIDY

    • część hydrofilna: glicerol + reszta kwasu fosforanowe, który może być zestryfikowany z różnymi podstawnikami

    • fosfatydylocholina PC

    • kwas fosfatydylowy

    • fosfatydyloetanolamina PE

    • fosfatydyloseryna PS

    • fosfatydyloglicerol PG

    • fosfatydyloinozytol – decyduje o przekazywaniu sygnałów (transdukcja

sygnalna)

• dużo w plazmolemmie

• GALAKTOLIPIDY (galaktozyloglicerydy)

  • część hydrofilna: glicerol + cukier (1-kilka) galaktoza

  • monogalaktolipidy

  • digalaktolipidy

  • brak w plazmolemmie

  • błony tylakoidów

  • błona zewnętrzna plastydów

  • błony komórek prokariotycznych

• SFINGOLIPIDY (glukocerebrozydy)

  • część hydrofilna: sfingozyna + glukoza

  • sfinganina

  • ceramid

  • glukozyloceramid

  • plazmolemma: funkcje regulatorowe (przepuszczalność błony), aktywność białek enzymatycznych budujących błonę

częścią hydrofobową są kwasy tłuszczowe – nasycone i nienasycone

stopień nasycenia jest ważny dla warstwy lipidowej

bardziej nasycone – większa płynność (podwójne wiązanie powoduje zgięcie łańcucha i odsuwanie od siebie cząsteczek

• STEROLE

  • część hydrofilna: -OH

  • część hydrofobowa: cykliczne końce, różne w różnych związkach

najczęściej w błonach:

• cholesterol

• sitosterol

• stigmosterol

• kamposterol

Dzięki amfipatycznemu charakterowi lipidy w środowisku wodnym tworzą dwuwarstwę, spontanicznie zamykającą się w pęcherzyki (tak jest energetycznie korzystniej).

Ta właściwość jest wykorzystywana do tworzenia liposomów niosących różne substancje w medycynie, kosmetyce, biotechnologii.

Płynność błony zależy od stopnia nasycenia i długości kwasów tłuszczowych.

Ruchy lipidów:

• rotacja (najczęściej)

• fleksja – odchylanie się łańcuchów węglowych i powrót

• flip-flop – „przeskakiwanie” z jednej warstwy lipidowej do drugiej

• lateralna dyfuzja – przemieszczanie się w obrębie jednej warstwy

• bobbing – wyskakiwanie nad powierzchnię warstwy lipidowej

Asymetria dwuwarstwy lipidowej – nierównowaga rozmieszczenia lipidów:

1. glikolipidy – warstwa kontaktująca się ze środowiskiem zewnętrznym, często odpowiadają za asocjację z innymi komórkami lub organizmami

2. fosfatydyloinozytol – duża ilość po wewnętrznej stronie; odpowiada za przekazywanie informacji

WZGLĘDNA PRZEPUSZCZALNOŚĆ sztucznej dwuwarstwy lipidowej:

• małe cząsteczki hydrofobowe (O₂, CO₂, N₂, benzen) – dyfundują

• małe cząsteczki polarne bez ładunku (H₂O, glicerol, etanol) – dyfuzja zgodnie z gradientem stężeń, dużo wolniejsza niż cząstek hydrofobowych (zbyt wolne przenikanie wody, by zaopatrzyć komórkę)

• większe cząsteczki polarne bez ładunku i jony – dwuwarstwa nie jest dla nich przepuszczalna. (jony otaczają się otoczkami hydratacyjnymi o wielkości odwrotnie proporcjonalnej do wartościowości i wprost proporcjonalnie do średnicy jonu; są zbyt duże, by przenikać)

BIAŁKA BŁONOWE

• integralne – przecinają błonę, wystają z obu stron, trudno je wyizolować

• peryferyczne – związane z błoną na zewnętrznej bądź wewnętrznej powierzchni

(w plazmolemmie to często glikoproteiny, dzięki którym zachodzi asocjacja z innymi błonami)

inny podział białek (ze względu na funkcje):

• transporterowe – wymiana substancji

• łączące – asocjują po jednej lub drugiej stronie błony z innymi białkami, nadając błonie sztywność

• receptorowe – percepcja bodźców, indukcja odpowiedzi wewnątrzkomórkowej (często to białka o konformacji enzymatycznej lub współpracujące z innymi białkami)

• enzymatyczne – zazwyczaj centrum katalityczne po wewnętrznej stronie błony (po zewnętrznej – syntaza celulozowa, która syntetyzuje ścianę komórkową)

białka istotne funkcjonalnie są integralne!

Struktura części transmembranowej białek integralnych:

• zazwyczaj α-helisa

• hydrofobowe łańcuchy boczne aa stykają się z łańcuchami kwasów tłuszczowych

• części hydrofilowe łańcucha polipeptydowego skierowane są do wnętrza α-helisy, tworzą mostki wodorowe

• kilka regularnie ułożonych helis może utworzyć hydrofilowy por wodny

  2. TRANSPORT SUBSTANCJI:

Może się odbywać na dwa sposoby – biernie i aktywnie. Sposób przenoszenia zależy od gradientu stężenia i ładunku. W oba rodzaje transportu zaangażowane są inne białka.

TRANSPORT BIERNY

• spontaniczny

• zgodny z gradientem stężeń (do niższego)

• na drodze dyfuzji prostej lub ułatwionej (w ułatwionej uczestniczą białka błonowe – kanały lub przenośniki)

• cząsteczki obojętne – siłą napędową w ich transporcie jest gradient potencjału chemicznego substancji; transport trwa do momentu wyrównania potencjału

• cząsteczki naładowane – siłą napędową jest gradient potencjału elektrochemicznego substancji oraz potencjał transbłonowy

Potencjał transbłonowy wynika z rozmieszczenia ładunków po obu stronach błony – plazmolemma jest zawsze naładowana dodatnio po stronie apoplastu, dzięki działalności pomp protonowych

pH ściany = ok. 5; pH cytoplazmy = ok. 7

transport kationów jest ułatwiony („idą do minusa”); jest dużo większy niż bez potencjału transmembranowego

pH wakuoli jest niższe niż cytoplazmy

transport kationów jest utrudniony („idą do plusa”); wymaga nakładów energii

transport anionów – odwrotnie: ułatwiony z cytoplazmy do wakuoli, utrudniony z apoplastu do cytoplazmy

Transportery bierne – 2 typy: (dyfuzja ułatwiona)

• kanały białkowe:

bardzo często struktura podjednostkowa (najczęściej 2)

tworzą zwartą strukturę beczki z porem hydrofilowym

regulacja kanałów przez komórkę – zmiana stanu otwarcia kanału (2 stany konformacyjne – otwarty i zamknięty)

mechanizmy otwierania są różne, kanały otwierają się w odpowiedzi na:

1. zmianę potencjału błony (depolaryzacja i hiperpolaryzacja)

2. związanie liganda po stronie zewnętrznej lub wewnętrznej

np. pochodzące z rozkładu fosfatydyloinozytolu

jony wapniowe

hormony roślinne

1. stymulację mechaniczną (naprężenia błony) – skomplikowana transdukcja sygnału

• BIAŁKA PRZENOŚNIKOWE:

przenoszą substancje na skutek zmian konformacyjnych indukowanych związaniem substratu

zmienia się powinowactwo do przenoszonej substancji:

1 stan konformacyjny – wysokie powinowactwo, następuje związanie substratu w bardzo konkretnym miejscu i zmiana konformacji – „otwarcie” po drugiej stronie błony

↓

2 stan konformacyjny – niskie powinowactwo, uwalnianie substratu

uniport – bierny transport jednej substancji w jednym kierunku

specyficzność kanałów i przenośników:

• specyficzne – przepuszczalne tylko dla jednego rodzaju cząsteczek:

  • jonu – kanały potasowe (w szczególnych warunkach mogą transportować także Na⁺ - kiedy jego stężenie jest dużo większe niż K⁺)

  • glukozy

• mniej specyficzne

  • dla wszystkich jonów jednowartościowych lub dwuwartościowych

  • dla wszystkich heksoz

kanały zarezerwowane są dla jonów, przenośniki dla innych substancji

TRANSPORT AKTYWNY

• wbrew gradientowi stężeń lub potencjału elektrochemicznego

• wymaga nakładu energii (wiązań chemicznych, gł. ATP; świetlnej – u roślin nie!)

2 grupy:

Transportery pierwotne – do przeniesienia cząsteczki wykorzystują energię świetlną bądź chemiczną pochodzącą z rozkładu wiązań fosforanowych (hydrolizują ATP)

Transportery wtórne – wykorzystują pierwotną siłę protomotoryczną wytworzoną przez pompy protonowe (gradient protonów po obu stronach błony)

TRANSPORTERY PIERWOTNE:

• typu ABC

• Ca²⁺ ATPazy

• pompy protonowe

posiadają różną lokalizację subkomórkową i budowę;

kodowane są przez geny niespokrewnione

TRANSPORTERY TYPU ABC

• kom. zwierzęce: w błonach zewnętrznych i endomembranach

• kom. roślinne:

  • przez dłuższy czas sądzono, że występują tylko w tonoplaście i odpowiadają za jednokierunkowy transport cytoplazmawnętrze wakuoli

  • znaleziono białko w plazmolemmie, które transportuje z cytoplazmy na zewnątrz

• transportery typu ABC są odpowiedzialne za detoksykację, transportują związki toksyczne:

  • substancje obce dla komórki (ksenobiotyki)

metale ciężkie

herbicydy

• wtórne metabolity (produkty wtórnej przemiany materii)

produkty rozkładu chlorofilu

flawonoidy

antocyjany

• są bardzo podobne pod względem struktury:

• 1 łańcuch

• penetruje błonę przynajmniej 8 razy

• tworzy w dwuwarstwie

• α-helisy układają się w strukturę beczułki

• posiadają konserwatywne sekwencje wiążące nukleotydy (NBF1 i NBF2) w pętlach po stronie cytoplazmatycznej

• transportują substancje jako koniugaty glutationowe (przenoszone związki łączą się z glutationem Glu-Cys-Gly)

• do transportu substancji wykorzystywana jest energia z rozkładu wiązania fosforanowego w ATP

Ca²⁺ATPazy

• odpowiadają za aktywny transport jonów wapnia

• wysoka specyficzność

• należą do P-ATPaz (cechą wspólną tej klasy jest wrażliwość na wanadan oraz tworzenie ufosforylowanych intermediatów)

• budowa:

• pojedynczy łańcuch polipeptydowy przechodzący w poprzek błony 6-10x

• poszczególne Ca²⁺ATPazy różnią się nieco budową

• C-koniec krótki, nie ma charakteru regulatorowego

• N-koniec (pompy wapniowej tonoplastu) długi, koniec regulatorowy – posiada domenę wiążącą kalmodulinę

• kalmodulina – białko decydujące o aktywności transportera, bez niego nie zachodzi hydroliza ATP i transport jonów Ca²⁺

• lokalizacja:

• obficie w systemie endomembran (ER, tonoplast, wewnętrzna i zewnętrzna błona chloroplastu)

mniej w plazmolemmie

• centra katalityczne (odpowiadające za hydrolizę ATP) są eksponowane do cytoplazmy transport Ca²⁺ zawsze w jednym kierunku: z cytoplazmy (do wakuoli lub do apoplastu)

• uwaga! Ca²⁺ATPazy nie zaopatrują komórek w wapń (to robią kanały wapniowe – transport bierny). Odpowiadają natomiast za wyrzucanie Ca²⁺ (ważny element transdukcji sygnałów, czyli przekazywania bodźców)

1. POMPY PROTONOWE

hydrolizę ATP wykorzystują do kierunkowego przeniesienia protonu

1. pompy plazmolemmy

• tylko jeden rodzaj – plazmolemmowa H⁺ATPaza

• budowa:

  • pojedynczy polipeptyd (ok. 100kDa)

  • posiada 8-10 transmembranowych α-helis

  • po stronie cytoplazmatycznej znajdują się oba końce oraz 2 małe i 2 duże pętle

    • duża, wysoce konserwatywna pętla zawiera centrum wiążące ATP

    • druga duża to pętla transdukcyjna, sprzęga hydrolizę ATP z transportem H⁺

    • mała pętla pomiędzy 2 i 3 helisą ulega fosforylacji tworząc ufosforylowane intermediaty

    • N-koniec krótki

    • C-koniec hydrofilny, stanowi domenę autoinhibitorową (reguluje aktywność pompy protonowej)

• autoregulacja pompy:

  • C-koniec nieufosforylowany – łączy się z centrum katalitycznym, pompa nieaktywna

  • fosforylacja reszty serynowej C-końca za pomocą kinazy serynowo-treoninowej (przenosi fosforan z ATP na aminokwas)

do ufosforylowanego ogona przyłącza się białko z grupy 14-3-3 (białka stare ewolucyjnie, duża homologia, regulują także inne procesy metabolizmu podstawowego)

C-koniec zostaje odciągnięty, następuje aktywacja ATPazy

• podobny efekt do fosforylacji seryny daje przyłączenie do C-końca fuzikokcyny (toksyny grzybowej)

stabilizuje ona kompleks białka 14-3-3 z łańcuchem polipeptydowym, stymuluje ciągłe działanie ATPazy

cel grzybów: spadek pH ściany komórkowej rośliny rozrywanie mostków wodorowych rozluźnienie struktury ściany łatwiejsza inwazja strzępek

• funkcja: kierunkowy transport protonów z cytoplazmy do ściany komórkowej

• we włośnikach: produkcja gradientu potencjału elektrochemicznego na błonie, czyli pierwotnej siły protomotorycznej, która może być wykorzystywana do aktywnego przemieszczania substancji przez transportery wtórne (pobieranie substancji mineralnych z podłoża)

• indukcja wzrostu zakwaszanie ściany powoduje jej rozluźnienie – I etap wzrostu elongacyjnego

• w błonach komórek szparkowych napędzanie transportu substancji osmotycznie czynnych do/z komórek szparkowych (decydują one o stanie otwarcia aparatu, co reguluje bierne pobieranie wody i natężenie fotosyntezy)

1. POMPY PROTONOWE TONOPLASTU

   • V-ATPaza

     • należy do klasy FC-ATPaz (występują one także w błonie tylakoidowej i wewnętrznej błonie mitochondrialnej – tam synteza ATP, w tonoplaście hydroliza)

     • składa się z 2 sektorów: V₁ i V₀

     • V₁ – tzw. główka, sektor hydrofilny, wystający z błony po stronie cytoplazmatycznej, składa się z:

       • podjednostki A (x 3) – funkcja katalityczna, tu hydroliza ATP

       • podjednostki B (x 3) – funkcja regulatorowa, decyduje o natężeniu hydrolizy

       • podjednostki C, E, G, H – wchodzą w skład części statorowej, odpowiadającej za prawidłową konformację białka

       • podjednostki D i F – tworzą trzonek, sprzęgający oba sektory – część katalityczną i transdukcyjną

       • V₀ – integralny sektor błonowy

       • podjednostka a – stator, utrzymuje konformację

       • podjednostki c (x 6) – tworzą kanał protonowy

       • podjednostka d – asocjuje z trzonkiem

       • energia z hydrolizy ATP służy do przeniesienia H⁺ z cytoplazmy do wakuoli przez sektor V₀

   • PIROFOSFATAZA

     • 1 łańcuch polipeptydowy

     • 14 transmembranowych α-helis tworzących kanał protonowy

     • sekwencja DVGADLVGKVE – miejsca wiązania i hydrolizy ATP

     • długa domena katalityczna, konserwatywne segmenty CS1, CS2, CS3

     • transport protonów z cytoplazmy do wakuoli

pompy protonowe plazmolemmy i tonoplastu generują gradient elektrochemiczny błony, stanowiący tzw. pierwotną siłę protomotoryczną (pmf), wykorzystywaną przez transportery wtórne do przenoszenia substancji przez błony

wszystkie pompy protonowe utrzymują względnie stałe pH cytoplazmy (ok. 7), by inne enzymy mogły prawidłowo funkcjonować (pH o innej wartości krótko – to sygnał dla komórki)

dlaczego w tonoplaście są aż 2 pompy protonowe?

V-ATPaza jest bardzo wrażliwa, jej aktywność momentalnie spada w obecności toksyn. Wtedy za generowanie gradientu potencjału chemicznego odpowiada pirofosfataza

TRANSPORTERY WTÓRNE:

Jest ich znacznie więcej niż pomp protonowych.

Przenoszą związki zawsze wbrew gradientowi stężenia.

Duża specyficzność substratowa.

Mogą transportować związki na zasadzie:

• symportu: transport substancji do komórki jednocześnie z protonem

• antyportu: transport substancji w przeciwnym kierunku niż protonu (proton do środka, substancja na zewnątrz komórki)

Z uwagi na powinowactwo do substratu transportery wtórne dzielą się na:

• transportery wysokiego powinowactwa HATS (High Affinity Transport System)

  • zaopatrują rośliny w substancje odżywcze występujące w środowisku w bardzo niskim stężeniu (<1μmol)

• transportery niskiego powinowactwa LATS (Low Affinity Transport System)

  • zaopatrują rośliny w makro- i mikroelementy, występujące w dużych stężeniach (5-10 μmol)

/takie stężenia są rzadko spotykane, dlatego tych transporterów jest w komórce mniej niż HATS/

• odpowiadają za rozładunek ksylemu (transport daleki – z naczyń do komórek mezofilu)

• odpowiadają za dystrybucję pierwiastków w różnych częściach rośliny

Transportery wtórne mogą mieć charakter białek:

• konstytucyjnych (ciągła ekspresja genów kodujących, są zawsze w komórce)

• indukcyjnych (ekspresja genów indukowana substratem)

Transportery wysokiego powinowactwa HATS:

HKT1 – potasowy 8-12(16)x penetrują dwuwarstwę jako α-helisy

HPT1 – fosforanowy specyficzne sekwencje aminokwasów po stronie

HST1 - siarczanowy cytoplazmatycznej rozpoznają substrat

regulacja potranslacyjna – fosforylacja

Transportery indukcyjne: siarczanowe, fosforanowe.

pierwiastek w środowisku = transdukcja sygnału = ekspresja genu kodującego transporter

TRANSPORTERY BIERNE I AKTYWNE ( pierwotne i wtórne ) w plazmolemmie:

• 1 pompa protonowa (forma nieaktywna/aktywna)

• kanały potasowe (odpowiedzialne za influx i eflux), wapniowe i dla innych jonów

• wtórne – wszystkie mają charakter symporterów:

  • głównie anionowe

  • wyjątek: potas wzrost stężenia w komórce (ochrona przed utratą wody lub jej akumulacja), tym transporterem mogą także do komórki napływać jony sodu

  • transportery cukrów i aminokwasów – szersze spektrum specyficzności substratowej

TRANSPORTERY PIERWOTNE I WTÓRNE TONOPLASTU:

• pierwotne:

  • ABC-transportery

  • V-ATPaza

  • pirofosfataza

• wtórne:

  • kationowe (antyportery, jeżeli transport wakuolacytoplazma)

  • anionowe

  • przenoszące aminokwasy

W2 WODA:

polarna

tworzy mostki wodorowe (dzięki nim może być transportowana w naczyniach)

doskonały rozpuszczalnik (warunek przebiegu reakcji chemicznych, enzymatycznych)

nadaje komórkom, tkankom, organom kształt (turgor)

Transport wody przez błony plazmatyczne odbywa się biernie, na zasadzie osmozy.

OSMOZA obejmuje:

• prostą dyfuzję dipoli wody przez dwuwarstwę lipidową

• dyfuzję ułatwioną poprzez specyficzne kanały białkowe, zwane akwaporynami

AKWAPORYNY:

• pojedynczy łańcuch polipeptydowy

• 6 transmembranowych helis (3 leżące w pobliżu N-końca są identyczne z 3 helisami leżącymi w pobliżu C-końca)

• 2 pętle z bardzo konserwatywnymi aminokwasami – decydują o bramkowaniu kanału

• w niektórych akwaporynach pętle są fosforylowane

• szybkość przenikania H₂O jest większa niż dyfuzji przez dwuwarstwę

• siłą napędową jest różnica potencjału wody

Kilka definicji:

• OSMOZA to spontaniczne, zgodne z gradientem potencjału chemicznego przemieszczanie się cząsteczek wody przez błony półprzepuszczalne

• POTENCJAŁ CHEMICZNY WODY definiuje się jako różnicę potencjału chemicznego wody w danych warunkach i potencjału chemicznego czystej wody

• potencjał chemiczny wody jest ilościową miarą energii swobodnej cząsteczek wody, określa więc zdolność cząsteczki do wykonania pracy; potencjał chemiczny wody wyraża energię na mol (J *mol-1)

• w fizjologii, zamiast pojęcia potencjału chemicznego wody, używa się pojęcia potencjał wody (Ψ_W), który jest wartością potencjału chemicznego wody podzieloną przez objętość molową wody (objętość 1 mola wody)

• potencjał wody jest więc miarą energii swobodnej wody w jednostce objętości (J*m^-3); może też być wyrażany w jednostkach ciśnienia (Pa, MPa)

• potencjał wody w komórce zależy od :

• stężenia substancji osmotycznie czynnych (potencjału osmotycznego, Ψ_S= RTc_S),

• ciśnienia hydrostatycznego (potencjału turgorowego, Ψ_P) ,

• siły grawitacji (potencjału grawitacyjnego, Ψ_G)

• sił imbibicyjnych (potencjału imbibicyjnegoΨ_i)

Ψ_W = Ψ_S + Ψ_P + Ψ_G + Ψ_i

• ponieważ potencjał grawitacyjny i imbibicyjny na ogół osiągają bardzo niskie wartości, to przyjmuje się, że:

Ψ_W = Ψ_S + Ψ_P potencjał turgorowy – wartości dodatnie

potencjał wody – wartości ujemne lub 0

Kierunek transportu wody jest wyznaczony przez spadający potencjał wody

• jeśli komórkę umieści się w roztworze o niższym Ψ_W, to dojdzie do wypływu wody i plazmolizy

• jeśli splazmolizowaną komórkę umieścimy w roztworze o wyższym Ψ_W, to zajdzie deplazmoliza

potencjał wodny i osmotyczny w splazmolizowanej komórce są sobie równe i osiągają najniższą wartość

DEPLAZMOLIZA: rośnie potencjał turgorowy, osmotyczny i wodny

pełna deplazmoliza: potencjał turgorowy i osmotyczny – max

potencjał wodny – prawie 0 (najwyższy możliwy)

ustaje pobieranie H₂O

Ilość wody dostępnej w atmosferze jest czasami bardzo duża, ale nie ma możliwości, by rośliny pobierały wodę przez liście:

• są pokryte kutikulą, która totalnie hamuje pobieranie

• dojrzałe liście często posiadają zlignifikowane ściany komórkowe wtórne – dodatkowa bariera dla pobierania wody

• aparaty szparkowe są zamknięte, gdy jest wilgotno – tą drogą woda także nie ma szans się dostać

Roślina jest zaopatrywana w wodę przez korzeń, który pobiera ją z roztworu glebowego.

• czapeczka i strefa merystematyczna nie pobierają wody

• strefa elongacyjna pobiera na własne potrzeby

• za pobieranie wody odpowiedzialna jest strefa włośnikowa (włośniki – jednokomórkowe, długości od kilkunastu do kilkudziesięciu cm)

Nie cała woda zawarta w glebie jest dostępna dla rośliny – o dostępności decydują siły, z jakimi dipole wody są przyciągane przez struktury w glebie.

Woda NIEDOSTĘPNA:

• higroskopowa (higroskopijna) >1000MPa – cieniutka warstwa wiązana przez gruzełki gleby (mineralne lub organiczne związki obdarzone ładunkiem decydują o jej przyciąganiu)

• błonkowa 1000MPa-3,1MPa – otacza elementy strukturalne gleby wraz z wodą higroskopową; przytrzymywana jest słabszymi siłami

Woda DOSTĘPNA: kapilarna – wypełnia cienkie kapilary pomiędzy gruzełkami, utrzymywana jest długo w kapilarach dzięki siłom większym niż grawitacyjne, dlatego nie opada.

Woda grawitacyjna (przytrzymywana siłami mniejszymi niż 0,03MPa) jest dostępna dla roślin okresowo. Podlega ona działaniu siły ciężkości, kiedy znajdzie się poniżej poziomu korzeni, jest już niedostępna.

Stosunek wody dostępnej do niedostępnej zależy od rodzaju gleby:

1. torfowe – dużo związków z ładunkiem – niekorzystna proporcja, dużo wody niedostępnej

2. piaskowe – mało związków z ładunkiem, dlatego mało wody niedostępnej, ale struktura gleby jest taka, że występuje mało kapilar, a większość wody to woda grawitacyjna

POBIERANIE WODY:

Potencjał komórek włośnikowych musi być niższy potencjał wody w roztworze glebowym.

Generowanie niskiego potencjału we włośnikach:

• dzięki transpiracji (liście) bierne pobieranie wody

• dzięki gromadzeniu substancji osmotycznie czynnych aktywne pobieranie wody

BIERNE POBIERANIE WODY:

Warunkiem biernego pobierania wody jest różnica potencjałów wodnych w glebie i atmosferze. Gradient potencjału spada w kierunku szczytu rośliny. Woda jest pobierana z coraz niżej leżących warstw komórek. Ważne jest, by została zachowana ciągłość słupa wody.

etapy pobierania wody:

1. transpiracja (wyparowywanie) wody z liści

2. daleki transport wody naczyniami (od naczyń walca osiowego do liści)

3. poprzeczny transport wody z gleby do naczyń walca osiowego korzenia

etap 1. TRANSPIRACJA (wyparowywanie) wody z liści

Siłą decydującą o biernym pobieraniu wody jest tzw. siła ssąca liści.

Składają się na nią:

• transpiracja kutikularna – fizyczne wyparowywanie wody z całej powierzchni liści (czasami gruba kutikula całkowicie eliminuje ten typ transpiracji)

• transpiracja szparkowa – wyparowywanie wody poprzez aparaty szparkowe

• położenie: aparaty szparkowe u większości znajdują się na dolnej powierzchni liści; u roślin wodnych także na górnej

• budowa: 2 komórki szparkowe otaczają otwór, który prowadzi do komory powietrznej połączonej z przestworami międzykomórkowymi miękiszu gąbczastego

• u dwuliściennych komórki są fasolkowate, mają zgrubiałe ściany wewnętrzne, zewnętrzne są cienkie

• u jednoliściennych komórki są buławkowate, mają zgrubiałe ściany zwężenia, a końce buławek są cienkościenne

• zasada działania: zmiana turgoru powoduje odkształcenie cienkich ścian i odciąganie sztywnych, w rezultacie czego szparka się otwiera

• kiedy woda wyparowuje, spada potencjał wodny w komorze, woda jest odciągana z najbliżej leżących komórek. Te odciągają wodę z dalszych, w końcu z naczyń liścia.

Efektywność transpiracji szparkowej jest większa niż kutykularnej – otwarta szparka stawia mniejszy opór.

EFEKT BRZEŻNY – przy brzegach powierzchni ograniczonej ilość wyparowujących cząsteczek wody jest większa niż na środku. Tory cząsteczek są zagięte, mieści się ich więcej. Dlatego transpiracja z sumy wielu małych powierzchni jest znacznie bardziej efektywna niż z jednej dużej.

Transpiracja szparkowa może być kontrolowana poprzez stopień otwarcia aparatów szparkowych. Pobieranie „bierne” nie oznacza braku kontroli nad procesem (mówi jedynie, że na proces nie jest zużywana energia)

etap 2. DALEKI TRANSPORT WODY NACZYNIAMI

• nagonasienne: cewki – poprzeczne ściany mocno perforowane, niewielkie opory dla wody

• okrytonasienne: naczynia – zanik ścian poprzecznych, komórki martwe, niewielkie opory dla wody

Naczynia i cewki są strukturami kapilarnymi, zapewniają spójność słupa wody.

• cząsteczki polarne oddziaływują ze sobą tworząc mostki wodorowe – SIŁY ADHEZJI (nie są pokonywane przez siłę grawitacji)

• dipole wodne oddziaływują z naładowanymi ścianami naczyń – SIŁY KOHEZJI

Perforacje w ścianach bocznych również pomagają w zachowaniu ciągłości słupa wody:

zmiana temperatury może spowodować wydzielanie pęcherzy powietrza i kawitację, czyli zapowietrzenie naczynia (jest ono wyłączane z transportu), a poprzeczne połączenia umożliwiają nie wyłączanie całej rury

pęcherz powietrza stawia opór i powoduje, że ciśnienie jest niższe niż w naczyniu drożnym→ woda jest przepychana do drugiego naczynia→ ponad pęcherzem wraca do naczynia częściowo zablokowanego (ciśnienie jest tam niższe niż w drożnym)

etap 3. POPRZECZNY TRANSPORT WODY Z GLEBY DO NACZYŃ WALCA OSIOWEGO

woda podciągana w naczyniach wywołuje odciąganie wody z komórek miękiszowych walca osiowego i spadek potencjału wodnego→ odciąganie wody z warstw komórek dookoła itd. aż do włośników→ pobieranie wody z gleby

Dwie drogi:

• apoplastyczna – woda penetruje grubość kory pierwotnej ścianami komórkowymi i przestworami

droga ta jest zablokowana na poziomie komórek endodermy – tam w ścianach znajdują się pasy zgrubień – pasma Caspary’ego (elementy lignin, nieprzepuszczalne dla H₂O)

woda wnika przez błonę komórkową do cytoplazmy, tutaj droga apoplastyczna łączy się z komórkową

• komórkowa – transport symplastyczny (czyli przez protoplasty) i transmembranowy (przez plazmolemmę)

TRANSPORT AKTYWNY:

Wymaga nakładu energii, by wygenerować odpowiednio niski potencjał w naczyniach korzeniowych. Koszty energetyczne ponoszą komórki walca korzeniowego.

Na rodzaj transportu wpływa temperatura i warunki glebowe. Transport aktywny odbywa się:

• gdy roztwory glebowe są silnie zasolone

• na przedwiośniu – gdy liście nie są jeszcze wykształcone (gdy liście już są, transport aktywny też ma miejsce, ale jest mniejszy)

• w nocy (w dzień transport bierny)

W komórkach parenchymatycznych generowana jest pierwotna siła protomotoryczna (protony pompowane są do naczyń). Potem następuje aktywny transport jonów K⁺ do naczyń na zasadzie antyportu protonowego. Obniżenie potencjału wodnego w naczyniach powoduje bierny przepływ wody z komórek parenchymatycznych do naczyń. Do komórek parenchymatycznych woda przepływa z miękiszu, do miękiszu z włośników, do włośników z gleby.

W naczyniach rośnie ciśnienie, woda jest wypychana do górnych części rośliny. Siły parcia są duże, mogą podnieść słup wody na kilkadziesiąt metrów.

Transport aktywny nie może trwać w nieskończoność, musi być wspomagany przez transport bierny.

CZYNNIKI ZEWNĘTRZNE REGULUJĄCE NATĘŻENIE TRANSPIRACJI:

1. światło – zmienia stan otwarcia aparatów szparowych, wpływa także poprzez zwiększanie temperatury

2. wilgotność względna powietrza – im mniejsza tym większa transpiracja

3. temperatura powietrza:

• transpiracja kutikularna: wzrost temperatury powoduje wzrost transpiracji

• transpiracja szparkowa:

wzrost temperatury w przedziale 30-32°C powoduje wzrost transpiracji

>32°C następuje podsychanie górnych warstw komórek liścia, aparaty szparkowe zamykają się, transpiracja zostaje ograniczona

45°C denaturacja białek – parowanie gwałtownie rośnie, ale już z materii nieożywionej – trudno to nazwać transpiracją

1. ruchy powietrza – „zmywanie” warstw powietrza wysyconych parą wodną, przylegających do liścia

OTWIERANIE I ZAMYKANIE APARATÓW SZPARKOWYCH

• gdy potencjał wody w komórce szparkowej jest większy niż w otaczających komórkach epidermalnych, następuje zamknięcie szparki

• gdy potencjał wody w komórce szparkowej jest niższy – szparka otwiera się

Na otwieranie aparatów szparkowych ma wpływ światło niebieskie (400-430nm) i czerwone (600-670nm). Powodują one akumulację związków osmotycznie czynnych, a tym samym obniżenie potencjału osmotycznego i wodnego. Skutkuje to pobieraniem wody, wzrostem turgoru i otwieraniem aparatów szparkowych.

Na świetle niebieskim w wakuoli gromadzone są jony K⁺, Cl^– i jabłczan.

Na świetle czerwonym – sacharoza.

ŚWIATŁO NIEBIESKIE AKTYWUJE DWA PROCESY:

• aktywacja pompy protonowej plazmolemmy (H⁺-ATPazy) powoduje wyrzucanie protonów do apoplastu i powstanie gradientu potencjału elektrochemicznego, który wykorzystywany jest przez wtórne transportery jonów K⁺

jony K⁺ gromadzą się w wakuoli komórek szparkowych i generują potencjał elektryczny (ładunków + jest więcej). Następuje elektrogenny napływ jonów Cl^– przez kanały chlorkowe. W efekcie w komórkach szparkowych wzrasta stężenie jonów K⁺ i Cl^–.

• aktywacja przemiany fosforanu dihydroksyacetonu (DHAP) w fosfoenolopirogronian (PEP) i następnie jabłczan (malate), który transportowany jest do wakuoli

DHAP powstaje z rozkładu skrobi w chloroplastach w ciągu dnia (tak jak w glikolizie)

wykres pokazuje zwiększoną produkcję jabłczanu na świetle niebieskim w porównaniu do produkcji na świetle czerwonym

Regulacja aktywności H⁺-ATPazy w kom. szparkowych przez światło niebieskie.

Absorpcja światła niebieskiego przez jego receptor – zeaksantynę, powoduje kaskadę reakcji, której efektem jest aktywacja kinazy serynowo-treoninowej.

Kinaza fosforyluje jeden z aminokwasów na C-końcu H⁺-ATPazy (domena autoinhibitorowa), co umożliwia przyłączenie białka 14-3-3 i odsłonięcie centrum, katalitycznego. ATPaza z formy nieaktywnej przechodzi w aktywną.

ŚWIATŁO CZERWONE POWODUJE AKUMULACJE SACHAROZY W WAKUOLI.

Indukuje syntezę sacharozy z fosforanu dihydroksyacetonu (jabłczan nie jest syntezowany).

Działa na dwa sposoby:

• aktywuje enzym – syntazę sacharozową (syntezuje dwucukier z glukozo-1-fosforanu i fruktozo-1-fosforanu)

• aktywuje fazę ciemną fotosyntezy, a dokładnie pierwszy enzym szlaku Calvina – karboksylazę rybulozo-1,5-bisfosforanu (Rubisco)

Wzrost stężenia sacharozy powoduje obniżenie potencjału wodnego, napływ wody i otwieranie aparatów szparkowych.

DWA MECHANIZMY OTWIERANIA APARATÓW SZPARKOWYCH (indukowany światłem niebieskim i czerwonym) nie działają jednocześnie.

• rano: za otwarcie odpowiadają jony K⁺ – proces aktywacji H⁺-ATPazy jest szybki (trwa kilkanaście minut), a to ważne po nocy. Duże stężenie jonów utrzymuje się na maksymalnym poziomie w godzinach 9-11.

Poza tym rano udział światła niebieskiego jest wyższy niż w godzinach południowych i popołudniowych.

• później: akumulacja sacharozy – wymaga bardziej skomplikowanych przemian metabolicznych – maksymalny poziom w godz. 13-17

Maksymalne otwarcie szparek następuje dzięki światłu czerwonemu.

ZAMYKANIE APARATÓW SZPARKOWYCH.

Kiedy brak światła, procesy nim napędzane (akumulacja w wakuoli K⁺, jabłczanu, sacharozy) ustają. Zachodzi efflux, czyli wypływanie substancji z wakuoli i komórki. Spada stężenie substancji, w efekcie spada potencjał wody w komórkach szparkowych. Gdy stanie się on niższy niż w otaczających kom. epidermalnych, następuje wypływ wody i szparka się zamyka.

CZYNNIKI ZEWNĘTRZNE REGULUJĄCE AKTYWNE POBIERANIE WODY:

1. TEMPERATURA GLEBY

aktywne pobieranie wody konsumuje ATP, syntetyzowane w korzeniach na drodze fosforylacji oksydacyjnej. Czynniki modyfikujące oddychanie automatycznie wpływają na pobieranie wody

PUNKTY KARDYNALNE:

minimum – temp. poniżej której proces ustaje – kilka stopni powyżej zera

optimum – proces osiąga maksymalne natężenie – ok. 30°C

maksimum – temp. powyżej której proces ustaje – 45°C

dla roślin klimatu cieplejszego temperatury są nieco przesunięte w górę (poza maksimum – to temperatura denaturacji białek)

zgodnie z regułą van’t Hoffa pomiędzy minimum a optimum wzrost temperatury o 10°C powoduje zwiększenie intensywności procesu dwa razy; powyżej optimum intensywność spada.

1. NATLENIENIE GLEBY

Im gorsze natlenienie tym słabsze oddychanie tlenowe (a tym samym produkcja ATP) i aktywne pobieranie wody

Warunki tlenowe są tym gorsze, im większa jest ilość wody w glebie – przy zalewaniu gleb dochodzi do generowania warunków beztlenowych. Wody jest dużo, ale roślina z niej nie korzysta.

Zahamowanie oddychania tlenowego i spadek ilości ATP powoduje nagromadzenie produktów fermentacji, głównie alkoholowej i masłowej, co fatalnie wpływa na kondycję błon komórkowych i aktywność enzymów.

W warunkach beztlenowych rozwijają się bakterie, które produkują toksyny.

Po kilkudziesięciu godzinach zalania korzeni następuje ich mechaniczne uszkodzenie.

slajd 13/13

BILANS WODNY jest różnicą pomiędzy ilością wody pobranej przez roślinę (P), a ilością wody oddanej podczas transpiracji (T)

B = P – T

Bilans wodny może być:

• zrównoważony: P =T

• dodatni: P > T

• ujemny P < T

Ujemny bilans ma tragiczne skutki stres wodny (osmotyczny)

W4

Czynniki środowiskowe indukujące deficyt wody (tzw. stres wodny lub osmotyczny) w roślinie:

1. wysoka temperatura atmosfery – pobieranie nie nadąża za transpiracją

2. niski potencjał roztworu glebowego

3. niska temperatura gleby – gł. wiosną, wczesnym latem

(dzień – wysoka temp., noc – niska)

1. wymarzanie wody w glebie – na przedwiośniu (temp. powietrza > 0°C, ale woda w glebie jest zamarznięta)

DEFICYT WODY W KOMÓRCE wynika z jej odwodnienia i ma miejsce wtedy, kiedy potencjał wody w środowisku jest niższy od potencjału wody w komórce. Dochodzi do plazmolizy – obkurczania wakuoli, a potem całego protoplastu.

FUNKCJONALNE ZABURZENIA OBSERWOWANE PODCZAS STRESU OSMOTYCZNEGO.

1. odwodnienie błon komórkowych

prowadzi do:

• zaburzenia selektywności błony (niekontrolowany ruch substancji przez błony zewnętrzne i endomembrany)

• zachwianie homeostazy komórkowej (wysokie stężenia i niewłaściwy stosunek jonów jednowartościowych do dwuwartościowych)

1. odwodnienie białek cytoplazmy

• warstwa dipoli wody (otoczka wodna) utrzymuje wyższorzędową strukturę białka

• odwodnienie powodowane przez niewłaściwy stosunek jonów 1+ do 2+

1. nieodwracalna koagulacja białek, a następnie struktur subkomórkowych, zwana także krystalizacją

   • reszty aminokwasów odwodnionych białek reagują między sobą i z jonami, co powoduje utratę katalitycznych zdolności

   • organella łączą się ze sobą w agregaty i mechanicznie uszkadzają komórkę

2. spadek natężenia wielu procesów metabolicznych (fotosyntezy, asymilacji azotu, siarki, syntezy białek)

   • różne procesy są różnie wrażliwe – najbardziej fotosynteza, bo faza jasna wymaga utrzymania ścisłej struktury błon tylakoidów

   • po plazmolizie hamowane jest pobieranie mineralnych form azotu – po denaturacji białek uszkodzony zostaje pierwszy enzym – reduktaza azotanowa

3. spadek turgoru komórki

4. wzrost ilości H₂O₂ i innych reaktywnych form tlenu

• powodują utlenienie struktur (gł. Lipidów błonowych) i pogłębienie destrukcji błon

1. zaburzenia w syntezie fitohormonów

   • obniżona synteza cytokinin i auksyny – hormonów stymulujących wzrost

   • wzmożona synteza ABA i etylenu – hormonów hamujących wzrost

2. ograniczony wzrost

• w lecie nawet kilkugodzinne więdnięcie roślin ma ogromne przeniesienie na plonowanie

ODPORNOŚĆ ROŚLIN NA DEFICYT WODY (STRES WODNY) może mieć charakter:

• ODPORNOŚCI KONSTYTUCYJNEJ (adaptacji) – dziedziczona, warunkowana genetycznie

  • przystosowania morfologiczno – anatomiczne

  • przystosowania metaboliczne

    • ODPORNOŚCI NABYTEJ (aklimatyzacji)

  • przystosowania metaboliczne takie jak u roślin z odpornością konstytucyjną, ale mniej efektywne

PRZYSTOSOWANIA ANATOMICZNE umożliwiające retencję względnie dużych ilości wody w roślinie poprzez:

• ograniczenie transpiracji:

  • redukcja powierzchni liści

  • ilości aparatów szparkowych

  • wytwarzanie tzw. zagłębionych aparatów szparkowych

  • gruba, nieprzepuszczalna dla wody kutikula

  • warstwa wosku pokrywająca nadziemne części rośliny

• usprawnienie pobierania wody poprzez wykształcenie:

  • płytkiego, silnie rozgałęzionego systemu korzeniowego (kaktusy, sukulenty)

  • alternatywnie wytworzenie głębokiego korzenia palowego umożliwiającego pobieranie wody gruntowej (sosna)

  • wzrost proporcji systemu korzeniowego w stosunku do części nadziemnych

METABOLICZNE PRZYSTOSOWANIA roślin decydujące o odporności roślin na stres wodny.

1. Indukcja zamykania aparatów szparkowych.

   • pojawienie się dużych ilości ABA

   • wiązanie ABA do specyficznego receptora plazmolemowego (ABA z apoplastu) i cytoplazmatycznego (ABA uwalniany gł. z chloroplastu) indukuje kilka dróg transdukcji sygnału:

     • nr 1: otwarcie plazmolemowych wpustowych kanałów wapniowych indukujących transport Ca²⁺ z apoplastu do cytoplazmy

     • nr 2: ABA wiąże się do receptorów związanych z białkami G, następuje dysocjacja podjednostki α i związanie się jej z enzymem – fosfolipazą C. PLC rozkłada fosfatydyloinozytole błony (PIP₂) na diacyloglicerol (DAG) i trifosfoinozytol (IP₃). IP₃ indukuje wypływ Ca²⁺ do cytoplazmy przez wapniowe kanały retikulum endoplazmatycznego.

   • wzrost stężenia wapnia w cytoplazmie (wtórny przekaźnik) otwiera trzy typy kanałów tonoplastowych indukując wypływ Ca²⁺ i K⁺ z wakuoli do cytoplazmy

   • wapń indukuje także zamykanie plazmolemowych wpustowych kanałów K⁺ i otwieranie wypustowych kanałów potasowych i anionowych

   • indukowane są także pompy protonowe plazmolemy i tonoplastu, rośnie pH cytoplazmy, co zmienia stan otwarcia wypustowych kanałów potasowych – potas ucieka z komórki

   • w konsekwencji spada stężenie jonów K⁺ i Cl^– w komórkach szparkowych, rośnie potencjał osmotyczny i wodny, woda wypływa na zewnątrz, spada turgor i szparki zamykają się.

ADAPTACJA OSMOTYCZNA KOMÓREK.

Polega na akumulacji w komórkach substancji osmotycznie czynnych (tzw. osmoregulatorów). Obniżają one potencjał osmotyczny i wodny, co sprzyja retencji wody w komórce.

Osmoregulatory mogą być akumulowane w wakuoli i cytoplazmie:

w wakuoli:

• jony nieorganiczne, gł. K⁺

• kwasy organiczne, gł. jabłkowy i szczawiooctowy (synteza w cytoplazmie i transport do wakuoli)

• białko osmotyna (malutkie, mocno naładowane, syntezowane tylko w warunkach deficytu wodnego)

Niski potencjał wody w wakuoli prowadzi do gromadzenia w niej H₂O, co grozi odciąganiem wody z cytoplazmy.

w cytoplazmie:

Duże ilości jonów zgromadzonych w wakuoli równoważone są w cytoplazmie wysokimi stężeniami osmoregulatorów (np. glicyny-betainy), dzięki czemu przytrzymywane są duże ilości wody i nie dochodzi do odwodnienia cytosolu.

Osmoregulatory:

• aminokwasy: prolina

• cukry: sacharoza, trehaloza, maltoza

• IV-rzędowe związki amonowe:

glicyna-betaina

prolina-betaina

sulfonian choliny

• alkohole wielowodorotlenowe: pinitol, mannitol

Niektóre osmoregulatory pełnią funkcję osmoprotektorów (np. prolina). Akumulują się w sąsiedztwie konkretnych białek błonowych i cytoplazmatycznych, zapobiegając ich odwodnieniu i denaturacji (pozwalają na utrzymanie struktury wyższorzędowej)

SYNTEZA SPECYFICZNYCH BIAŁEK (tzw. LEA ang. late embriogenesis abudant) zwanych także dehydrynami.

• pełnią rolę osmoprotektorów, chronią białka i struktury subkomórkowe

• są obficie syntezowane w trakcie embriogenezy – dojrzewanie nasion jest pozytywnie skorelowane z odwadnianiem nasion (specyficzny stres wodny)

• grupowane są na podstawie struktury

• wykazują specyficzność funkcyjną i subkomórkową

• wiążą duże ilości wody (są obdarzone ładunkiem), nie pozwalają na odwodnienie struktur

• biorą udział w sekwestracji jonów – mogą wiązać kationy albo aniony

1. SYNTEZA AKWAPORYN.

• ilość specyficznych transkryptów akwaporynowych spada podczas stresu wodnego wraz ze spadkiem turgoru. W miarę jak komórki odzyskują turgor, ilość transkryptów rośnie. De novo syntetyzowane są głównie akwaporyny tonoplastowe.

• regulacja stanu otwarcia akwaporyn:

  • akwaporyny tonoplastu nie zmieniają stanu otwarcia, nie podlegają regulacji

  • stan otwarcia akwaporyn plazmolemowych regulowany jest przez fosforylację (otwieranie) i defosforylację (zamykanie) proteiny.

W warunkach właściwych stosunków wodnych w środowisku (wysoki potencjał wody) aktywowane są specyficzne kinazy białkowe zależne od wapnia fosforylujące akwaporyny plazmolemowe. Indukuje to otwarcie kanałów i przepływ wody zgodnie z gradientem potencjału wody.

W warunkach deficytu wodnego (niski potencjał wody w środowisku) dochodzi do defosforylacji akwaporyn, co powoduje zamykanie kanałów i uniemożliwia wypływ wody z komórki.

Kanały tonoplastowe są w tych warunkach otwarte, dzięki czemu woda z wakuoli przechodzi do cytoplazmy. Taki mechanizm zapobiega odwodnieniu cytoplazmy w warunkach deficytu wody w środowisku.

MOLEKULARNE PODSTAWY INDUKCJI ODPORNOŚCI ROŚLIN NA STRES WODNY.

1. Percepcja czynnika

2. Przetwarzanie i wzmacnianie sygnału (tzw. transdukcja sygnału)

3. Reakcja odpornościowa (indukcja ekspresji genów lub modyfikacja potranslacyjna istniejących białek)

PERCEPCJA I TRANSDUKCJA SYGNAŁU W STRESIE WODNYM:

• zmiany ciśnienia hydrostatycznego w komórce w wyniku stresu wodnego zmieniają naprężenie plazmolemy

• zmiany naprężenia zapoczątkowują nieznaną kaskadę zdarzeń prowadzącą do wzrostu poziomu ABA w apoplaście

• ABA asocjuje ze specyficznym receptorem i aktywuje wpustowe kanały wapniowe w plazmolemie

• rośnie cytoplazmatyczny poziom wapnia, co aktywuje enzymy zależne od wapnia, m.in. specyficzne fosfatazy (ABI1)

• w wyniku ich działania dochodzi do defosforylacji białka regulatorowego (=czynnik transkrypcyjny) i jego aktywacji

• czynnik aktywowany przez ABA wiąże się ze specyficzną konformacją nukleotydową DNA, zwaną ABRE lub G-box [CACGTG]

• czynnik transkrypcyjny aktywowany przez ABA należy do grupy tzw. czynników leucynowych (mają określoną sekwencję i tylko dlatego mogą się wiązać z ABRE)

Geny indukowane stresem wodnym i ABA:

Dwa geny LEA kodujące białka grupy 2 i 5, geny kodujące osmotyny i niektóre akwaporyny.

Początkowe etapy stresu solnego:

• Stres solny wywoływany jest głównie przez NaCl. Jony Na⁺ pobierane są przez struktury odpowiedzialne za transport jonów K⁺.

• Akumulacja jonów sodu w cytoplazmie (hamują enzymy metabolizmu azotowego).

• Niska aktywność pomp protonowych.

Procesy adaptacyjne do stresu solnego:

• aktywacja pomp protonowych plazmolemy i tonoplastu

• transkrypcyjna

• potranslacyjna (aktywacja kinaz fosforylujących pompy, wzmożenie aktywności)

• indukcja syntezy antyporterów Na/H

• usuwanie jonów sodu do apoplastu i wakuoli

efekt: niskie stężenie toksycznych jonów w cytoplazmie.

W5

FOTOSYNTEZA - synteza związków organicznych z prostych związków nieorganicznych z wykorzystaniem energii słonecznej.

6CO₂ + 6 H₂O światło, roślina C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Fotosynteza wymaga koordynacji dwóch faz: jasnej i ciemnej.

Istotą FAZY JASNEJ jest transformacja energetyczna (fotofosforylacja) – energia kwantów świetlnych jest zamieniana na energię wiązań chemicznych; powstaje siła asymilacyjna: ATP i NADPH.

FAZA CIEMNA to cykl Calvina, służy włączeniu CO₂ w związki organiczne.

In vitro mogą one przebiegać oddzielnie, in vivo – obie naraz.

Faza jasna – tylko w ciągu dnia, faza ciemna – w dzień i w nocy (w dzień natężenie większe).

STRUKTURA CHLOROPLASTÓW:

• podwójna błona

• złożony układ błon wewnętrznych – tworzą tylakoidy (pęcherzyki otoczone pojedynczą błoną):

  • tylakoidy granalne, tworzące grana (stosy)

  • tylakoidy intergranalne (stromy) – łączące grana

• stroma chloroplastu

• lumen (światło tylakoidu) – to, co jest ograniczone błona tylakoidową

CECHY BŁON CHLOROPLASTOWYCH (błony wewnętrznej i tylakoidowych):

• lipidowy zrąb błon chloroplastowych stanowią głównie GALAKTOLIPIDY (75%) zawierające duże ilości nienasyconych kwasów tłuszczowych (linolowego i linolenowego) - /dzięki temu duża półpłynność/

• błony chloroplastowe zawierają głównie estry diacyloglicerolowe. Niewiele jest w nich fosfolipidów (poniżej 15%) /fosfolipidy głównie w tonoplaście i plazmolemie/

• wszystkie lipidy stanowią 35-40% zawartości błon chloroplastowych

• dominującym składnikiem błon są białka pełniące różnorakie funkcje

• oprócz lipidów i białek błony chloroplastowe (dokładnie tylakoidowe) zawierają barwniki fotosyntetyczne umożliwiające absorpcję i transformację energii świetlnej.

WYSTĘPOWANIE BARWNIKÓW w różnych organizmach fotosyntetyzujących:

• najszerszą grupę stanowią barwniki chlorofilowe

  • chlorofil a – we wszystkich organizmach fotosyntetyzujących (specyficzne cząsteczki tego chlorofilu występują w centrach reakcji fotochemicznej, zapoczątkowują transport elektronów)

  • chlorofil b – zielenice i rośliny wyższe

  • chlorofil c – okrzemki, wiciowce, brunatnice

  • chlorofil d – krasnorosty

• karotenoidy (karoteny i ksantofile) – u wszystkich (u różnych organizmów różne)

• fikobiliny – tylko krasnorosty i cyjanobakterie

CHLOROFIL:

• układ porfirynowy chlorofilu tworzą 4 pierścienie wiążące atom magnezu (część hydrofilowa)

• światło jest absorbowane przez elektrony znajdujące się wewnątrz sieci pojedynczych i podwójnych wiązań pierścienia

• długi hydrofobowy ogon (fitol) kotwiczy cząsteczkę chlorofilu w dwuwarstwie lipidowej

• chlorofil a ma przy II pierścieniu pirolowym grupę metylową –CH₃, a chlorofil b aldehydową –CHO

• chlorofil a znajduje się w centrum reakcji, inne chlorofile łapią kwanty energii świetlnej i przekazują wzbudzenie na ten chlorofil

FEOFITYNA – cząsteczka chlorofilu pozbawiona magnezu:

• kolor: brunatny

• brak fluorescencji

• uzyskiwanie: stosowanie zasad

• w tylakoidach – transport elektronów w obrębie PS II

Absorpcja fal świetlnych przez chlorofil:

420-460nm – światło niebieskie

650-700nm – światło czerwono-pomarańczowe

BIOSYNTEZA CHLOROFILU:

• kwas glutaminowy łączy się z tRNA dzięki syntetazie glutamylo-tRNA, zużywana jest cząsteczka ATP, powstaje glutamylo-tRNA

• dzięki reduktazie glutamylo-tRNA i zużyciu cząsteczki NADPH przechodzi on w glutamylo-1-semialdehyd

• ten, dzięki aminotransferazie przechodzi w kwas δ-aminolewulinowy (δ-ALA)

• 2 cząsteczki δ-ALA łączą się dzięki syntetazie (dehydratazie) ALA w porfobilinogen (PBG), z wydzieleniem 2 cząsteczek wody [enzym tej reakcji jest hamowany przez metale]

• 4 cząsteczki PBG łączą się dzięki deaminazie porfobilinogenu w hydroksymetylobilan z wydzieleniem 4 cząsteczek NH₃

• hydroksymetylobilan dzięki syntazie uroporfirynogenu III odłącza wodę, następuje zamknięcie pierścienia i powstaje uroporfirynogen III

• dzięki dekarboksylazie przekształca się w koproporfirynogen III z wydzieleniem 4CO₂

• ten, dzięki oksydazie przechodzi w protoporfirynogen IX z wydzieleniem O₂,2H₂O,2CO₂

• dzięki kolejnej oksydazie powstaje protoporfiryna IX [do niej dzięki ferrochelatazie następuje przyłączenie żelaza i powstaje hem]

• dzięki magnezochelatazie (Mg-chelatazie) następuje przyłączenie magnezu do protoporfiryny IX i powstaje Mg-protoporfiryna

• do niej przyłączana jest grupa metylowa, dzięki metylotransferazie i powstaje

ester Mg-protoporfirynomonoetylowy

• kolejne trzy reakcje to redukcje, w każdej zużywana jest cząsteczka NADPH

  • dzięki cyklazie powstaje diwinyloprotochlorofilid a

  • z niego dzięki reduktazie powstaje monowinyloprotochlorofilid a [nagromadza się podczas etiolacji roślin]

  • kolejne przekształcenie zachodzi dzięki oksydoreduktazie protochlorofilidu, powstaje chlorofilid a; ta reakcja wymaga światła.

• do chlorofilidu a, dzięki syntetazie chlorofilu, przyłączany jest fitol; powstaje chlorofil a

• pozostałe chlorofile powstają z chlorofilu a – chlorofil b dzięki oksygenazie

KAROTENOIDY

• są zbudowane wg schematu:

nienasycony łańcuch węglowodorowy + pierścienie jonowe na końcach

• karoteny – nie zawierają tlenu, barwa czerwono-pomarańczowa

• ksantofile – zawierają tlen, barwa pomarańczowo-żółta

• swobodnie przechodzą w siebie (wiolaksantyna zeaksantyna)

• funkcje:

  • wyłapują kwanty światła (wchodzą w skład systemów antenowych),

  • chronią fotosystemy przed fotooksydacją (destrukcją świetlną)

  • nadają barwę organom roślinnym

• należą do tetraterpenów

BIOSYNTEZA TERPENOIDÓW:

• 2 cząst. acetylo-CoA łączą się ze sobą dzięki acetylotransferazie acetylo-CoA i powstaje acetoacetylo-CoA

• dzięki syntazie HMG-CoA i kolejnej cząsteczce acetylo-CoA powstaje HMG-CoA, czyli hydroksy-metylo-glutarylo-CoA

• zostaje on zredukowany przez reduktazę przy udziale 2 cząst. NADPH do kwasu mewalonowego (MVA)

• z niego dzięki dwóm kinazom i 2 cząst. ATP powstaje pirofosforan MVA

• dzięki dekarboksylazie i zużyciu kolejnej cząst. ATP powstaje pirofosforan izopentylu (IPP) – podstawowa jednostka do tworzenia terpenoidów

• izomeraza przekształca IPP w dimetyloallylopirofosforan (DPP albo DMAPP)

• IPP i DMAPP (oba posiadają 5 węgli) łączą się z wydzieleniem pirofosforanu w pirofosforan geranylu (GPP)

└→ z niego powstają MONOTERPENY (10C)

• olejki eteryczne, np. mentol

• mają określony zapach

• pełnią funkcje obronne przed patogenami

• przyłączenie cząsteczki IPP do GPP skutkuje wydzieleniem pirofosforanu i wytworzeniem pirofosforanu farnezylu (FPP)

└→ z niego powstają SESKWITERPENY (15C)

• ABA (kw. abscysynowy) – inhibitor wzrostu odpowiedzialny za starzenie, uwalniany w warunkach stresogennych

• przyłączenie cząsteczki IPP do FPP skutkuje wydzieleniem pirofosforanu i wytworzeniem pirofosforanu geranylo-geranylu (GGPP)

└→ z niego powstają DITERPENY (20C)

• fitol

• gibereliny – 50 rodzajów, induktory wzrostu, dojrzewania nasion i zarodka

• połączenie 2 cząst. FPP skutkuje wydzieleniem 2 cząst. pirofosforanu i powstaniem skwalenu

└→ z niego powstają TRITERPENY i STEROIDY (30C)

• błony zewnętrzne, endomembrany

• regulacja aktywności białek membranowych

• z 2 cząst. GGPP powstaje fitoen oraz 2 cząst. pirofosforanu

└→ z niego powstają TETRATERPENY (40C)

BIOSYNTEZA KAROTENÓW I KSANTOFILI

• prekursor: difosforan geranylo-geranylu

2GGPP → fitoen + PP_i [enzym: syntaza fitoenu]

• obejmuje kilkanaście etapów

• zidentyfikowano wszystkie enzymy tego szlaku

Deasaturazy powodują wytwarzanie wiązań podwójnych między węglami.

fitoen

desaturaza fitoenu

fitofluen

desaturaza fitoenu

ζ-karoten (dzeta karoten)

desaturaza ζ-karotenu

neurosporen

desaturaza ζ-karotenu

lycopen

β-cyklaza lycopenu

β-cyklaza lycopenu + ε-cyklaza lycopenu

β-karoten α-karoten

β-hydroksylaza β-hydroksylaza

+ ε-hydroksylaza

zeaksantyna luteina

epoksydaza de-epoksydaza

zeaksantyny wiolaksantyny

anteraksantyna

epoksydaza de-epoksydaza

zeaksantyny wiolaksantyny

wiolaksantyna

syntaza neoksantyny

neoksantyna

karoteny zbudowane są jedynie z węgla i wodoru

ksantofile powstają z karotenów poprzez utlenienie

FIKOBILINY:

• barwniki występująca u sinic i krasnorostów

• absorbują światło w zakresie 550-650nm

• zbudowane są z 4 pierścieni pirolowych połączonych szeregowo (tzw. układ bilanu)

• w połączeniu z białkami tworzą struktury antenowe zwane fikobilisomami

• powstają przed protoporfiryną w szlaku tworzenia chlorofilu

WIDMA ABSORPCYJNE barwników roślinnych:

• chlorofile 420-460nm, 650-670nm

• karoteny 400-500nm

• fikoerytryna 550-570nm

• fikocyjanina 630nm

Światło zielone nie jest wykorzystywane.

Karotenoidy mają szerokie maksimum absorpcji (jest ich dużo, każdy karotenoid ma nieco inne maksimum absorpcji).

Karotenoidy pochłaniają światło niebieskie.

Maksimum spektrum czynnościowego (dla wszystkich barwników naraz) pokrywa się z długościami fal pochłanianymi przez chlorofil.

Cechy charakterystyczne energii świetlnej:

1. Promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem elektromagnetycznym.

2. Promieniowanie elektromagnetyczne wykazuje dwoista naturę: korpuskularną i falową

3. Naturę falową światła określa długość fali (λ) i częstotliwość fali (ν).

4. Charakterystyczną cechą korpuskularnej natury światła są fotony – elementarne cząstki materii o określonej energii, zwanej kwantem o masie spoczynkowej równej 0.

5. Energia fotonu zależy od częstotliwości i wynosi:

E = hν

gdzie h jest stałą Plancka (6,626 x 10^-34 J*s)

1. Ponieważ częstotliwość fali jest odwrotnie proporcjonalna do jej długości (ν = 1/ λ), to energia pojedynczego fotonu będzie tym większa, im krótsza będzie długość fali.

E = h*c/ λ

Zmiany stanu energetycznego cząsteczki chlorofilu podczas absorpcji energii świetlnej.

Energia jest akumulowana w asymilatach, ich rozkład uwalnia energię. Transformacja energii świetlnej w chemiczną jest skomplikowana.

Absorpcja kwantu światła przez barwnik powoduje jego wzbudzenie (przeniesienie elektronu na wyższy poziom)

• światło niebieskie:

  • kwant światła niebieskiego jest bogatszy w energię

  • jego absorpcja powoduje wzbudzenie elektronu do drugiego stanu singletowego (bardzo nietrwała forma wzbudzenia – 10^-12s)

  • następuje utrata części energii w postaci ciepła i przejście na pierwszy wzbudzony stan singletowy (czas trwania 10^-8s, 10^-9s)

  • potem wygaszanie wzbudzenia

• światło czerwone:

  • wzbudzenie do pierwszego stanu singletowego

  • potem wygaszanie wzbudzenia

WYGASZANIE:

• fluorescencja (F) – cząsteczka chlorofilu emituje kwanty energii świetlnej o długości fali większej (cząsteczka chlorofilu przybiera barwę czerwoną)

• emisja ciepła (C) – nie ma znaczenia dla fotosyntezy, w ten sposób wygaszana jest większość wzbudzeń; przejście w stan podstawowy

• przekazanie elektronu na kolejną cząstkę akceptora – zarezerwowane dla chlorofilu a

• utrata małej porcji energii (emisja ciepła) – zachodzi przejście w stabilny stan tripletowy, z niego:

  • przekazanie energii wzbudzenia na zasadzie rezonansu magnetycznego na inną cząsteczkę w pobliżu (w obrębie anten)

  • fosforescencja – emisja fali świetlnej, zielone świecenie chlorofilu

  • przekazanie energii na inne akceptory - np. cząsteczkę O₂, co powoduje powstanie tlenu singletowego (takie generowanie wolnych rodników jest bardzo niebezpieczne, mają one bowiem krótki okres półtrwania i przekazują energię na inne molekuły – np. kwasy tłuszczowe i lipidy, co powoduje destrukcję błon chloroplastów; dobrze jeżeli rodniki przekażą energię na karotenoidy)

  • przekazanie energii na karotenoidy, które rozpraszają ją w formie ciepła – mechanizm ochronny

W6

slajd 2/19

SENS FAZY JASNEJ: transformacja energetyczna:

energia kwantu światła energia wiązania w ATP

Siła asymilacyjna: ATP, NADPH

W błonach tylakoidów umieszczone są elementy odpowiadające za transport elektronów inicjowany absorpcją energii świetlnej. Prowadzi on do generowania gradientu potencjału chemicznego (różne ładunki po obu stronach błony)

NA ŁAŃCUCH TRANSPORTUJĄCY ELEKTRONY (e^-) składają się:

• integralne (nieruchome) składniki błon

• PS II

• kompleks cytochromów b₆f

• PS I

• reduktaza NADP (przenosi e^- na NADP, redukując go do NADPH)

• elementy ruchome – funkcjonują pomiędzy integralnymi

• plastochinon – penetruje błonę w poprzek, odbiera e^- z PS II ze stromy, oddaje na stronie lamelarnej; transportuje także protony ze stromy do światła tylakoidu

• plastocyjanina – ślizga się po powierzchni wewnątrz tylakoidu

• ferredoksyna – związana od strony stromy, ślizga się po powierzchni błony

Po wybiciu elektronu z PS II powstaje „dziura”. Musi ona zostać zapełniona, dlatego istnieje układ enzymatyczny rozkładający wodę. Posiada on centrum manganowe (4Mn)

2 H₂O 4 H⁺ +O₂ (e^- do stromy, H⁺ do lumen)

W świetle tylakoidów gromadzą się protony. Ich gradient wykorzystywany jest przez syntazę ATP, która wyrzuca protony do stromy, a energię uzyskaną z wyrównywania potencjału elektrochemicznego wykorzystuje do utworzenia ATP.

Spontaniczne przekazywanie e^- jest możliwe, gdy akceptory mają potencjał redoks niższy od donora.

Cząsteczka chlorofilu a musi dostać odpowiednią porcję energii. Pobudzenie jednej cząsteczki nie wystarczy – potrzebny cały system anten, barwników otaczających koncentrycznie specjalną parę cząsteczek chlorofilu. Najbardziej zewnętrznie położone są karotenoidy, bliżej inne cząsteczki chlorofilu b i a. Takie uporządkowanie umożliwia przekazywanie energii. Zaburzenia struktury doprowadzają do rozpraszania światła, wskutek czego cząsteczki w centrum reakcji fotochemicznej nie ulegają wzbudzeniu.

BARWNIKÓW ANTENOWYCH (LHC) wokół PS II jest dużo więcej.

Monomer LHC zawiera trzy transmembranowe helisy, które wiążą 12 cząsteczek chlorofilu a i b oraz karotenoidy. Monomery łącza się w trimery zasocjowane z rdzeniem PS II poprzez monomery LHC6. Trimeryczne układy mogą dysocjować od fotosystemu II i przesuwać się w kierunku fotosystemu I (wyrównanie energii, by nie tworzyły się rodniki)

System LHC I jest na stałe zasocjowany z PS I

Energia absorbowana przez barwniki antenowe przekazywana jest na parę cząsteczek chlorofilu a w centrum aktywnym fotosystemu.

Następuje wzbudzenie chlorofilu a i przekazanie elektronu na kolejny akceptor znajdujący się przy stromalnej powierzchni tylakoidu (w PS II jest to związany plastochinon).

Wtedy ładunek błony po stronie stromalnej jest ujemny, a po stronie lumen dodatni. Separacja ładunku jest nieodwracalna.

Akceptor z dodatkowym elektronem (plastochinon) staje się silnym reduktorem i łatwo oddaje e^- następnej cząsteczce. Pozytywnie naładowana cząsteczka chlorofilu a (która oddała e^- na plastochinon) jest silnym utleniaczem i chętnie odbiera elektron z donora po stronie lumen.

STRUKTURALNY MODEL FOTOSYSTEMU II ROŚLIN WYŻSZYCH I GLONÓW:

• polipeptydy rdzeniowe – zaangażowane w reakcje fotochemiczne

D1,D2 – na nich wszystkie elementy transportujące elektrony w obrębie PS II

• bezpośrednio z nimi zasocjowane są anteny wewnętrzne (C i B) z nimi połączone są cząsteczki chlorofilu a

• polipeptydy tworzące system barwników antenowych (na slajdzie zielone)

w pewnych warunkach LHC 1,2,3 mogą dysocjować i przesuwać się w kierunku PS I

• polipeptydy E i F (fioletowe) – funkcja we właściwym przekazywaniu elektronów, zawierają cytochrom b₅₅₀

• system rozkładający wodę – 5 polipeptydów od strony stromy (białe)

TRANSPORT ELEKTRONÓW W OBRĘBIE FOTOSYSTEMU II

a) wybicie e^- z P680

↓przekazanie na pierwszy akceptor związany z D1, czyli cząsteczkę feofityny (chlorofil bez magnezu)

↓plastochinon związany w miejscu Q_A polipeptydu D1 (może przyjmować tylko 1e^-, nie ma możliwości przejścia w formę chinolową)

↓plastochinon w miejscu Q_B na D1 (przechodzi w plastosemichinon)

b) dziura elektronowa w P680

↓wyciąganie elektronu z tyrozyny zlokalizowanej w miejscu Z na D1

↓tyrozyna poprzez centrum manganowe wyciąga 4e^- z H₂O (by zabrać 4e^- konieczna jest czterokrotna inicjacja reakcji, czyli aktywacja P680)

wyciągnięcie e^- z wody powoduje rozpad na 4H⁺ i O₂ (jednoczesny rozkład 2 cząsteczek H₂O)

centrum rozkładające wodę – 4 atomy manganu – sprzęga usuwanie 4e^- z wody z przekazywaniem e^- na P680; swoisty akumulator

FOTOOKSYDACJA H₂O (TZW. SCHEMAT S)

Centrum rozkładające wodę występuje w stanie podstawowym S₀ i czterech stanach utlenienia S₁ – S₄

utlenienie P680 powoduje wyciągnięcie elektronu z Mn (Mn³⁺ Mn⁴⁺) i tym samym przejście układu za stanu S₀ w stan S₁

ta sama sytuacja powtarza się, aż zostaną utlenione wszystkie 4 atomy magnezu, a układ przejdzie w stan S₄

kiedy układ osiąga najwyższy stan utlenienia, następuje rozkład wody. 4e z tego rozkładu redukują wszystkie atomy Mn; tlen i protony uwalniane są do lumen

przeprowadzono doświadczenie: zawiesinę chloroplastów naświetlano pojedynczymi kwantami światła czerwonego – maksymalne wydzielenie tlenu następowało po czterokrotnym naświetlaniu.

PLASTOCHINON w miejscu Q_B pozostaje w formie semichinonowej (patrz slajd 7/19) i czeka na drugi elektron (konieczne drugie wzbudzenie P680)

elektron trafia na plastosemichinon, jednocześnie następuje spontaniczne przyłączenie dwóch protonów (pochodzących ze stromy), co powoduje przejście w plastochinol (czyli pełną redukcję)

plastochinol zostaje uwolniony z miejsca Q_B

PLASTOCHINOL (PQH₂) dysocjuje w kierunku kompleksu cytochromu b₆f

wiązany jest od strony lumen w miejscu Q_p – tam następuje utlenienie (jedna reakcja – jednoczesne pozbawienie cząsteczki dwóch elektronów i dwóch protonów)

istnieją DWA AKCEPTORY ELEKTRONOWE:

• 1 elektron trafia na żelazo białka Riskiego (znajduje się ono po stronie lumen, symbol RFeS – układ aktywny przedstawiony na slajdzie), z niego na cytochrom f i potem na plastocyjaninę (PC), wiązaną przez kompleks po stronie lumen

• 2 elektron wiązany jest przez żelazo cytochromu b, następuje zmiana potencjału redoks cytochromu i przekazanie elektronu na plastochinon związany w miejscu Q_n (plastochinon przechodzi w plastosemichinon i pozostaje na miejscu Q_n)

następnym razem (po kolejnej aktywacji P680) plastochinol znów trafia do miejsca Q_p , następuje utlenienie i przekazanie elektronów na akceptory:

• 1 elektron – jak wyżej (plastocyjanina może przyjąć elektron po pozbyciu się poprzedniego)

• 2 elektron wędruje przez cytochrom b na plastosemichinon, tworzy się plastochinol, który znów może być utleniony na cytochromie b₆f

za każdym „obrotem” kompleksu do lumen trafiają 2 H⁺ - plastochinol funkcjonuje jako pompa protonowa (zakwasza wnętrze tylakoidów)

PLASTOCYJANINA uwolniona z kompleksu cytochromu b₆f wędruje do PS I, gdzie zostaje związana przez polipeptyd F.

oddaje e^- na centrum reakcji fotochemicznej (P700 odbiera elektron od plastocyjaniny tylko po uprzednim wzbudzeniu, w wyniku którego powstaje dziura elektronowa)

e^- z P700 jest przenoszony na cząsteczkę chlorofilu a w miejscu A₀ na polipeptydzie B →

→ potem zgodnie z potencjałem redoks na filochinon (wit. K) w miejscu A₁ →

→ na żelazo centrum żelazowo-siarkowego (F_X) na polipeptydzie A →

→ na żelazo centrów żelazowo-siarkowych (F_A i F_B) na polipeptydzie C → na ferredoksynę

BUDOWA PS I:

• polipeptydy rdzeniowe A-E tutaj wszystkie elementy transportujące,

D i E są zaangażowane w wiązanie ferredoksyny

• polipeptyd F wiązanie plastocyjaniny po stronie lumenarnej

• pozostałe polipeptydy wiążą barwniki antenowe (czyli są antenami); /jasnozielone na slajdzie to anteny zewnętrzne tworzące układ LHC II/

LHC II pozostaje w luźnym związku z PS II. Podczas transportu elektronów następuje fosforylacja LHC II na skutek aktywacji kinazy przez plastochinol (PQH₂). Zmienia to na tyle strukturę LHC II, że następuje uwolnienie systemu antenowego z PS II i migracja do lamelli intergranalnych, w pobliże PS I.

„Aktywowany” jest transport elektronów na ferredoksynę i potem NADP⁺. Plastochinol jest utleniany do plastochinonu (PQ). Wysokie stężenie PQ sprzyja defosforylacji LHC II (na skutek aktywacji fosfatazy) i powrotowi kompleksu do tylakoidów granalnych.

W ten sposób LHC II zapewnia równomierną dystrybucję energii pomiędzy dwa fotosystemy. Zapewnia to sprawny transport elektronów i maksymalną produkcję siły asymilacyjnej.

Jeśli wzbudzenie PS II i PS I jest niewspółmierne, może dochodzić do tworzenia niebezpiecznych rodników tlenowych.

elektrony z ferredoksyny przekazywane są na reduktazę NADP, następuje także przyłączenie protonu do NADP i powstaje NADPH, element siły asymilacyjnej

transportowi elektronów z wody na NADP⁺ towarzyszy transport protonów ze stromy do lumen i gromadzenie ładunków dodatnich w świetle tylakoidów. To generuje potencjał elektrochemiczny, który stanowi pierwotną siłę protomotoryczną wykorzystywaną przez czynnik sprzęgający (syntazę ATP)

gdy pula utlenionych nukleotydów (NADP⁺) jest niewielka, elektrony z ferredoksyny powracają na plastochinon (dzięki enzymowi – oksydo-reduktazie ferredoksyna-plastochinon), a ten przekazuje je na cytochrom b₆f – następuje cykliczny obrót elektronów

znaczenie CYKLICZNEGO TRANSPORTU:

1. nie dochodzi do wytwarzania wolnych rodników w obrębie chloroplastu

2. w poprzek błony tworzony jest gradient protonowy wykorzystywany przez syntazę ATP do syntezy ATP

SYNTAZA ATP:

• ok. 500 kDa

• podobna do V-ATPazy

• podjednostki syntazy tworzą dwa oddzielne sektory – CF₀ i CF₁

• CF₀ – sektor błonowy, funkcjonujący jako kanał protonowy, zbudowany z czterech podjednostek (I, II, III, IV)

  • 6-8 kopii polipeptydu III tworzy transmembranowy kanał, przez który w sposób spontaniczny płyną protony

  • podjednostki I, II, IV tworzą element stabilizujący całe białko – stabilizator (stator), wzmacniany przez jeden z polipeptydów sektora CF₁

  • CF₁ – pozabłonowy, łatwo spowodować jego dysocjację, zawiera centra katalityczne odpowiadające za syntezę ATP, składa się z pięciu podjednostek (Alfa, Beta, Gamma, δ, ε)

    • Alfa (3x) – podjednostki katalityczne (transformują energię zgromadzoną w formie gradientu potencjału w energię wiązania chemicznego – tworzenie ATP)

    • Beta (3x) – podjednostki regulatorowe

    • Gamma – przenosi na podjednostki Alfa efekty wywołane przepływem protonów przez CF₀ (przepływ H⁺→ rotacja CF₀→ rotacja podjednostki Gamma→ zmiana położenia w stosunku do Alfa)

MECHANIZM SYNTEZY ATP zaproponowany przez Paula Boyera zakłada, że energia uwalniana podczas transportu H⁺ przez CF₀ nie jest bezpośrednio wykorzystywana do syntezy wiązania wysokoenergetycznego w ATP, ale do zmian konformacyjnych centrów katalitycznych enzymu, umożliwiających uwalnianie związanej cząsteczki ATP.

CF₁ zawiera trzy centra wiążące nukleotydy, każde z nich może występować w trzech odmiennych konformacjach:

• otwartej (O) – właściwie brak wiązania nukleotydu, bardzo słabe powinowactwo

• luźnej (L) – wiązanie ADP i P_i, średnie powinowactwo

• zamkniętej (T) – wiązanie ATP, wysokie powinowactwo

Zmiany konformacyjne indukowane przepływem protonu przez CF₀ powodują rotację podjednostki Gamma i wewnętrzną konwersję (zmianę) strukturalną centrów katalitycznych, zmieniającą ich powinowactwo do substratów.

• O L (umożliwia związanie ADP i P_i)

• L T (zbliżenie miejsc związania ADP i P_i , odwodnienie i synteza wiązania

wysokoenergetycznego prowadząca do powstania ATP)

• T O (uwolnienie ATP)

Uwaga! Sama synteza ATP nie wymaga energii, następuje zmiana konformacyjna powodująca zbliżenie ADP i P_i

PRODUKTY FAZY JASNEJ FOTOSYNTEZY to tzw. siła asymilacyjna:

ATP (adenozyno-5’-trifosforan) – potencjalnie niesie energię

NADPH (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) – nie jest związkiem wysokoenergetycznym, ale to równoważnik redukcyjny (redukcja węgla nieorganicznego i włączanie do związków organicznych)

W7

FAZA CIEMNA FOTOSYNTEZY = CYKL CALVINA

Przemiany cyklu dzielą się na 3 etapy:

I – karboksylacja

II – redukcja

III – regeneracja

Zlokalizowany w stromie.

Reakcje służą asymilacji CO₂ i wbudowywaniu go w związki organiczne. Produktami są cząsteczki trójwęglowe – aldehyd 3-fosfoglicerynowy /GAP/ (powstaje w wyniku I i II etapu)

III etap – dużo reakcji – odtwarzanie pierwotnego akceptora CO₂ czyli

rybulozo-1,5-bisfosforanu

aż 5/6 GAP służy odtworzeniu pierwotnego akceptora

tylko 1/6 GAP to rzeczywisty zysk

ETAP I TO KARBOKSYLACJA RYBULOZO-1,5-BISFORANU (RUBP)

(przyłączenie CO₂ do czwartego węgla – powstaje bardzo nietrwały związek, który natychmiast rozpada się na 2 cząst. kwasu 3-fosfoglicerynowego)

reakcja jest katalizowana przez karboksylazę/oksygenazę rybulozo-1,5-bisforanu (RUBISCO)

RUBISCO może przyłączać tlen rozpoczynając fotooddychanie

RUBISCO roślin wyższych:

• składa się z 8 podjednostek dużych (L, 56 kDa) i z 8 małych (S, 14 kDa)

• każdy łańcuch L zawiera miejsca katalityczne i regulatorowe, które decydują o aktywności enzymatycznej

• podjednostki S zwiększają katalityczną aktywność podj. L

• podj. L (duże) kodowane są przez geny chloroplastowe

• podj. S (małe) kodowane są przez geny jądrowe

• występuje najobficiej w tkankach zielonych – czasem stanowi aż 50% białek liścia

aktywacja RUBISCO to proces enzymatyczny wymagający nakładu energii, stymulowany alkalizacją stromy i wzrostem stężenia Mg²⁺

aktywaza RUBISCO związana z ATP wchodzi w interakcję z RUBISCO, następuje hydroliza ATP, dzięki czemu nieaktywna forma RUBISCO przechodzi w aktywną (następuje zmiana konformacji)

RuBP oddysocjowuje, a do reszty ε-aminowej lizyny RUBISCO przyłącza się CO₂ (karbamylacja)

aktywna forma RUBISCO to karbamylo-RUBISCO

aktywacja możliwa jest tylko wtedy, gdy zachodzi faza jasna fotosyntezy – w wyniku indukowanego światłem kierunkowego transportu elektronów i protonów przez błony tylakoidów pH lumen spada, a pH stromy rośnie. Transportowi H⁺ do tylakoidów towarzyszy wypływ Mg²⁺ do stromy.

Wysokie pH sprzyja przyłączaniu CO₂ do RUBISCO i tworzeniu karbaminianu oraz przyłączeniu Mg²⁺ (następuje aktywacja)

W ciemności pH stromy spada, a pH lumen rośnie. Następuje transport magnezu do lumen, dekarboksylacja i inaktywacja enzymu.

Brak równowagi cyklu Calvina ma negatywne przełożenie na fazę jasną fotosyntezy – równowaga jest przesunięta w kierunku ATP i zredukowanych form nukleotydów, w chloroplastach brakuje utlenionych form, następuje „przytkanie” łańcucha przekazującego elektrony w fazie jasnej fotosyntezy. Elektrony trafiają na akceptory przypadkowe, np.O₂ i powstają wolne rodniki uszkadzające błony tylakoidowe.

Ważna jest równowaga między fazą ciemną a jasną fotosyntezy. Faza ciemna zależy pośrednio od światła (konkretnie od siły asymilacyjnej powstającej na świetle)

ETAP II CYKLU CALVINA TO REDUKCJA KWASU 3-FOSFOGLICERYNOWEGO. Zostaje wytworzony pierwszy produkt fazy ciemnej – aldehyd 3-fosfoglicerynowy. W reakcji zużyciu ulegają oba produkty fazy jasnej:

ATP służy do fosforylacji kwasu 3-fosfoglicerynowego

NADPH służy do redukcji kwasu 1,3-difosfoglicerynowego

Ostatnim, III ETAPEM FAZY CIEMNEJ JEST REGENERACJA. Do tej pory z 3 cząsteczek CO₂ i 3 cząsteczek pentozy (RuBP) otrzymaliśmy 6 cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego /GAP/ (związku trójwęglowego)

Jedna cząst GAP (I) jest zyskiem i służy do syntezy innych związków – sacharozy, skrobi, celulozy, a tym samym do budowy komórek, tkanek, organów (na schemacie to strzałka najbardziej po prawej)

Cząsteczka GAP (II) dzięki izomerazie triozofosforanowej przekształca się w

3-fosfodihydroksyaceton (nadal związek trójwęglowy – C3), który łączy się z kolejną cząsteczką GAP (III) (także C3), dając, dzięki aldolazie, fruktozo-1,6-bisfosforan (C6)

fruktozo-1,6-bisfosforan, dzięki fosfatazie fruktozo-1,6-bisfosforanowej, przekształca się we fruktozo-6-fosforan (C6) – nastąpiło odłączenie jednej reszty fosforanowej

fruktozo-6-fosforan reaguje z kolejną cząsteczką GAP (IV), przekazując na nią kawałek dwuwęglowy. W wyniku tej reakcji, katalizowanej przez transketolazę, z fruktozo-6-fosforanu (C6) powstaje erytrozo-4-fosforan (C4), a z GAP (C3) ksylulozo-5-fosforan (C5)

ksylulozo-5-fosforan przechodzi reorganizację wewnętrzną dzięki epimerazie rybulozo-5-fosforanowej i powstaje rybulozo-5-fosforan (C5)

erytrozo-4-fosforan wchodzi w reakcję z 3-fosfodihydroksyacetonem (powstał z GAP (V) dzięki izomerazie triozofosforanowej) i tworzy się sedoheptulozo-1,7-bisfosforan (C7)

sedoheptulozo-1,7-bisfosforan (C7) dzięki fosfatazie przekształca się w sedoheptulozo-7-fosforan (C7)

sedoheptulozo-7-fosforan (C7) jest dawcą kawałka dwuwęglowego w reakcji z GAP (VI) katalizowanej przez transketolazę. Z sedoheptulozo-7-fosforanu (C7) powstaje rybozo-5-fosforan (C5), a z GAP (C3) ksylulozo-5-fosforan (C5)

ksylulozo-5-fosforan dzięki epimerazie rybulozo-5-fosforanowej przekształca się w rybulozo-5-fosforan

rybozo-5-fosforan dzięki izomerazie rybozo-5-fosforanowej przechodzi w rybulozo-5-fosforan

dzięki tym wszystkim reakcjom uzyskaliśmy 3 cząsteczki rybulozo-5-fosforanu, które to dzięki kinazie rybulozo-5-fosforanowej przekształcają się w 3 cząsteczki rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP). W tej reakcji następuje zużycie 3 cząst. ATP.

Zaszła pełna regeneracja RuBP (powstały 3 cząst., które mogą przyjąć 3 cząst. CO₂, rozpocznie się więc I etap – karboksylacja)

ALDOLAZY – katalizują kondensację aldolową ketozy (dihydroksyacetonu) z aldozą (GAP)

TRANSKETOLAZY – przenoszą reszty dwuwęglowe (CH₂OH–CO–) z ketozy na aldozę

FOSFATAZY – defosforylują – odłączają resztę fosforanową

KINAZY – fosforyzują – przyłączają resztę fosforanową

Regulacja enzymów fazy ciemnej przez system ferredoksyno-tioredoksynowy

(jest zależna od fazy jasnej – w niej następuje redukcja ferredoksyny)

regulacja enzymów przebiega na zasadzie redukcji i utleniania

enzymy podlegające regulacji:

1. RUBISCO

2. dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego

3. fosfataza fruktozo-1,6-bisfosforanu

4. fosfataza sedoheptulozo-1,7-bisfosforanu

5. kinaza fosforybulozowa

Za redukcję odpowiada małe, rozpuszczalne białko ze stromy – tioredoksyna. Zredukowana oddaje protony na mostki siarczkowe S-S w utlenionej formie enzymu, który dzięki temu przechodzi w formę zredukowaną. Tioredoksyna natomiast przechodzi z formy zredukowanej (-SH SH-) w utlenioną (-S-S-).

Ponowna redukcja tioredoksyny jest przeprowadzana przez reduktazę ferredoksyna/tioredoksyna. Równoważnikiem jest ferredoksyna, która zostaje zredukowana w fazie jasnej.

Wiązanie CO₂ jest wielokrotnie wyższe w ciągu dnia niż nocy.

RUBISCO jest niedoskonałą karboksylazą, ponieważ w pewnych warunkach do RuBP przyłącza O₂ zamiast CO₂, co powoduje rozpad rybulozo-1,5-bisfosforanu na dwie cząsteczki: fosfoglicerynian (C3) i fosfoglikolan (C2)

Ta reakcja inicjuje FOTOODDYCHANIE (fotooksydację, oddychanie na świetle) – proces kataboliczny. W naturalnych warunkach zachodzi on podczas spadku stosunku CO₂ do O₂ w przestrzeniach międzykomórkowych tkanek roślinnych (po zamknięciu aparatów szparkowych – np. z powodu zbyt dużego naświetlenia lub wysokiej temperatury)

W atmosferze CO₂ stanowi 0,036%, a O₂ 21%

fosfoglikolan (2-phosphoglycolate) jest transportowany z chloroplastów do peroksysomów lub glioksysomów, po drodze ulega defosforylacji do glikolanu.

Glikolan zostaje utleniony do glioksalanu przez oksydazę. Powstaje H₂O₂ rozkładany natychmiast przez katalazę do H₂O i O₂.

Glioksalan jest substratem dla aminotransferaz (przenoszą NH₂). Powstaje z niego glicyna (na dwa sposoby):

1. reszta NH₂ jest pobierana z seryny transportowanej do peroksysomu z mitochondrium (z seryny powstaje hydroksypirogronian, który zostaje w peroksysomie)

2. reszta NH₂ jest pobierana z glutaminianu transportowanego do peroksysomu z chloroplastu (z glutaminianu powstaje α-ketoglutaran, który jest transportowany do chloroplastu)

Dwie cząsteczki glicyny transportowane są do mitochondrium. Jedna dzięki dekarboksylazie i cząsteczce NAD ulega rozpadowi na CO₂ i NH₃, a grupa CH₂ przyłącza się do tetrahydrofolianu (THF, kofaktor szeregu syntetaz wymagających pojedynczych grup węglowych), który przenosi ją na drugą cząst. glicyny tworząc serynę.

Seryna jest transportowana do peroksysomu, gdzie staje się dawcą NH₂ (patrz wyżej- 1) i przechodzi w hydroksypirogronian. Ten ostatni dzięki reduktazie przekształca się w glicerynian transportowany do chloroplastu. Tam glicerynian ulega fosforylacji do 3-fosfoglicerynianu i wchodzi w cykl Calvina.

α-ketoglutaran po transporcie do chloroplastu wchodzi w reakcję z glutaminą (reakcja katalizowana przez aminotransferazę). Powstają dwie cząsteczki glutaminianu. Jedna trafia do peroksysomu gdzie jest dawcą NH₂(patrz wyżej- 2), a druga przyłącza NH₃ wydzielone w mitochondriach z glicyny i przetransportowane następnie do chloroplastu. Przyłączenie NH₃ do glutaminianu i wytworzenie glutaminy zużywa energię w postaci ATP.

SENS FOTOODDYCHANIA:

• dostarczanie aminokwasów

• dostarczanie grup aminowych do aminacji karboksykwasów w chloroplastach

u roślin typu C₃ (nazwa od pierwszego produktu – trójwęglowego związku) istnieje tylko RUBISCO. Fotooddychanie jest przyczyną ograniczonego przyrostu w warunkach nie sprzyjających fotosyntezie (bardzo duże ubytki w masie)

rośliny typu C₄ (pierwszym produktem jest związek czterowęglowy; np. kukurydza) mają zabezpieczenie – oprócz RUBISCO posiadają jeszcze jeden enzym – karboksylazę fosfoenolopirogronianową.(PEP)

u roślin C₄ ma miejsce PODWÓJNA KARBOKSYLACJA, podwójne wiązanie CO₂. W komórkach mezofilu dwutlenek węgla z powietrza jest przyłączany do fosfoenolopirogronianu dzięki karboksylazie PEP – powstaje czterowęglowy związek, transportowany następnie do komórek pochwy okołowiązkowej. Tam następuje dekarboksylacja. CO₂ włączany jest do cyklu Calvina (dzięki RUBISCO), a powstały związek trójwęglowy transportowany do kom. mezofilu, gdzie następuje regeneracja fosfoenolopirogronianu.

Karboksylaza PEP ma bardzo wysokie powinowactwo do CO₂ – działa przy takich stężeniach, przy których RUBISCO już wykazuje aktywność oksygenacyjną.

Stężenie CO₂ w komórkach pochwy okołowiązkowej jest stałe, bo stały jest dopływ związku, z którego jest on uwalniany.

Poza tym u roślin C₄ komórki pochwy są ściśle otoczone komórkami mezofilu – CO₂ nie ma jak uciec, brak przestrzeni międzykomórkowych (liczne u roślin C₃)

U roślin C₃ brak też chloroplastów w komórkach pochwy okołowiązkowej, asymilacja CO₂ w miękiszu gąbczastym, bardzo dobrze wentylowanym. (stosunek CO₂/O₂ może być mały)

slajd 13/23

Są trzy typy roślin C₄ (różnią się enzymem dekarboksylującym, uwalniającym CO₂ dla RUBISCO)

1. typu NADP⁺-ME (enzym jabłkowy zależny od NADP⁺)

2. typu NAD⁺-ME (enzym jabłkowy zależny od NAD⁺)

3. typu karboksylaza PEP

pierwszym etapem asymilacji dwutlenku węgla u wszystkich tych roślin jest reakcja:

fosfoenolopirogronian(PEP) + CO₂ = karboksylaza PEP = szczawiooctan + P_i

1. TYPU NADP⁺-ME (enzym jabłkowy zależny od NADP⁺)

szczawiooctan zostaje zredukowany do jabłczanu dzięki dehydrogenazie NADP⁺-jabłczanowej (NADPH NADP⁺)

jabłczan zostaje przetransportowany do komórki pochwy okołowiązkowej, gdzie jednocześnie zachodzi dekarboksylacja i utlenienie, dzięki enzymowi jabłkowemu zależnemu od NADP⁺; powstaje pirogronian. CO₂ jest włączany do cyklu Calvina. (NADP⁺ przechodzi w NADPH)

pirogronian zostaje przetransportowany do komórki mezofilu, gdzie zostaje ufosforylowany i odwodniony do fosfoenolopirogronianu

1. TYPU NAD⁺-ME (enzym jabłkowy zależny od NAD⁺)

w tym typie szczawiooctan jest przekształcany do asparaginianu dzięki aminotransferazie asparaginowej (albo glutaminianowej – babka mieszała), która zabiera NH₂ od glutaminianu, przekształcając go w α-ketoglutaran

asparaginian jest przekazywany z komórki mezofilu do komórki pochwy i tam przekształcany rzez tą samą aminotransferazę z powrotem do szczawiooctanu (α-ketoglutaran przyjmuje NH₂ z asparaginianu, powstaje glutaminian)

szczawiooctan dzięki dehydrogenazie NADP⁺-jabłczanowej redukowany jest do jabłczanu (NADPH NADP⁺)

jabłczan dzięki enzymowi jabłkowemu zależnemu od NAD⁺ zostaje utleniony (NAD⁺ NADH), zachodzi także dekarboksylacja (CO₂ wchodzi do cyklu Calvina) i powstaje pirogronian

pirogronian dzięki aminotransferazie alaninowej przyjmuje NH₂ z glutaminianu (ten przechodzi w α-ketoglutaran) i powstaje alanina, transportowana do mezofilu

tam zachodzi proces odwrotny - α-ketoglutaran przyłącza NH₂ z alaniny i staje się glutaminianem, a alanina przechodzi w pirogronian

pirogronian zostaje ufosforylowany i odwodniony do fosfoenolopirogronianu przez dikinazę pirogronian-ortofosforan

1. TYPU KARBOKSYLAZA PEP

początek tak jak w 2 do momentu wytworzenia szczawiooctanu

szczawiooctan dzięki karboksykinazie PEP ulega dekarboksylacji (CO₂ do cyklu Calvina) i fosforylacji dzięki zużyciu cząsteczki ATP do fosfoenolopirogronianu

ten albo natychmiast jest transportowany do komórek mezofilu, albo zamieniany w alaninę i w takiej postaci transportowany

Różnice pomiędzy poszczególnymi typami roślin C₄

	NADP^+-ME	NAD^+-ME	Karboksykinaza PEP
związek (C4) transportowany do pochwy okołowiązkowej	jabłczan	asparaginian	asparaginian
dekarboksylaza	enzym jabłkowy zależny od NADP^+	enzym jabłkowy zależny od NAD^+	karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa
związek (C3) transportowany do komórek mezofilowych	pirogronian	alanina	alanina pirogronian fosfoenolopirogronian

NIEKTÓRE ENZYMY CYKLU C₄ są aktywowane przez światło.

mechanizm regulujący: odwracalna fosforylacja

1. karboksylaza PEP

na świetle aktywowany zostaje enzym kinaza karboksylazy PEP, który powoduje fosforylację i tym samym aktywację karboksylazy PEP

w ciemności aktywne pozostają fosfatazy (inaktywują karboksylazę PEP)

1. dikinaza pirogronian-ortofosforan (PPDK)

• enzym w formie aktywnej jest nieufosforylowany, fosforylacja go hamuje

• białko regulatorowe, które odpowiedzialne jest za fosforylację i defosforylację enzymu przejawia dwie aktywności – na świetle fosfatazową (defosforyluje), w ciemności kinazową (fosforyluje dikinazę)

mechanizm regulujący: indukcja światłem poprzez system ferredoksyno-tioredoksynowy (taki jak w cyklu Calvina)

1. dehydrogenaza jabłczanowa zależna od NADP⁺

Zarówno rośliny C₄ jak i rośliny kwasowe wykazują podwójną karboksylację, różnica polega na rozdzieleniu tych dwóch procesów:

• C₄ : rozdzielenie przestrzenne (kom mezofilu i pochwy okołowiązkowej)

• kwasowe: rozdzielenie czasowe (dzień i noc)

Rośliny kwasowe wywodzą się z klimatów cieplejszych, potrafią wiązać CO₂ przy zamkniętych aparatach szparkowych.

W nocy: aparaty szparkowe są lekko otwarte, następuje asymilacja CO₂. Jego stężenie jest zbyt niskie dla RUBISCO. Działa za to karboksylaza PEP. Powstający jabłczan gromadzi się w wakuoli, obniżając jej pH (stąd nazwa – rośliny kwasowe)

W dzień: jabłczan uwalniany jest do cytoplazmy, działa enzym jabłkowy zależny od NADP⁺, CO₂ włączane jest w cykl Calvina.

SYNTEZA SKROBI I SACHAROZY:

triozy powstają w chloroplastach, jeżeli tam zostają, dochodzi do syntezy skrobi (nie opuszcza ona chloroplastu), jeżeli trafiają do cytoplazmy zachodzi synteza sacharozy (sacharoza jest formą transportu cukrów w tkankach roślinnych)

za transport trioz z chloroplastu do cytoplazmy odpowiada antyport – w zamian za triozę do chloroplastu wnika nieorganiczny fosforan (stężenie nieorganicznych fosforanów w cytozolu decyduje o wyrzucaniu trioz z chloroplastu)

(nie będę opisywać reakcji, wszystko widać na slajdzie)

inaczej zachodzi aktywacja glukozy (dokładnie glukozo-1-fosforanu) – w chloroplaście dzięki ATP, w cytosolu UTP

W8

WPŁYW NATĘŻENIA ŚWIATŁA NA INTENSYWNOŚĆ FOTOSYNTEZY

Znaczenie ma nie tylko natężenie, ale i jakość światła

• fotosynteza pozytywnie zależy od tych długości fal, które są absorbowane przez barwniki (czyli światła niebieskiego i pomarańczowo-czerwonego)

• dużo wyższe natężenie fotosyntezy można zaobserwować przy świetle niebieskim, ponieważ jego kwanty mają znacznie większą energię

Znaczenie natężenia światła

• PUNKT KOMPENSACYJNY – takie natężenie światła, po przekroczeniu którego obserwuje się wydzielanie O₂ lub pochłanianie CO₂ (czyli punkt, w którym fotosynteza równoważy oddychanie)

• wzrost natężenia światła powoduje wzrost intensywności fotosyntezy

• PUNKT WYSYCENIA – maksymalna intensywność fotosyntezy (wysycenie punktów transportujących elektrony z fazy jasnej)

• dalszy wzrost natężenia światła nie powoduje wzrostu intensywności fotosyntezy

• PUNKT MAKSYMALNEGO NATĘŻENIA ŚWIATŁA – dochodzi do destrukcji błon tylakoidowych i chloroplastowych i spadku intensywności fotosyntezy

wartości bezwzględne tych punktów są różne dla różnych roślin

• cieniolubne mają wyższą wrażliwość na światło – wszystkie punkty osiągają przy niższym natężeniu światła

• światłolubne mają niższą wrażliwość na światło

ADAPTACJA DO OŚWIETLENIA:

• czynna:

  • zmiana pozycji liści - przy maksymalnej absorpcji światła liście ustawione prostopadle do promieni; przy minimalnej – niemal równolegle

  • zmiana położenia chloroplastów w komórkach mezofilowych:

    • ciemność – równomiernie APOSTROFIA

    • niskie natężenie światła – w pobliżu ścian prostopadłych do kierunku padania promieni EPOSTROFIA

    • wysokie natężenie – ułożone w pobliżu ścian równoległych do kierunku padania promieni PARASTROFIA

• morfologiczno-anatomiczna (uruchamiana, gdy roślina ciągle jest narażona na duże dawki promieniowania):

  • warstwy wosku na liściach odbijają promienie

  • bezbarwne włoski na liściach odbijają światło

• mechanizmy metaboliczne – adaptacja aparatu fotosyntetycznego

(ochrona przed fotooksydacją przez wolne rodniki podczas zaburzonego transportu elektronów, gdy jest za duże natężenie światła)

Zmiany stężenia zeaksantyny, wiolaksantyny i anteraksantyny podczas ekspozycji roślin na światło (mocne, długie naświetlanie):

• spada poziom wiolaksantyny

• podnosi się poziom zeaksantyny

• poziom anteraksantyny (związku pośredniego) pozostaje bez zmian

W cyklu ksantynowym:

wiolaksantyna anteraksantyna zeaksantyna

CYKL KSANTYNOWY:

na świetle zachodzi transport elektronów w błonach tylakoidów, z jednoczesnym transportem protonów ze stromy do lumen tylakoidów (pH lumen wynosi ok. 5, pH stromy ok. 8)

w pH = 5 uaktywnia się enzym wbudowany w błonę tylakoidów po stronie lumenarnej –

de-epoksydaza, która odrywa atom tlenu z wiolaksantyny, przekształcając ją w zeaksantynę, i przenosi go na protony, których dawcą jest askorbinian (askorbinian przekształca się w dehydroaskorbinian)

askorbinian jest regenerowany dzięki glutationowi, (po ubytku dwóch wodorów powstaje mostek siarczkowy 2GSHGSSG)

kiedy ustaje transport elektronów, wyrównuje się pH po obu stronach błony tylakoidowej. Gdy pH spadnie w stromie do ok. 7-7,5 zaczyna działać epoksydaza zlokalizowana w błonie po stronie stromalnej, która przekształca zeaksantynę w wiolaksantynę, zużywając tlen i NADPH.

obydwa barwniki (wiolaksantyna i zeaksantyna) znajdują się w antenach zewnętrznych i łączą się z zewnętrznymi polipeptydami LHC II

przyłączenie protonów i przejście wiolaksantyny w zeaksantynę powoduje dezorganizację LHC II i uniemożliwia przekazywanie energii na zasadzie rezonansu magnetycznego do centrum reakcji PS II – energia zostaje rozproszona w formie ciepła

powrót zeawiol powoduje reorganizację LHC II, przekazywanie energii do centrum reakcji fotochemicznej jest możliwe

WPŁYW STĘŻENIA CO₂ NA INTENSYWNOŚĆ FOTOSYNTEZY

PUNKT KOMPENSACYJNY – takie stężenie CO₂, w którym proces fotosyntezy jest równoważony przez oddychanie, po jego przekroczeniu następuje wzrost asymilacji CO₂

jest niższy dla roślin C₄ – mają nie tylko Rubisco, ale także karboksylazę fosfoenolopirogronianową, która ma wielokrotnie wyższe powinowactwo co CO₂ od Rubisco, dzięki czemu mogą asymilować CO₂ przy niskich stężeniach

PUNKT WYSYCENIA – takie stężenie CO₂, po przekroczeniu którego natężenie fotosyntezy nie rośnie, mimo wzrostu stężenia

jest on niższy dla roślin C₄ niż dla C₃

Zmiany stężenia CO₂ w atmosferze.

Wzrost stęż, CO₂ ciągu ostatnich 50 lat (druga połowa XX w.)jest ogromny, co wiąże się z eksplozją przemysłową (kopalnie węgla brunatnego i kamiennego)

Powoduje on efekt cieplarniany – emisja ciepła (oddawanie) z atmosfery jest utrudniona, następuje wzrost temperatury powietrza, a w konsekwencji topnienie lodowców i niekorzystne zmiany w środowisku.

Efekt cieplarniany jest także negatywny dla roślin, ponieważ powoduje zmianę równowagi pomiędzy asymilacja i dysymilacją.

Wzrost temperatury o 1°C powoduje wzrost natężenia oddychania, a znaczny spadek fotosyntezy.

Ubytki masy (wynikające ze wzmożonego oddychania) przekraczają korzyści płynące z aktywacji fotosyntezy.

slajd 10/16

Prawo minimum = prawo Liebiega = prawo czynników ograniczających

Jeśli dana przemiana jest kontrolowana przez więcej czynników środowiskowych, to o natężeniu procesu decyduje ten, który jest w minimum.

WPŁYW CO₂ NA INTENSYWNOŚĆ FOTOSYNTEZY W ZALEŻNOŚCI OD TEMPERATURY I NATĘŻENIA ŚWIATŁA.

Czynnikiem ograniczającym jest stężenie CO₂ (podniesienie temperatury powyżej 25°C nic nie da, jeżeli stężenie CO₂ jest 360 ppm, czyli tyle, co w atmosferze).

Po podniesieniu stężenia CO₂ temperatura ma znaczenie i jej podnoszenie zmieni optimum.

Niskie natężenie promieniowania powoduje szybkie osiągnięcie maksymalnej możliwej intensywności fotosyntezy. Dalszy wzrost stężenia CO₂ nie ma wpływu.

Po podniesieniu dawki promieniowania następuje wzrost intensywności fotosyntezy.

WPŁYW TEMPERATURY NA WYDAJNOŚĆ FOTOSYNTEZY.

Temp. minimalna – powyżej inicjowany jest proces fotosyntezy

Optimum – fotosynteza w maksymalnym natężeniu

Temp. maksymalna – fotosynteza ustaje.

Pomiędzy minimum a optimum wzrost intensywności fotosyntezy jest wprost proporcjonalny. O intensywności decydują przemiany fotochemiczne, a nie enzymatyczne, dlatego nie obowiązuje reguła van’t Hoffa (wzrost temperatury pomiędzy minimum a optimum powoduje wzrost natężenia procesu 2x)

Rośliny naszego klimatu:

• minimum: powyżej 0°C (1-2°C)

• optimum: 23-25°C – 5°C mniej niż dla oddychania. To rozsunięcie optymalnych temperatur jest przyczyną niekorzystnego wpływu nawet krótkiego działania temperatury powyżej 25°C

• maksimum: 45°C (temp. denaturacji białek)

Rośliny klimatu cieplejszego:

• min. i optimum przesunięte w górę (pomidory, ogórki – min. 5-7°C, optimum 27°C)

• maksimum to samo – temperatura denaturacji białek

Wszystkie te temperatury dotyczą atmosferycznego stężenia CO₂ (340-360 ppm)

Wzrost stężenia CO₂ powoduje wzrost optimum do ok. 30°C.

Chwilowe podnoszenie temperatur (górny wykres) powoduje podniesienie intensywności fotosyntezy. Wzrost intensywności jest obserwowany jedynie w dość krótkim czasie. Potem następuje gwałtowne załamanie i spadek intensywności niemal do zera. Wynika to z:

• bezpośredniej zależności od temperatury enzymów fazy ciemnej fotosyntezy (optimum wynosi 23-25°C)

• bardzo szybkiego odwodnienia błon chloroplastów, zwłaszcza tylakoidowych, co powoduje zakłócenia w funkcjonowaniu łańcucha transportu elektronów, a tym samym powstanie wolnych rodników niszczących nieodwracalnie błony tylakoidów i chloroplastów

WPŁYW INNYCH CZYNNIKÓW NA WYDAJNOŚĆ FOTOSYNTEZY.

H₂O – bilans wodny dodatni – fotosynteza przebiega z maksymalnym natężeniem.

Odwodnienia mają bardzo niekorzystne przeniesienia

Metale ciężkie – hamują fotosyntezę pośrednio lub bezpośrednio. Wrażliwy jest szczególnie PS II i enzymy cyklu Calvina (dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego)

ODDYCHANIE ALTERNATYWNE

Charakterystyczne dla tkanek roślinnych.

Glikoliza i cykl Krebsa są identyczne.

Następuje skrócenie łańcucha transportującego elektrony – „wyłączenie” kompleksu IV oksydazy cytochromowej i zastąpienie go oksydazą alternatywną.

OKSYDAZA alternatywna:

• zlokalizowana w wewnętrznej błonie mitochondrium

• przenosi elektrony ze zredukowanego ubichinonu (ubichinolu) na tlen, powodując powstanie wody

Skrócenie drogi transportu elektronów („wyłączenie” kompleksu III i IV) powoduje, że gradient potencjału elektrochemicznego nie jest wystarczająco wysoki dla syntetazy ATP.

W mitochondiach nie dochodzi do syntezy ATP, ale możliwe jest funkcjonowanie wcześniejszych etapów, czyli dostarczenie roślinie pośrednich produktów cyklu Krebsa.

Generowany gradient potencjału (mniejszy niż w przypadku normalnego oddychania) jest wyrównywany, a energia rozpraszana w formie ciepła (zjawisko termogenezy)

Są dwa modele dróg transportu elektronów w łańcuchu oddechowym. Wg starej teorii oddychanie alternatywne to tworzenie wentylu bezpieczeństwa (uruchamiane w momencie wysycenia drogi cytochromowej). W teorii nowszej to nie zredukowany ubichinon aktywuje oksydazę alternatywną. Cały czas konkuruje ona z cytochromową.

REGULACJA AKTYWNOŚCI OKSYDAZY ALTERNATYWNEJ przez α-ketokwasy i redukcję mostków siarczkowych.

Aktywację oksydazy alternatywnej stymulują pirogronian i cytrynian:

• synteza de novo białek oksydazy alternatywnej (geny są aktywowane przez

α-ketokwasy)

• stymulacja na poziomie białka – redukcja mostków S-S pomiędzy dwoma podjednostkami oksydazy alternatywnej

Fizjologiczne znaczenie oddychania alternatywnego:

1. termogeneza

2. podtrzymywanie przemian cyklu Krebsa przy zahamowanym oddychaniu cytochromowym i dostarczanie metabolitów pośrednich do innych przemian metabolicznych w stresach abiotycznych (susza, niska temperatura)

Kwiaty roślin obrazkowych:

• męskie na wyrostku, znacznie wyżej niż żeńskie

• są owadopylne – owad musi się „wcisnąć” do banieczki kwiatostanu. Jest przywabiany olejkami eterycznymi wydzielanymi przez struktury poniżej kwiatów żeńskich – olejki są wydzielane dopiero po podniesieniu temperatury (nawet do 40°C) dzięki oksydazie alternatywnej

W9 WĘGLOWODANY I ICH METABOLITY spełniają centralną rolę w dostarczaniu tzw. szkieletów węglowych dla syntezy innych związków organicznych.

- pula fosfoheksoz → heksozy, polisacharydy ściany komórkowej, sacharoza, skrobia

- pula fosfotrioz i fosfopentoz → kwasy nukleinowe, puryny, aa, glicerol i triglicerydy

- kolejne związki glikolizy do fosfoenolopirogronianu → lignina, polifenole, aa aromatyczne

- pirogronian → etanol, mleczan, aminokwasy

- acetylo-CoA → terpeny, kwasy tłuszczowe, aminokwasy

- związki cyklu kwasu cytrynowego → aa, porfiryny, pirymidyny, alkaloidy

SYSTEM WASKULARNY odpowiadający za daleki transport w roślinach wyższych składa się z dwóch oddzielnych elementów:

• naczyń, odpowiadających za akropetalny transport wody i soli mineralnych

• sit, odpowiedzialnych za bazypetalny transport produktów fotosyntezy

Floemem transportowane są cukry produkowane podczas fotosyntezy w liściach, do innych, leżących niżej, części roślin.

ASYMILATY TRANSPORTOWANE FLOEMEM:

• sacharoza – dwucukier (glukoza + fruktoza)

mały pakiet niereaktywny (nieredukujący)

mały pakiet energetyczny (rozkład uwalnia duże porcje energii)

• pochodne sacharozy (+ 1-kilka cząsteczek galaktozy)

• rafinoza: sacharoza + 1 cząst. galaktozy

• stafyloza: sacharoza + 2 cząst. galaktozy

• werbaskoza: sacharoza + 3 cząst. galaktozy

wszystkie są nieredukcyjne (żadne redukcyjne cukry nie są transportowane – zbyt duża reaktywność)

• D-mannitol – wielowodorotlenowy alkohol cukrowy

• aminokwasy – kw. glutaminowy, glutamina

• ureidy – kwas alantoinowy,alantoina,cytrulina

(u roślin motylkowych – jednoczesny transport węgla i azotu)

PRZYSTOSOWANIE floemu do transportu:

• mocno perforowane płyty sitowe w ścianach poprzecznych

• pola sitowe w ścianach podłużnych – dobra komunikacja symplastyczna pomiędzy komórkami sitowymi a towarzyszącymi (załadunek i rozładunek kom. sitowych)

O szybkości dalekiego transportu substancji organicznych (J_total, mol*m^-2*s^-1) decydują dwie składowe:

• transport dyfuzyjny (ruch substancji zgodny z gradientem stężenia), na małe odległości (z kom. mezofilu do kom. sitowej; z kom. sitowej do akceptorowej)

• transport konwekcyjny (masowy przepływ substancji napędzany gradientem ciśnienia), przekazywanie na duże odległości

J_total = J_dyfuzyjny + J_konwekcyjny

Transport asymilatów odbywa się W 3 ETAPACH:

1. załadunek floemu

2. bazypetalny transport sitami

3. rozładunek floemu

Szybkość drugiego etapu wyznaczana jest przez szybkość etapu 1 i 3

Załadunek floemu obejmuje transport asymilatów z komórek donorowych (mezofilowych) poprzez komórki towarzyszące do sit.

Może być:

• symplastyczny (bierny)

• apoplastyczny (bierny do momentu wyrównania stężenia cukru pomiędzy komórką donorową a sitową, co zachodzi dość szybko; potem aktywny)

W pewnych warunkach transport może mieć charakter zwrotny, tzn. z komórki sitowej do mezofilowej.

KLASYFIKACJA WIĄZEK PRZEWODZĄCYCH na podstawie ciągłości symplastycznej pomiędzy komórkami towarzyszącymi i komórkami pochwy okołowiązkowej.

Konfiguracja wiązek „OTWARTA”

• szereg połączeń plazmodesmowych, ciągła symplastycznie

• załadunek symplastyczny

• transportowana sacharoza, ale także rafinoza i inne pochodne

Konfiguracja wiązek „ZAMKNIĘTA”

• bardzo nieliczne plazmodesmy, symplastycznie izolowana

• załadunek apoplastyczny

• transportowana wyłącznie sacharoza

ilość plazmodesm to cecha gatunkowa

MODEL TRANSPORTU SYMPLASTYCZNEGO z komórek mezofilu do elementów floemu.

Transport symplastyczny to transport bierny. Stały gradient stężenia sacharozy utrzymywany jest dzięki syntezie jej pochodnych w komórkach towarzyszących (przyłączanie galaktozy)

Dzięki temu w sitach stężenie sacharozy zawsze jest niższe, mimo że stężenie asymilatów pozostaje wyższe.

MODEL transportu apoplastycznego.

Transport asymilatów z komórek donorowych do towarzyszących wymaga nakładu energii.

- H⁺-ATPaza wyznacza tempo załadunku floemu

- sacharoza wnika razem z protonem dzięki symporterom

- transport ten zależy od wydajności przemian fazy jasnej fotosyntezy – ogromna konsumpcja ATP

Transport z komórek towarzyszących do sitowych odbywa się biernie poprzez symplast.

DROGI rozładowywania floemu.

Rozładunek jest prosty, nie wymaga energii. Stężenie asymilatów jest zawsze niższe w komórce akceptorowej (tam natychmiastowa konsumpcja dwucukrów monocukry, oddychanie, synteza związków złożonych)

1. symplastycznie

2. apoplastycznie – sacharoza jest rozkładana przez kwaśne inwertazy ściany komórkowej do glukozy i fruktozy, które następnie dzięki uniporterom trafiają do komórek akceptorowych

3. apoplastycznie – sacharoza jest transportowana do komórki akceptorowej, gdzie następuje jej rozkład przez inwertazy cytoplazmatyczne lub wakuolarne (po transporcie do wakuoli)

MODEL CIŚNIENIOWEGO transportu floemowego.

załadunek sit (wzrost stęż. cukrów, spadek potencjału osmotycznego) napływ wody wzrost ciśnienia osmotycznego w sitach w górnej części rośliny

rozładunek w części akceptorowej spadek stężenia cukrów w sitach, wzrost potencjału osmotycznego wypływ wody spadek ciśnienia w dolnej części rośliny

różnice ciśnienia w elementach floemu odpowiadają za masowy, bazypetalny transport asymilatów sitami.

W10

Makro- i mikroelementy.

MAKROELEMENTY – stężenie bardzo wysokie: H, C, O, N, K, Ca, Mg, P, S

3 (C,N,S) wymagają asymilacji (redukcja przed wbudowaniem w związki organiczne)

wbudowywanie P – brak redukcji

MIKROELEMENTY – małe stężenia: Cl, B, Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Mo

znaczenie duże – ich brak zakłóca wzrost i rozwój roślin.

OBJAWY NIEDOBORU NIESPECYFICZNE:

• zahamowany wzrost

• blednięcie blaszki liściowej (chloroza), czasem bardzo nietypowe

• liści starszych – pierwiastki ruchliwe, wycofywane ze starszych do młodszych części rośliny (np. P i N)

• liści młodych – niedobór pierwiastków nieruchliwych – nie mogą być wycofywane z części starszych (np. Ca i Fe)

FORMY AZOTU dostępne dla roślin wyższych:

1. powszechne źródła azotu – azot związków mineralnych (obecny w glebie, pobierany przez korzenie)

   1. NH₄⁺

   2. NO₃^-

2. źródła alternatywne:

   1. azot atmosferyczny N₂ (dostępny tylko dla roślin współżyjących z bakteriami wiążącymi N₂)

   2. azot związków organicznych (dostępny tylko dla roślin należących do grupy owadożernych)

! rośliny korzystające z alternatywnych źródeł azotu pobierają także azot z powszechnego źródła

AZOT ZWIĄZKÓW MINERALNYCH:

Wydawałoby się, że NH₄⁺ jest lepsze:

• kation – transport przez plazmolemmę może odbywać się w sposób bierny – kanałami amonowymi lub potasowymi (aniony wymagają nakładu energetycznego)

• krótsza droga od NH₄⁺ do NH₂ niż od NO₃^- do NH₂ (w przypadku azotanów redukcja angażuje więcej białek i kosztuje więcej energii)

Ale nie jest tak dlatego, że:

• pobieranie NH₄⁺ łączy się z wydzielaniem H⁺, spada pH roztworu glebowego (nawet poniżej 5), co może doprowadzić do uszkodzenia włośników

• jeżeli NH₄⁺ nie są sprawnie asymilowane i ich stężenie przekroczy pewną niewysoką wartość, stają się inhibitorami, toksynami dla enzymów, co skutkuje gorszym plonowaniem

Obydwa źródła (NH₄⁺ i NO₃^-) są równocenne, a to, z którego korzysta roślina, zależy od przewagi jednych jonów w środowisku.

• więcej NO₃^- – gleby natlenione, uprawne – nitryfikacje przebiegają sprawniej niż amonifikacje

• więcej NH₄⁺ – gleby kwaśne, ubogie, często zalewane (amonifikacja przewyższa nitryfikację) – dobre dla roślin poszycia leśnego, torfowisk; tylko jedna roślina uprawna – ryż

POBIERANIE I DYSTRYBUCJA NO₃^- W TKANKACH ROŚLIN.

Azotany pobierane są aktywnie za pomocą dwóch typów białek: LATS i HATS. To wysoko specyficzne białka, oba typy są symporterami – wykorzystują gradient generowany przez pompy protonowe.

• LATS – transportery o niskim powinowactwie do azotanów

  • tylko, gdy stężenie NO₃^- jest bardzo wysokie

(zdarza się rzadko – podczas nawożenia dużymi dawkami nawozów azotanowych, są drogie; wtedy stężenie wynosi ponad 1 mmol)

• dystrybucja subkomórkowa azotanów

• HATS – transportery o wysokim powinowactwie do azotanów

  • stężenia NO₃^- szybko spadają, istnieje o nie duża konkurencja pomiędzy mikroorganizmami a roślinami

Część pobranego NO₃^- jest asymilowana (wbudowywana w związki organiczne), a duża część transportowana do wakuoli (pula zapasowa, uruchamiana, gdy stężenie NO₃^- spada).

Część azotanów wypływa z powrotem do środowiska – efflux jest bierny, zawsze utrzymuje się na pewnym poziomie.

ASYMILACJA:

Redukcja w cytoplazmie do NO₂^- dzięki reduktazie azotanowej; transport do plastydów, redukcja do NH₄⁺, wbudowanie w związki organiczne przez GS-GOGAT (syntaza glutaminianowa i syntetaza glutaminianowa).

REDUKCJA azotanów do azotynów i jej regulacja.

NO₃^- + NADH + H^{+ =} NO₂^- + NAD + H₂O

zachodzi w cytoplazmie wszystkich komórek

Katalizowana przez reduktazę azotanową.

REDUKTAZA AZOTANOWA

• bardzo wrażliwy enzym

• włącznik i wyłącznik asymilacji azotanów

• mała ilość energii lub równoważników, niedostatek szkieletów węglowych (gdy zbyt mała aktywność fotosyntetyczna) powoduje zahamowanie aktywności enzymu

• hamowanie następuje na pierwszym etapie asymilacji, żeby nie marnować energii oraz by nie dochodziło do akumulowania NO₂^- i NH₄⁺, które są toksyczne dla szeregu białek

• aktywność podlega regulacji na poziomie genetycznym i potranslacyjnym

  • geny Nia podlegają kontroli:

    • światła poprzez fitochrom (+),

    • cytokinin (+),

    • azotanów (+) – dopiero gdy ich poziom jest wysoki następuje uruchomienie,

    • glutaminy (–) – to końcowy produkt asymilacji azotu, hamuje asymilację

  • regulacja na poziomie potranslacyjnym:

    • światło powoduje przejście formy nieaktywnej w aktywną – defosforylacja (czyli aktywacja fosfataz białkowych)

    • w ciemności odwrotnie – fosforylacja (aktywacja kinaz białkowych)

• budowa: /ze slajdu wynika, że dimer, z książki – tetramer/

  • podjednostka zawierająca jony molibdenu

  • podjednostka cytochromowa zawierająca hem

  • podjednostka zawierająca FAD

POSTTRANSLACYJNA REGULACJA AKTYWNOŚCI REDUKTAZY AZOTANOWEJ.

Pełna dezaktywacja enzymu wymaga oprócz fosforylacji także przyłączenia białka 14-3-3. Sól indukuje ten proces. Nieaktywny kompleks >reduktaza + białko 14-3-3< jest bardzo silnie degradowany w proteolizie.

Za aktywację (defosforylację i odłączenie białka 14-3-3) odpowiada światło – hamuje kinazy fosforylujące.

REDUKCJA AZOTYNÓW DO JONU AMONOWEGO.

NO₂^- + ferredoksyna _red =NiR= NH₄⁺ + ferredoksyna _ox

wycofywanie azotynów do plastydów lub chloroplastów – tam redukowanie do jonu amonowego przez reduktazę azotynową

• dawcą elektronów jest zredukowana ferredoksyna, jeden z produktów fazy jasnej fotosyntezy (cała asymilacja pozostaje w ścisłym sprzężeniu z fotosyntezą)

• BUDOWA REDUKTAZY AZOTYNOwej:

  • domena wiążąca zredukowaną ferredoksynę i odbierająca od niej elektrony

  • układ żelazowo-siarkowy przenoszący elektrony z domeny wiążącej ferredoksynę na NO₂^-

WŁĄCZANIE NH₄⁺ DO ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH:

1. redukcyjna aminacja 2-oksyglutaranu (α-ketoglutaranu)

2-oksoglutaran + NH₃ + NADH + H^{+ =} dehydrogenaza glutaminianowa= glutaminian + NAD⁺ + H₂O

DEHYDROGENAZA GLUTAMINIANOWA wykazuje małe powinowactwo do jonów NH₄⁺ (ich stężenie musi być odpowiednio wysokie); źródłem azotu jest NH₄⁺

Oprócz wiązania NH₄⁺ w chloroplastach/plastydach, ma miejsce reakcja w cytoplazmie. Ona również wymaga dawcy protonów i elektronów (NADH) produkowanego w reakcji oddychania.

1. cykl GS/GOGAT

glutaminian + NH₃ + ATP =GS= glutamina + ADP +P_i

glutamina + 2-oksoglutaran+ NADPH =GOGAT= glutaminian + NADP⁺

• źródłem są azotany – mało NH₄⁺ - wtedy za włączanie azotu do zw. org. odpowiedzialne są dwa enzymy:

  • GS – syntetaza glutaminianowa

  • GOGAT – syntaza glutaminianowa

(który jest który do końca nie wiadomo – babka mieszała)

• konieczne są równoważniki – jeden z produktów fazy jasnej fotosyntezy – NADPH

• pierwszym organicznym produktem są glutamina i glutaminian, wykorzystywane następnie do produkcji innych aminokwasów na drodze transaminacji.

TRANSAMINACJE:

1. synteza asparaginy

glutamina + asparaginian =syntetaza asparaginowa=glutaminian + asparagina

w warunkach dobrego odżywiania azotowego gromadzi się asparagina

1. synteza alaniny i asparaginianu

glutaminian + pirogronian = aminotransferaza alaninowa= 2-oksoglutaran + alanina

glutaminian + szczawiooctan = aminotransferaza asparaginowa= 2-oksoglutaran + asparaginian

Przykłady układów symbiotycznych roślina wyższa – bakteria wiążąca N₂

ROŚLINA WYŻSZA	GATUNEK BARKTERII
rośliny motylkowe	Azorhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium
olcha czarna, Casuaria, Datisca	Frankia
Gunera	Nostoc
Azolia (paproć wodna)	Anabaena

Azotu atmosferycznego jest znacznie więcej niż mineralnego, ale mała część jest wykorzystywana.

W genomie rośliny nie ma genu nitrogenazy.

Azolia obficie porasta pola ryżowe (tereny zalewowe, ubogie w zw. org. i tlen, niskie pH, mało mineralnych form azotu)

Specyficzność gatunkowa szczepów bakterii symbiotycznych.

BAKTERIA	ROŚLINA WYŻSZA
Rhizobium meliloti	Medicago (lucerna) Melilotus (nostrzyk)
Rhizobium leguminosaurum	Pisum (groch) Vicia (bób) Lathyrus (groszek)
Rhizobium trifolii	Trifolium (koniczyna)
Rhizobium phaseoli	Phaseolus (fasola)
Bradyrhizobium japonicum	Glicine (soja)
Bradyrhizobium lupini	Lupinus (łubin)
Frankia (Actinomycetales)	Alnus (olcha)

Specyficzność determinowana jest zarówno przez czynniki pochodzenia roślinnego jak i bakteryjnego.

SCHEMAT INFEKCJI I POWSTAWANIA BRODAWKI.

1. Wydzielanie przez korzenie roślin wyższych specyficznej substancji z grupy flawonoidów, rozpoznawanej przez określone gatunki bakterii.

2. Aktywacja bakteryjnego białka Nod (czynnik transkrypcyjny), które indukuje ekspresję genów Nod (wiązane jest do promotorów 5 genów) kodujących enzymy syntetyzujące tzw. czynnik Nod.

3. Czynnik Nod indukuje infekcje włośników korzeniowych, tworzenie brodawki i ekspresje nodulin.

Brodawki wykazują morfologię charakterystyczną dla danego gatunku, ale wszystkie maja lekko różowe zabarwienie – nadaje je leghemoglobina.

LEGHEMOGLOBINA należy do nodulin, wbudowywana jest w błonę bakteroidalną, ma zdolność wiązania tlenu – utrzymuje jego stężenie na odpowiednio niskim poziomie w bakteroidach (tlen hamuje nitrogenazę).

FLAWONOIDY syntetyzowane w korzeniach są całkiem inne niż te syntezowane w nadziemnych częściach rośliny.

np. u lucerny (Medicago sativa)

• nadziemne części produkują medikarpinę – fitoaleksyna, przeciwciało rośliny

• korzenie produkują apigeninę i luteolinę – indukują ekspresję genów Nod

CZYNNIK NOD to lipochityno-oligosacharyd.

• szkielet oligosacharydowy

• poszczególne czynniki różnią się długością szkieletu i podstawnikami

• każdy gatunek bakterii wydziela inny czynnik Nod

INFEKCJA I WZROST NICI INFEKCYJNEJ.

1. skupienie bakterii wokół korzeni (flawonoidy wywołują u bakterii dodatnią taksję)

2. wpuklanie cytoplazmy

3. nić infekcyjna przebija się przez ściany, docierając do kolejnych komórek, jednocześnie intensywne namnażanie bakterii

UWALNIANIE BAKTERII Z NICI INFEKCYJNEJ I TWORZENIE BRODAWKI.

1. nic infekcyjna pęka, bakterie wlewają się do komórek miękiszowych

2. bakterie zmieniają kształt. Otoczone są podwójną błoną bakteroidową, tracą możliwości podziałowe, dochodzi do syntezy nitrogenazy.

NODULINY:

• białka kodowane przez geny jądrowe komórek roślinnych

• duża grupa genów nodulinowych ulega ekspresji tylko w późnym stadium rozwoju brodawek – to tzw. noduliny późne.

  • leghemoglobina

  • specyficzne transportery błony peribakteroidowej (wymiana substancji pomiędzy rośliną a bakteroidem)

  • enzymy asymilujące amoniak i syntetyzujące związki azotowe transportowane do innych części rośliny.

*Casuaria – systemy symbiotyczne w formie otorbionych struktur powstają w komórkach miękiszowych pędu.

SCHEMAT REDUKCJI AZOTU cząsteczkowego przez nitrogenazę.

• przyłączenie N₂ do nitrogenazy

• redukcja azotu (głęboka zmiana stopnia utlenienia)

• rozrywanie wiązań pomiędzy azotami

• uwalnianie produktu – 2 cząsteczek NH₃ (w roztworach wodnych NH₄^-)

NITROGENAZA:

Składa się z dwóch domen, każda ma budowę podjednostkową:

1. reduktaza – żelazoproteina

• 2 identyczne polipeptydy (30 kDa)

• zawiera ugrupowanie 4 at. Fe + 4 at. S

• pobiera elektrony z ferredoksyny i transportuje je na żelazo

• tutaj następuje konsumpcja ATP (konieczne są zmiany konformacyjne podjednostek)

1. nitrogenaza – molibdenoproteina

• tetramer Alfa_2Beta2 o masie 240 kDa

• zawiera dwa centra aktywne:

• centrum P stanowi układ 4Fe-4S – przyjmuje elektrony z podjednostki reduktazowej i przekazuje je na centrum N₂

• centrum Fe-Mo – redukuje związany N₂

REDUKCJA N₂ przez nitrogenazę.

Oprócz nitrogenazy do redukcji azotu konieczne są także enzymy szlaku glikolizy, cyklu Krebsa i łańcuch oddechowy.

• ferredoksyna powstaje dzięki oksydoreduktazie wykorzystującej NADH z cyklu Krebsa

• ATP powstaje dzięki syntazie ATP, wykorzystującej gradient potencjału elektrochemicznego wytworzony dzięki łańcuchowi oddechowemu

Cukry do glikolizy i dalej cyklu Krebsa są dostarczane floemem z liści.

NH₄⁺ jest transportowany z bakteroidów do cytoplazmy gospodarza – tam zachodzi włączanie azotu w związki organiczne.

Aminokwasy (glutaminian i glutamina) wykorzystywane są do syntezy:

• asparaginianu – transport ksylemem do części nadziemnych (groch, koniczyna, fasola, łubin)

• ureidów – transport do części nadziemnych (soja, peluszka)

Azot związków organicznych.

• rośliny owadożerne

• liście przekształcone w pułapki

• wydzielanie enzymów trawiennych rozkładających duże związki organiczne

• tworzenie struktur wchłaniających te związki

• często obie funkcje jednocześnie na tych samych strukturach

OBJAWY NIEDOBORU AZOTU:

• zahamowany wzrost

• przebarwienia fioletowo-czerwone na łodygach i spodnich częściach liści (degradacja i zmniejszenie syntezy chlorofilu – antocyjany przebijają)

• przejaśnienia blaszek (dotykają najpierw liści starych – pierwiastek ruchliwy)

• u nagozalążkowych przejaśnienia igieł na końcach gałązek

• system korzeniowy bardzo słabo rozkrzewiony, ale długi

różnica w stosunku do niedoboru siarki:

• niedobory siarki dotykają liści młodych

• są znacznie słabsze

W12 SIARKA

Formy pobierane przez rośliny - SO₂ (atmosfera), SO₄^2- (r-ry glebowe)

Związki występujące w roślinie:

1. grupy sulfhydrylowe (-SH) lub mostki dwusiarczkowe (-S-S-) w:

• aminokwasach,

• peptydach (glutation)

• białkach

1. pierścienie heterocykliczne zawierające siarkę (np. tiamina, biotyna)

2. grupy rodankowe (-N=C=S) występujące w olejkach gorczycznych

Funkcje metaboliczne:

1. utrzymywanie właściwej konformacji trzecio- i czwartorzędowej białek strukturalnych i enzymatycznych

2. funkcje regeneracyjne wynikające z udziału w układach oksydoredukcyjnych (glutation, centra Fe-S białek Riskiego i ferredoksyny)

3. funkcje regulacyjne wynikające z udziału w cząsteczkach koenzymów oraz w centrach aktywnych enzymów

4. udział w generowaniu odporności roślin (fitoaleksyny i olejki gorczyczne); odstraszanie organizmów zgryzających

Siarka wymaga bardzo głębokiej redukcji.

Pobierana jest głównie z roztworów glebowych (SO₄^2-).

Na terenach uprzemysłowionych tlenki siarki dostają się do atmosfery:

• rozpuszczają się w wodzie w roztworach glebowych i są pobierane przez korzenie (SO₃^2-)

• pobierane są wprost z atmosfery przez liście – całą powierzchnią na zasadzie dyfuzji (prąd transpiracyjny uniemożliwia dostawanie się przez aparaty szparkowe) (SO₂)

Na terenach uprzemysłowionych nie notuje się objawów niedoboru siarki.

Olejki gorczyczne nadają charakterystyczny zapach i smak – czosnek, cebula, rośliny kapuściane.

turgoryna – u mimozy, odpowiada za szybkie ruchy

fitoaleksyny – decydują o odporności

Związki siarkowe nadają charakterystyczny zapach wielu roślinom. Najczęściej substancje te mają działanie antybakteryjne i chronią rośliny przed patogenami.

1. alicyna – czosnek, cebula; uwalniana z prekursora w cytoplazmie dopiero po zmiażdżeniu (enzym zlokalizowany jest w wakuoli)

2. u kapuścianych uwalniane z prekursorów należących do glukozylatów

3. sinapina – u iglastych

benzyloglukozylat – u gorczycy

POBIERANIE, TRANSPORT I REDUKCJA siarki w roślinach wyższych.

• pobieranie za pomocą wtórnych transporterów (symporterów), których aktywność sprzężona jest z pompami protonowymi

• 2 typy transporterów:

  • HATS o wysokim powinowactwie (działają przy niskich stężeniach) – w komórkach włośnikowych

  • LATS o niskim powinowactwie (działają przy dużych stężeniach) – nie zaopatrują rośliny w siarczany, odpowiadają za ich właściwą dystrybucję i rozładunek ksylemu

• transport siarczanów do:

  • wakuoli (pula zapasowa, stężenie niższe niż azotanów)

  • plastydów/chloroplastów - tu zachodzi głęboka redukcja SO₄^2- → S^2- (S^+VI → S^-II)

redukcja konsumuje produkty fotosyntezy, głównie cząsteczki zredukowanej ferredoksyny

SCHEMAT REDUKCJI siarczanów do siarczków:

SO₄^2- + ATP + 8e + 8H⁺ = S^2- + 4H₂O + AMP + PP_i

ATP jest zużywane w pierwszym etapie asymilacji siarki (aktywacja siarczanu).

Redukcja siarczanów pochłania aż 8 elektronów!

AKTYWACJA SIARCZANU:

SO₄^2- + ATP =^{sulfurylaza ATP=} APS (5’-adenozylosulfonian, 5’-adenozylosiarczan) - substrat, w którym siarka podlega redukcji + PP_i

HIPOTEZY REDUKCJI SIARCZANU w komórkach roślin wyższych:

1. HIPOTEZA 1 (stara) – oba enzymy znaleziono w komórkach roślinnych

   • APS oddaje grupę siarczanową na jakiś nośnik grup sulfhydrylowych (R-SH), prawdopodobnie glutation (GSH), przekształcając ten nośnik w tiosulfonian (tiosiarczan?); sam APS zmienia się w 5’-AMP (w tej reakcji powinien być przyłączany elektron, ale nie znaleziono jego dawcy)

   • zachodzi jednostopniowa redukcja dzięki reduktazie tiosulfonianowej (tiosiarczanowej?) i przy udziale zredukowanej ferredoksyny do tiosiarczków przyłączane są 3 protony, powstaje H₂S oraz regenerowany nośnik grup sulfhydrylowych (R-SH)

2. HIPOTEZA 2 – asymilacja w kom. prokariotycznych, nie znaleziono enzymów w roślinach

   • APS jest fosforylowane przez kinazę APS (przy użyciu ATP), powstaje fosforan APS (PAPS)

   • zachodzi dwustopniowa redukcja PAPS dzięki reduktazie PAPS i udziale zredukowanej tioredoksyny, powstaje SO₃^2- (oraz utleniona tioredoksyna i PAP)

   • dzięki reduktazie siarczynowej i przy udziale zredukowanej ferredoksyny przechodzącej w formę utlenioną powstaje S^2-

Aktywność reduktazy APS jest negatywnie kontrolowana endogennym poziomem siarczanów na poziomie genetycznym (przy „głodzeniu” siarczanowym zwiększa się transkrypcja genów)

Najprawdopodobniej za redukcję APS w komórkach roślin odpowiada reduktaza APS zależna od glutationu. Reakcja z jej udziałem zastępuje dwie pierwsze reakcje hipotezy 2. Następny etap jest taki jak u prokariotów (jak w hipotezie 2)

ASYMILACJA ZREDUKOWANEJ siarki do związków organicznych:

seryna + acetylo-CoA =acetylotransferaza serynowa= O-acetyloseryna + CoA

reakcja ta ma na celu odtwarzanie substratu dla kolejnej reakcji:

O-acetyloseryna + H₂S =liaza O-acetyloserynowa= cysteina + octan + H₂O

przyłączanie siarki do szkieletów węglowych

oba enzymy kolokalizują (mają wspólną lokalizację)

Biosynteza glutationu:

cysteina + glutamina + ATP =syntetaza gamma-glutamylocysteiny= gamma-glutamylocysteina + ADP + P_i

gamma-glutamylocysteina + glicyna + ATP =syntetaza glutationu= glutation + ADP + P_i

Pierwszym związkiem powstającym po asymilacji siarki jest cysteina, ale nie jest ona transportowana do innych części roślin. Komórkę opuszcza glutation.

GLUTATION:

• transportowany do innych części roślin

• właściwości oksydo-redukcyjne

• zaangażowany w usuwanie z cytoplazmy endogennych substancji toksycznych i ksenobiotycznych (herbicydy) – łatwo w chodzi z nimi w połączenia, potem transportowane są do wakuoli i tam deponowane

• substrat do syntezy fitochelatyn:

• powstają w reakcji transpeptydacji katalizowanej przez specyficzną syntetazę

• do glutationu przyłączany jest dipeptyd gamma-glutamylocysteina odrywany od kolejnego glutationu

FITOCHELATYNY odpowiadają za detoksykacje cytoplazmy poprzez wiązanie metali ciężkich oraz ich transport do wakuoli. Transport do wakuoli przeprowadzają transportery ABC.

OBJAWY NIEDOBORU SIARKI są podobne do objawów niedoboru azotu, ale widoczne na młodych liściach. np. bledsza blaszka liściowa.

W13

FOSFOR

slajdy 2-5/27

Formy pobierane przez rośliny: H₂PO₄^-, HPO₄^2-

Związki występujące w roślinie:

1. Nukleotydy

2. Kwasy nukleinowe

3. estry fosforanowe cukrów (fru-6-P, glu-6-P)

4. fosfolipidy

5. zapasowe związki fosforu (fityna)

Funkcje metaboliczne:

1. magazynowanie i przenoszenie energii (ATP, GTP itd.)

2. transport wodoru w procesach oksydoredukcyjnych

(NAD, NADP, FAD, FMN )

3. regulacja fotosyntezy, oddychania i innych przemian związków org.

4. regulacja właściwości półprzepuszczalnych błon komórkowych

(regulacja stosunków wodnych i równowagi jonowej w komórce)

OBJAWY NIEDOBORU:

• ciemnozielone matowe liście

• liście z odcieniem fioletowym lub purpurowym – przebarwienia są dużo wyraźniejsze niż w przypadku azotu (tam rozkład chlorofilu i ujawnienie antocyjanów, tutaj synteza antocyjanów)

POBIERANIE:

• anionów

• w sposób aktywny głownie za pomocą HATS – transporterów wysokiego powinowactwa, aktywnych przy niskich stężeniach fosforanów; stężenie w glebie utrzymywane jest na niskim poziomie z powodu słabej rozpuszczalności (fosforany mają wąski zakres pH w którym są rozpuszczalne)

• symport z H⁺ (transport wymaga siły protomotorycznej)

• nie jest potrzebna zmiana stopnia utlenienia, dlatego nie ma specyficznych systemów

FITYNA – zapasowy związek fosforu, w nasionach i młodych roślinach, w czasie wzrostu jest sukcesywnie rozkładana.

POTAS

Formy pobierane przez rośliny: jony K⁺

Związki występujące w roślinie: Potas występuje w komórkach wyłącznie w formie jonowej, a więc nie tworzy żadnych związków organicznych

Funkcje metaboliczne:

1. Regulacja gospodarki wodnej komórki i rośliny poprzez wpływ na:

   • stan otwarcia aparatów szparkowych

   • aktywny transport wody do naczyń

   • uwodnienie komórki

2. aktywacja enzymów:

   • ATPaz

   • syntetaz (syntaz ATP i skrobiowej)

   • oksydo-reduktaz

   • transferaz

   • kinaz

2. transport asymilatów

OBJAWY NIEDOBORU:

• najpierw atakują starsze liście (to pierwiastek ruchliwy, wycofywany do młodych liści w przypadku niedoboru)

• chlorotyczne i nekrotyczne plamy na brzegach starszych liści

• chloroza międzyżyłkowa

• brązowienie wierzchołków, brązowe plamy i zasychanie starych liści

• liście matowe

• „zwiędły” pokrój rośliny

POBIERANIE:

W sposób bierny do momentu, kiedy stężenie w komórce będzie wyższe niż w środowisku. Potem aktywowane są transportery wtórne HATS.

Zapotrzebowanie na potas jest ogromne, mimo że nie tworzy związków organicznych. Dużo K⁺ w komórce pozwala na zatrzymywanie wody (dzięki obniżeniu potencjału osmotycznego wody, ale także dlatego, że jon potasu ma dużą otoczkę wodną – porusza się z nią i uwadnia struktury białkowe).

Tak naprawdę na uwodnienie komórki wpływa nie samo stężenie potasu, ale stosunek K⁺/Ca²⁺. (jon wapnia jest antagonistą jonu potasu).

Duża rola potasu wynika także z tego, że aktywuje kinazy, które z kolei aktywują wiele enzymów.

WAPŃ

Formy pobierane przez rośliny: jony Ca²⁺

Związki występujące w roślinie:

1. Wolne jony Ca²⁺

2. W formie związanej z grupami karboksylowymi (tworząc np. pektyniany wapnia), fosforanowymi i hydroksy-fenolowymi

3. Tworzy szczawiany, węglany i fosforany gromadzone głównie w wakuoli, a także inkrustujące ścianę komórkową

Funkcje metaboliczne:

1. pełni rolę tzw. wtórnego przekaźnika, regulując w ten sposób odpowiedz rośliny na bodźce

2. reguluje właściwości półprzepuszczalne błon komórkowych (usztywnia)

3. usztywniając ściany komórkowe wpływa na:

• strukturę komórki

• właściwy pokrój rośliny

• procesy wzrostowe

procesy odpornościowe (pozytywnie)

OBJAWY NIEDOBORU:

• pojawiają się najpierw na młodych liściach, pierwiastek nieruchliwy

• zasychanie wierzchołków wzrostu

• młode liście silnie skręcone

• starsze liście maja nieregularne, postrzępione brzegi

• czasem chlorotyczne i nekrotyczne plamy na liściach starych

• karłowaty korzeń – totalne zahamowanie wzrostu i zawiązywania nowych rozgałęzień

• korzenie śluzowacieją – rozluźnienie struktury ściany komórkowej i infekcje patogenowi

MAGNEZ

Formy pobierane przez rośliny: jony Mg²⁺

Związki występujące w roślinie:

1. W formie związanej z anionami nieorganicznymi i organicznymi (jabłkowym, cytrynowym, szczawiooctowym, pektynowym)

2. W centrum cząsteczki chlorofilu

Funkcje metaboliczne:

1. regulacja aktywności szeregu enzymów (gł. fosforylujących i hydrolizujących ATP) przez tworzenie połączeń chelatowych pomiędzy substratem i enzymem

2. regulacja jasnej i ciemnej fazy fotosyntezy

3. regulacja natężenia syntezy białek poprzez utrzymanie właściwej struktury rybosomów

OBJAWY NIEDOBORU:

• najpierw na starszych liściach (pierwiastek ruchliwy)

• chloroza mozaikowa – nerwy liści pozostają zielone, pomiędzy nimi blade, chlorotyczne fragmenty blaszki liściowej

• charakterystyczny „paciorkowaty” albo „tygrysi” wygląd roślin jednoliściennych (na liściach jakby zielone paciorki)

ŻELAZO

Formy pobierane przez rośliny: chelaty żelazowe

Związki występujące w roślinie:

1. cytochromy

2. katalaza i peroksydaza

3. ferredoksyna i białka Rieskiego

Funkcje metaboliczne:

1. udział w łańcuchach transportu elektronów (regulacja fotosyntezy, oddychania, wiązania N₂, asymilacji azotanów i siarczanów)

2. regulacja syntezy chlorofilu

OBJAWY NIEDOBORU:

• chloroza taka jak w przypadku niedoboru Mg²⁺, tylko dotycząca młodych liści

• drzewa owocowe – szczególnie wrażliwe (przebielone liście z ciemnymi żyłkami – chloroza międzyżyłkowa, szybko nekrozy)

POBIERANIE:

Żelaza jest dużo w stosunku do innych makroelementów, ale głównie to Fe³⁺, silnie wiązane przez koloidy glebowe i nierozpuszczalne.

CHELATORY – związki wiążące żelazo wydzielane przez rośliny.

Dwie strategie pobierania:

1. DWULIŚCIENNE: strategia I

   • wydzielanie chelatorów w sposób bierny;

   • jednocześnie uruchomienie pompy protonowej powoduje zakwaszenie środowiska

   • chelatory absorbują Fe³⁺, wymieniając je w koloidach glebowych na H⁺

   • chelaty żelaza są rozpuszczalne i mogą być wykorzystywane przez transmembranowe enzymy znajdujące się w plazmolemmie włośników – tzw. turboreduktazy (należą do klasy oksydoreduktaz)

   • turboreduktazy po stronie cytoplazmatycznej utleniają NADH do NAD⁺, a elektron przenoszą na Fe³⁺, redukując je do Fe²⁺

   • Fe²⁺ zostaje uwolnione z chelatora i transportowane do cytoplazmy, również przez turboreduktazę

   • chelator z powrotem dostaje się do ryzosfery

aktywność turboreduktazy napędzana jest deficytem żelaza w komórce, stąd jej nazwa (brak żelaza powoduje wzrost ilości i aktywności turboreduktazy)

chwilowy spadek pH cytoplazmy powoduje uaktywnienie H⁺-ATPazy, pompowanie protonów do środowiska i uwalnianie chelatorów

1. JEDNOLIŚCIENNE: strategia II

• specyficzne transportery plazmolemmy włośników wyrzucają chelatory – fitosiderofory

• FITOSIDEROFORY to aminokwasy niebiałkowe syntetyzowane z metioniny (kwas awenikowy, kwas mugineikowy)

• nie angażują pompy protonowej, nie ma potrzeby zakwaszania, fitosiderofory maja znacznie większe powinowactwo do żelaza niż chelatory dwuliściennych

• bierne transportery bez aktywności enzymatycznej przenoszą kompleksy Fe³⁺-siderofor do wnętrza komórki

• dopiero w środku reduktazy cytoplazmatyczne redukują Fe³⁺ do Fe²⁺, a fitosiderofory transportowane są na zewnątrz

W14

Czynniki zewnętrzne wpływające na wzrost roślin:

• światło

• temperatura

• woda

• makro- i mikroelementy

WODA:

dostępność wody i uwodnienie tkanek ma duże znaczenie, szybko ogranicza wzrost.

• ważna dla przemian metabolicznych

• decyduje o sile rozciągającej ściany

• odpowiada za wzrost ilościowy – nieodwracalne zmiany objętości; przyrosty suchej masy są znacznie mniejsze

TEMPERATURA:

• zbyt wysoka powoduje zachwianie gospodarki wodnej na skutek podsychania (wyparowywania z roślin)

• reguluje wzrost z uwagi na zależność aktywności enzymatycznej od temperatury – są 3 punkty kardynalne (minimum, optimum, maksimum); zgodnie z regułą van’t Hoffa wzrost temp. o 10°C pomiędzy minimum a optimum powoduje dwukrotny wzrost tempa procesu; wzrost temperatury powyżej optimum hamuje proces

• optimum harmonijnego wzrostu jest nieco niższe od optymalnej temperatury bezwzględnej dla wzrostu (optimum harmonijne dotyczy równomiernego, zrównoważonego wzrostu wszystkich części rośliny – wrażliwość tkanek jest różna)

ŚWIATŁO:

• działa pośrednio poprzez fotosyntezę

• hamuje wzrost elongacyjny (rośliny etiolowane są bardzo wydłużone)

• stymulacja wzrostu blaszki liściowej (etiolowane mają blaszki zredukowane)

• słabsze tworzenie ścian wtórnych

regulacja wzrostu :

• bliska czerwień (630-680nm) – hamuje elongację pędów

• daleka czerwień (710-740nm) – odwraca efekty bliskiej czerwieni

fotoreceptor: FITOCHROM (chromoproteina)

2 formy:

P_r – absorbuje światło bliskiej czerwieni (red)

P_fr – absorbuje światło dalekiej czerwieni (far red)

fotokonwersje – zmiany bardzo szybkie

wolna przemiana P_fr w P_r w ciemności (kilkanaście godzin)

aktywna fizjologicznie jest forma P_fr – ulega szybszej lub wolniejszej degradacji (szybka – nie jest możliwe odwracanie efektów bliskiej czerwieni przez daleką)

na świetle ustala się pewien stan stacjonarny 93% P_fr, 7% P_r (stan stacjonarny jest istotny dla aktywności P_fr)

maksimum absorpcji światła czerwonego przez P_r wynosi 666nm,

a światła dalekiej czerwieni przez P_fr 730nm

Dystrybucja fitochromu w etiolowanych siewkach.

najwyższe stężenie cząsteczek fitochromu występuje w apikalnych, merystematycznych częściach epikotylu i korzenia, które charakteryzują najgwałtowniejsze zmiany rozwojowe.

Zmiany w strukturze fitochromu spowodowane światłem.

• Część chromatoforowa to FITOCHROMOBILINA zbudowana z 4 pierścieni pirolowych połączonych łańcuchowo (układ bilanu).

• Po absorpcji światła ostatni pierścień przechodzi z pozycji cis w trans. Ma to przeniesienie na wyższorzędową strukturę APOPROTEINY – następuje sekwestracja fitochromu w komórkach (cząsteczki z luźnego ułożenia w cytoplazmie przechodzą w regularne ustawienie pod plazmolemmą).

GENETYCZNA REGULACJA SYNTEZY FITOCHROMU

• Apoproteina kodowana jest przez 5 (A-E) jądrowych genów PHY.

• Część chromatoforowa kodowana jest przez geny plastydowe; synteza w plastydach.

• Asocjacja apoproteiny i fitochromobiliny ma charakter spontaniczny, nie enzymatyczny, zachodzi w cytoplazmie – powstaje fitochrom P_r

• Pod wpływem światła P_r przechodzi w P_fr

Istnieją dwie formy fitochromu – A i B, które różnią się stabilnością.

FITOCHROM A (LABILNY)

• syntetyzowany w formie P_r (na świetle czerwonym przechodzi w P_fr)

• kodowany przez gen PHY A

• jego poziom kontrolowany jest przez 3 czynniki:

  • degradację mRNA (jest mało stabilne)

  • degradację formy P_fr (ubikwitynacja, wymaga nakładu energii – ATP)

  • reakcje wywoływane przez P_fr hamują ekspresje genu

• reakcje, w których pośredniczy nie są odwracalne przez daleką czerwień (P_fr nie może przejść w P_r)

FITOCHROM B (STABILNY)

• kodowany przez geny PHY B – E

• syntezowany znacznie wolniej

• zarówno mRNA jak i białko formy P_fr są stabilne

• ekspresja genów nie podlega hamowaniu przez P_fr

• reakcje odwracalne

TYPY REAKCJI REGULOWANYCH PRZEZ FITOCHROM.

1. reakcje bardzo nisko energetyczne VLFR

   • natężenie światła bardzo niskie – świecenie gwiazd w nocy

   • reakcje nieodwracalne

   • odpowiada za nie fitochrom labilny

2. reakcje nisko energetyczne LFR

   • natężenie światła 1-1000μmoli/m² – światło podczas średnio słonecznego dnia

   • reakcje odwracalne

   • odpowiada za nie fitochrom stabilny

   • większość reakcji wzrostowych i rozwojowych zależnych od światła

3. reakcje wysoko energetyczne HIR

   • wysokie natężenie światła, działające w sposób ciągły

   • siła reakcji zależy od natężenia światła

   • odwracalne lub nieodwracalne

   • stabilny bądź labilny

Reakcje niskoenergetyczne LFR

wywoływane przez światło czerwone, odwracane lub hamowane przez daleką czerwień

-indukcja kiełkowania siewek sałaty

• wywoływana przez naświetlenie światłem czerwonym

• zawsze gdy cykl naświetleń kończyło światło czerwone – stymulacja

• gdy cykl naświetleń kończyła daleka czerwień – hamowanie

• typowe fotoodwracalne reakcje kontrolowane przez fitochrom:

GATUNEK	STADIUM ROZWOJOWE	EFEKT ŚWIATŁA CZERWONEGO

sałata nasiona indukcja kiełkowania

owies etiolowane siewki indukcja de-etiolacji (np. rozwój liści)

gorczyca siewki indukcja powstawania primordiów (zawiązków liści), rozwoju pierwszych liści

groszek wyrośnięta roślina hamowanie wzrostu elongacyjnego łodygi

chryzantema wyrośnięta roślina hamowanie zakwitania (reakcja fotoperiodyczna)

sosna siewka wzmożona synteza chlorofilu

Polytrichium (mszak) sporofit indukcja replikacji plastydów

Mougeotia (glon) dojrzały gametofit indukcja zmiany orientacji chloroplastów w kierunku światła

• za wywoływanie efektu odpowiada P_fr

Zmiany w stosunku P_fr/P_total wpływają na elongację pędów roślin rosnących na nasłonecznionych stanowiskach. Nie mają wpływu na rośliny stanowisk zacienionych.

MODEL REGULACJI przez fitochrom ekspresji genów:

• zmiana pod wpływem światła czerwonego P_r w P_fr

• P_fr modyfikuje czynnik transkrypcyjny, który dzięki temu może się związać w miejscu promotorowym genu

• wszystkie promotory genów regulowanych światłem mają elementy LRE

• jednym z genów regulowanych przez światło jest gen kodujący małą podjednostkę Rubisco

Indukcja de-etiolacji etiolowanych siewek Arabidopsis przez fitochrom B.

• światło czerwone (660nm) indukuje konwersję P_r do P_fr

• P_fr przemieszcza się z cytoplazmy do jądra komórkowego

• w jądrze P_fr wiąże się z białkiem PIF3 (ang. Phytochrom Interacting Protein 3)

• kompleks P_fr-PIF3 asocjuje z sekwencjami promotorowymi zawierającymi motyw CACGTG/GTGCAC

• motywy te odnaleziono w sekwencjach promotorowych kodujących inne czynniki transkrypcyjne

• nowo zsyntetyzowane czynniki transkrypcyjne łączą się z odpowiednimi promotorami inicjując syntezę grupy genów, które ulegają ekspresji po przeniesieniu rośliny na światło

REAKCJE WYSOKOENERGETYCZNE TYPU HIR.

Hamowanie elongacji hypokotyli etiolowanych siewek sałaty zachodzi pod wpływem światła: UVA, niebieskiego, dalekiej czerwieni.

U mutantów z brakiem genów PHY hamowanie zachodzi tylko pod wpływem UVA i niebieskiego, daleka czerwień jest nieaktywna.

W reakcjach HIR uczestniczą także inne fotoreceptory – kryptochromy, odbierające krótsze fale świetlne.

Reakcje te są odwracalne, odpowiada za nie fitochrom A.

Siewki nieetiolowane – efekt hamowania wzrostu hypokotyli wywołuje bliska czerwień (konieczne duże natężenie)

Efekt nie jest odwracalny, odpowiada za niego fitochrom B.

Prostowanie odcinka podliścieniowego zachodzi dopiero na świetle (czyli na powierzchni); umożliwia właściwe ułożenie liści i fotosyntezę.

Przykłady nieodwracalnych fotomorfogenetycznych reakcji typu HIR kontrolowanych przez fitochrom:

1. Synteza antocyjanów w siewkach różnych gatunków roślin dwuliściennych i w skórce jabłek.

2. Hamowanie wydłużania hypokotyli siewek gorczycy i sałaty.

3. Prostowanie na świetle odcinka podliścieniowego etiolowanych siewek.

4. Wzrost liścieni.

ZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY FOTOPERIODEM A ZAKWITANIEM ROŚLIN.

Zakwitanie to reakcja niskoenergetyczna, w reakcji pośredniczy fitochrom stabilny.

Większość roślin wymaga odpowiedniego fotoperiodu by zakwitnąć.

Rośliny dzielą się na 2 grupy:

• rośliny dnia krótkiego (RDK) – zakwitają, gdy noc trwa więcej niż 12 godzin

• rośliny dnia długiego (RDD) – zakwitają, gdy noc trwa mniej niż 12 godzin

RDK – chryzantemy, Brassicaceae

RDD – Arabidopsis

RDK hodowane w dniu długim nigdy nie zakwitają i odwrotnie – RDD nie zakwitają w dniu krótkim.

Jeśli RDD były hodowane w fotoperiodzie dnia krótkiego, ale przerywanym krótkimi błyskami światła czerwonego – zakwitały.

Jeśli RDK były hodowane w dniu krótkim przerywanym błyskami światła czerwonego – nie kwitły.

Jeśli RDK były hodowane w fotoperiodzie dnia krótkiego przerywanym błyskami światła czerwonego i dalekiej czerwieni – zakwitały.

Mutant phyB Arabidopsis (RDD) z uszkodzoną syntezą fitochromu stabilnego (B) zakwita w fotoperiodzie dnia krótkiego – wniosek: fotoreceptorem odpowiadającym za percepcję długości dnia i jakości światła jest fitochrom B.

Mechanizm percepcji długości dnia nie jest do końca zrozumiały.

Istnieją pewne czynniki, które są transportowane do innych części roślin.

Hodowano RDK w fotoperiodzie dnia długiego, a jeden z liści tej rośliny w fotoperiodzie dnia krótkiego – to wystarczyło do zakwitania.

Jeżeli przeszczepiono liść RDK z fotoperiodu dnia krótkiego na inną roślinę RDK hodowaną w dniu długim, to ona także zakwitała.

Jeżeli przeszczepiono inny liść (RDK z dnia długiego) – roślina RDK z dnia długiego nie zakwitała.

GENY REGULUJĄCE ZAKWITANIE ROŚLINY:

• zidentyfikowano u Arabidopsis

• są to geny CO (kodują najprawdopodobniej czynniki transkrypcyjne innych genów odpowiadających za wytwarzanie poszczególnych elementów kwiatowych, tzw. genów zakwitania)

• ich ekspresja zależy od długości dnia i determinuje zakwitanie

• ekspresja genów zakwitania (AP2, LFY i AP1) niezależnych od długości dnia jest indukowana produktami genu CO

• ich ekspresja powoduje przewartościowanie wegetatywnego stożka wzrostu w zawiązek kwiatowy lub kwiatostanowy

Mutanty pod względem genów CO zakwitają w niewłaściwym fotoperiodzie.

W15

WZROST:

• merystematyczny: podziały komórkowe, brak przyrostu objętości

• elongacyjny: w pobliżu merystemów, w strefach wzrostu elongacyjnego (komórki młode, otoczone stosunkowo cienką ścianą pierwotną – ściana wtórna eliminuje możliwość wzrostu)

BUDOWA ŚCIANY KOMÓRKOWEJ:

Ściana komórkowa zbudowana jest z uporządkowanych micelli celulozowych (elementy szkieletowe) zawieszonych w bezpostaciowej matriks.

Micele celulozowe – kilkadziesiąt-kilkaset łańcuchów celulozowych (zbudowanych z kilkuset glukoz połączonych wiązaniami β-1,4) ułożonych równolegle.

W skład matriks ściany komórkowej wchodzą:

1. HEMICELULOZY

   1. ksyloglukany

   2. ksylany

   3. glukomannan

2. PEKTYNY

   1. homogalakturoniany zwane także kwasami pektynowymi

   2. ramnogalakturoniany

   3. arabiniany

   4. arabinogalaktany

3. BIAŁKA STRUKTURALNE

   1. bogate w hydroksyprolinę (HRPG), a wśród nich ekspansyna

   2. bogate w prolinę (PRP)

   3. bogate w glicynę (GRP)

Hemicelulozy maja rozgałęzione łańcuchy, krótsze niż celuloza. Ich jeden koniec przylega do jednej mikrofibryli celulozowej, drugi do drugiej – tam stabilizowane są mostkami wodorowymi.

Kwasy pektynowe chętnie łączą się z Ca²⁺ tworząc sztywne i stabilne pektyniany wapnia.

ODWRACALNA ROZCIĄGLIWOŚĆ ściany komórkowej:

Jeśli ciśnienie hydrostatyczne wewnątrz komórki jest duże, to wywiera ono nacisk na ścianę. Powoduje to wyprostowanie ramienia esicy hemicelulozy i rozsunięcie mikrofibryli celulozy.

To nie proces wzrostowy – nie dochodzi do zerwania wiązań.

Ważne w komórkach szparkowych.

WZROST ELONGACYJNY ściany komórkowej:

Rozbicie wiązań wodorowych hemiceluloza-celuloza i glikozydowych w obrębie polisacharydów.

EKSPANSYNA:

• ma zdeterminowane ułożenie – pomiędzy kawałkiem hemicelulozy a włóknem celulozy

• zmienia właściwości w zależności od pH

• wytwarza mostki wodorowe pomiędzy hemicelulozą a celulozą

• decyduje o spójności strukturalnych elementów

• domena CBD ekspansyny odpowiada za mobilność białka poprzez wiązanie do powierzchni mikrofibrylli celulozowej

• przesuwanie ekspansyny wzdłuż włókna umożliwia rozrywanie wiązań wodorowych pomiędzy celulozą a przylegającymi hemicelulozami.

WZROST ŚCIANY KOMÓRKOWEJ:

1. Rozluźnianie struktury ściany komórkowej

• H⁺-ATPaza wyrzucając protony do apoplastu obniża pH ściany (do jej aktywacji zarówno na poziomie genetycznym jak i potranslacyjnym konieczne jest pojawienie się hormonu wzrostu – IAA)

• spadek pH powoduje zmianę właściwości powierzchniowych ekspansyny i sprzyja rozrywaniu mostków wodorowych pomiędzy mikrofibrylami celulozy a hemicelulozami

• jednocześnie aktywowana jest transglikozylaza (XAT) rozbijająca ksyloglukany (hemicelulozy) na mniejsze kawałki

• spadek pH aktywuje także hydrolazy takie jak endoglukonazy, które tną inne glukany matriks

1. Masowy transport wody do komórki, wzrost ciśnienia turgorowego i rozsuwanie elementów szkieletowych ściany.

2. Aktywacja syntetazy celulozowej (synteza włókien celulozowych) – wykorzystuje glukozę transportowaną z wnętrza komórki, przyłącza ją do rozciętych łańcuchów celulozowych.

3. Wzmożona synteza składników matriks (polisacharydów i białek) – są one zamykane w pęcherzyki diktiosomalne i uwalniane na drodze egzocytozy do ściany.

4. Powolne wyciszenie H⁺-ATPazy (ustaje jej aktywacja), protony są konsumowane w ścianie, pH się podnosi, ustaje aktywność ekspansyny i hydrolaz i spontanicznie tworzą się nowe mostki wodorowe.

Wzrostowi ściany towarzyszy przyrost masy protoplastu – głównie wynika on z gromadzenia dużych ilości wody, a nie przyrostu masy organicznej.

Typy wzrostu:

• wzrost szczytowy – rośnie tylko kawałek na szczycie komórki, bardzo intensywne wydłużanie, rzadki typ wzrostu (włośniki, łagiewka pyłkowa)

• wzrost dyfuzyjny – równomiernie

Czynnikiem determinującym wzrost szczytowy jest szybkość „dostarczania” do tej części pęcherzyków Golgiego. Jednokierunkowy transport pęcherzyków jest spowodowany gradientem wapnia (rośnie w kierunku szczytu komórki, przyczyna wytwarzania nieznana)

Wzrost dyfuzyjny – komórki mogą być sferyczne bądź wydłużone – o kształcie decyduje układ mikrofibrylli celulozy w ścianie komórkowej, który z kolei zależy od ułożenia mikrofilamentów aktynowych cytoszkieletu.

• przypadkowa orientacja mikrofibrylli celulozy – komórka sferyczna

• uporządkowana orientacja – komórka wydłużona – kierunek wzrostu prostopadły do ułożenia mikrofibrylli

Wzrost podlega kontroli zarówno czynników endogennych (hormony wzrostowe) jak i zewnętrznych (światło).

Żeby powstała reakcja bodziec musi zostać odebrany, przekazany i przetworzony.

Schemat percepcji, przekazywania (transdukcji), amplifikacji i przetwarzania sygnału.

1. asocjacja – związanie cząsteczki sygnałowej przez receptor (odpowiedź pozytywna lub negatywna – brak odpowiedzi, gdy brak receptora)

2. przekazywanie informacji (transdukcja, sygnaling) – indukcja reakcji chemicznych, kaskada zdarzeń

3. amplifikacja (wzmocnienie) sygnału – wytworzenie wtórnego przekaźnika, który indukuje kolejne przemiany

4. różne poziomy oddziaływania wtórnych przekaźników:

   1. zmiana ekspresji genów (indukcja bądź hamowanie)

   2. wpływ na aktywność istniejących już białek

   3. zmiany strukturalne cytoszkieletu

5. określona odpowiedź

TYPY RECEPTORÓW:

• zewnątrzkomórkowe – plazmolemmowe (wiążą cząsteczki, które nie mogą przejść przez błonę, czyli molekuły polarne, hydrofilowe, duże)

• wewnątrzkomórkowe (wiążą cząsteczki hydrofobowe, reagują na czynniki fizyczne – światło, temperaturę)

  • białka cytoplazmatyczne, rozpuszczalne – np. fitochrom (reaguje na światło)

  • białka błonowe struktur subkomórkowych

PODZIAŁ RECEPTORÓW ze względu na mechaniczne działanie:

1. związane z białkami G

• szczególnie duża grupa u roślin.

• transmembranowe: po zewnętrznej stronie błony struktura wiążąca cząsteczkę sygnałową, fragment wewnątrz dwuwarstwy lipidowej, duża domena wiążąca białko G po wewnętrznej stronie błony

• białko G: podjednostki Alfa, Beta, Gamma (cały czas zasocjowane z receptorem)

• związanie cząsteczki sygnałowej do receptora powoduje aktywację podjednostki Alfa (wymianę GDP na GTP, co zmienia strukturę podjednostki) i jej uwolnienie z całego kompleksu. Podjednostka Alfa przesuwa się w kierunku białek akceptorowych (enzymów) i zmienia ich aktywność

1. o charakterze enzymatycznym

• występują w postaci nieaktywnego monomeru

• przyłączenie cząsteczki sygnałowej po jednej stronie błony powoduje dimeryzację i aktywację katalitycznej domeny położonej po drugiej stronie błony

• domena katalityczna najczęściej posiada aktywność kinazową

1. o charakterze kanału jonowego

• transbłonowe

• związanie cząsteczki sygnałowej powoduje zmianę przepuszczalności kanału, najczęściej otwieranie – wtedy możliwy transport

• nie jest dużo receptorów tego typu – np. kanał wapniowy zlokalizowany w ER

RECEPTORY ZWIĄZANE Z BIAŁKAMI G.

Aktywacja białka G.

1. związanie cząsteczki sygnałowej

2. wymiana GDP na GTP w podjednostce Alfa

3. dysocjacja podjednostki Alfa i przesuwanie się w kierunku białka docelowego

4. zmiana aktywności białka docelowego (enzymu)

5. podjednostka Alfa posiada aktywność GTPazową – po pewnym czasie hydrolizuje GTP do GDP, tracąc tym samym aktywność

6. dysocjacja podjednostki Alfa od białka docelowego

Drogi transdukcji sygnału.

1. AKTYWACJA CYKLAZY ADENYLOWEJ i uwalnianie cAMP jako wtórnego przekaźnika.

• zidentyfikowano tę drogę na początku lat 70. w komórkach zwierzęcych, nie jest ona intensywnie eksplorowana

• podjednostka Alfa –GTP wiąże się do cyklazy adenylowej (zakotwiczona w błonie) powodując jej aktywację

• cyklaza z ATP syntetyzuje cAMP, który jest wtórnym przekaźnikiem – powstaje wiele cząsteczek cAMP, a więc dochodzi do amplifikacji sygnału

• cAMP przyłącza się do kinazy białkowej typu A (PKA)

• PKA wędruje do jądra i fosforyluje białko regulatorowe będące czynnikiem transkrypcyjnym

• fosforylacja powoduje związanie do promotora, co uruchamia transkrypcję i powstaje białko zmieniające metabolizm (odpowiedź wzrostowa)

1. AKTYWACJA FOSFOLIPAZY C i uwalnianie Ca²⁺ jako wtórnego przekaźnika.

• bardzo częsta droga transdukcji

• fosfolipaza C (PLC) po związaniu podjednostki Alfa hydrolizuje fosfatydyloinozytole uwalniając diacyloglicerol i trifosforan inozytolu (IP₃)

• IP₃ łączy się z kanałowym białkiem receptorowym (kanały wapniowe w ER) powodując jego otwarcie i wypływ wapnia z ER do cytoplazmy

• Ca²⁺ i diacyloglicerol w cytoplazmie wiążą się do kinaz białkowych typu C (PKC)

• PKC fosforylują białka cytoszkieletu – zmieniają jego właściwości i indukują odpowiedź wzrostową

• Ca²⁺ są również chętnie wiązane przez nieenzymatyczne białko – KALMODULINĘ (związanie 4 jonów wapnia powoduje zmianę konformacyjną kalmoduliny)

• kompleks Ca²⁺-kalmodulina wiąże się do kinaz białkowych zależnych od

Ca²⁺-kalmoduliny (CDPK)

• CDPK są szeroką grupą enzymów występującą zarówno w cytoplazmie jak i w formie związanej, w plazmolemie i elementach cytoszkieletu. Katalizują fosforylację białek strukturalnych (elementy cytoszkieletu), enzymatycznych (np. H+-ATPaza, Rubisko) oraz białek regulatorowych, wpływając w ten sposób na ekspresję określonych genów

1. AKTYWACJA FOSFOLIPAZY A i uwalnianie lizofosfolipidów oraz kwasu jasmonowego.

• fosfolipaza A (PLA), białko błonowe enzymatyczne, po związaniu podjednostki Alfa rozkłada fosfatydylocholinę (składnik dwuwarstwy lipidowej) na lizofosfatydylocholinę i wolne kwasy tłuszczowe

• wolne kwasy tłuszczowe (np. linolenowy) są wykorzystywane do syntezy kwasu jasmonowego, który powoduje zmianę ekspresji genów (odpowiedzią jest zdolność do obrony przed patogenami)

• lizofosfatydylocholina i wolne kwasy tłuszczowe aktywują kinazy białkowe odpowiedzialne za fosforylację kanałów K⁺ i H⁺-ATPazy

\

Receptory o aktywności enzymatycznej.

RECEPTOR TYPU KINAZY TYROZYNOWEJ.

• nieaktywny ma postać monomeru

• związanie ligandu powoduje dimeryzację i aktywację części enzymatycznej

• część enzymatyczna to kinaza tyrozynowa – odpowiada za autofosforylację reszt tyrozynowych w receptorze

• reszty fosforanowe dzięki białku RAS (RAS-GDP + P → RAS-GTP) zostają przeniesione z części enzymatycznej receptora na MAPKKK

KASKADA KINAZ MAP

• reszty fosforanowe przeniesiona na MAPKKK (kinazę kinazy kinazy zależnej od MAP) aktywują ją

• MAPKKK przekazuje reszty fosforanowe na MAPKK (kinazę kinazy zależnej od MAP), aktywując ją

• MAPKK aktywuje MAPK (kinazę zależną od MAP) przekazując na nią reszty fosforanowe

• ufosforylowana MAPK przechodzi do jądra, gdzie przekazuje reszty fosforanowe na czynnik transkrypcyjny (TF)

• aktywny czynnik TF wiąże się ze specyficzną sekwencją nukleotydową (tzw. element cis) i aktywuje transkrypcję określonego genu

HORMONY WZROSTOWE – substancje w ilościach wykluczających działanie odżywcze, modyfikujące procesy wzrostowe i rozwojowe. Zazwyczaj syntezowane gdzie indziej niż działają.

Jeden wyjątek – etylen (działa w miejscu syntezy), jest gazem, ma charakter hydrofobowy, łatwo dyfunduje, nie ma szans działania gdzie indziej

AUKSYNA

• pierwszy zidentyfikowany hormon

• zaliczana do indukujących wzrost

• aktywna w postaci anionu

SYNTEZA:

• pochodna TRYPTOFANU, synteza w dwóch reakcjach (dekarboksylacja i dezaminacja, kolejność dowolna); powstaje aldehyd przekształcany potem w IAA, czyli kwas indolilo-3-octowy

• żadne inne auksyny poza IAA nie są syntezowane w roślinach

• synteza w apikalnych stożkach wzrostu, tkankach zarodkowych kiełkujących nasion, młodych liściach (tutaj bardzo mała ilość)

INAKTYWACJA:

• tworzenie niereaktywnych koniugatów, z których IAA jest bardzo łatwo uwalniane

• koniugaty z : cukrami (glukoza, galaktoza), inozytolem, asparaginianem

DEGRADACJA:

• nieodwracalna

• dekarboksylacja i utlenianie (także IAA związanego w formie koniugatów)

TRANSPORT:

• auksyna płynie od apikalnego stożka wzrostu do stożka wzrostu korzenia (czyli z góry na dół), co oznacza w części nadziemnej transport bazypetalny (od stożka wzrostu), a podziemnej akropetalny (do stożka wzrostu)

• doświadczenie: fragment hypokotylu umieszczono między dwoma bloczkami, z których jeden nasączony był auksyną

  • gdy część apikalna kontaktowała się z donorem IAA, po pewnym czasie odnajdowano IAA w bloczku dolnym

  • gdy odwrócono hypokotyl do góry nogami i część bazalna kontaktowała się z donorem IAA, nie odnajdowano auksyny w dolnym bloczku

  • konkluzja: transport jest bazypetalny, ważna jest polaryzacja hypokotylu

• za taki transport odpowiada nierównomierna dystrybucja białek transporterowych

  • w apikalnej części komórki znajdują się transportery aktywne, przenoszące IAA z apoplastu do cytoplazmy – białka AUX

    • symportery IAA‾ i H⁺

    • korzystają z pierwotnej siły protomotorycznej generowanej przez H⁺-ATPazę

  • w części bazalnej komórki przenośniki IAA‾ – białka PIN

  • transport DO WNĘTRZA komórki zachodzi dzięki białkom AUX, ale auksyna przechodzi także biernie w formie niezdysocjowanej. (Apoplast jest lekko kwaśny, większość IAA pozostaje w formie niezdysocjowanej. Po przejściu do cytoplazmy IAA dysocjuje na H⁺ i IAA‾, co zapewnia utrzymanie gradientu dla dyfuzji)

  • IAA‾ jest wyrzucany przez PIN do apoplastu, gdzie przyłącza proton i przechodzi w formę niezdysocjowaną (z cytoplazmy do apoplastu możliwy jest tylko transport za pomocą białek PIN – nie ma ich w górnej części komórki, dlatego nie zachodzi akropetalny transport IAA)

  • białka PIN są wbudowywane w bony plazmolemmy dzięki asocjacji pęcherzyków diktiosomalnych, proces jest sterowany przez cytoszkielet

  • na skutek endocytozy mogą się odłączać i wędrować na krótko do cytoplazmy

  • w wyniku reorganizacji cytoszkieletu białka PIN mogą być włączane w boczne ściany, co skutkuje gromadzeniem IAA i rozwojem odgałęzień bocznych

O stężeniu IAA decyduje:

• tempo syntezy

• tempo tworzenia koniugatów

• tempo rozkładu

• transport

• kompartmentacja w chloroplastach (może być tam wycofywane podobnie jak ABA)

Stężenie jest bardzo ważne, decyduje o rodzaju odpowiedzi: stężenie, które stymuluje wzrost pędu, hamuje wzrost korzenia (dużo niższe stężenia stymulują wzrost korzenia)

MECHANIZM DZIAŁANIA AUKSYNY:

IAA uruchamia dwa poziomy modulacji:

• potranslacyjny

  • IAA wiąże się do receptorów wewnątrzkomórkowych, na błonach ER; są także w plazmolemmie (ogólnie receptory są słabo poznane, najlepiej te w ER)

  • współdziałają z białkami G, wtórnymi przekaźnikami są jony wapnia i lizofostatylydocholina (lizoPC)

  • Ca²⁺ stymulują CDPK (kinazy zależne od Ca²⁺-kalmoduliny), które fosforylują resztę C-końca H⁺-ATPazy, umożliwiając przyłączenie białka 14-3-3 i tym samym aktywują pompy

  • spada pH ściany, co umożliwia wzrost

• genetyczny

  • wpływ wtórnych przekaźników na ekspresję genów kodujących H⁺-ATPazy

  • modyfikacja czynników transkrypcyjnych, związanie z promotorem

  • podniesienie poziomu mRNA, synteza białek na rybosomach, dojrzewanie w aparacie Golgiego, egzocytoza w pęcherzykach i asocjacja białka z plazmolemmą

  • wzmożone pompowanie protonów do apoplastu powoduje zakwaszenie ściany i umożliwia wzrost

  • efekt jest opóźniony w czasie (po kilku godzinach), ale za to trwa dłużej

  • oprócz H⁺-ATPazy syntezowane są de novo XAT i enzymy zaangażowane w syntezę polisacharydów ściany

EFEKTY FIZJOLOGICZNE DZIAŁANIA AUKSYNY:

• promocja wzrostu elongacyjnego (zwłaszcza części nadziemnych)

  • reaguje tylko strefa elongacyjna

  • kompetencję komórek wyznacza obecność receptorów

• reakcje tropowe – wzrostowe reakcje w kierunku działającego bodźca

  • fototropizm

  • grawitropizm

FOTOTROPIZM:

• części nadziemne wykazują dodatni, korzenie z reguły ujemny

• część nie naświetlana rośnie szybciej – nierównomierny wzrost związany jest z poprzeczną dystrybucją auksyny (więcej po części zacienionej)

• związane jest to z wcześniejszą elektryczną polaryzacją pędu – fotoreceptory prowadzą do nierównomiernej dystrybucji wapnia. Wzmożona autofosforylacja fotoreceptorów enzymatycznych typu kinazowego po stronie zaciemnionej uwalnia kaskadę kinazową, która doprowadza do znacznej koncentracji Ca²⁺ po stronie zacienionej.

• ruch auksyny jest wtórny (aniony IAA wędrują w kierunku ładunków dodatnich, czyli Ca²⁺)

GRAWITROPIZM:

• pędy wykazują ujemny, korzenie dodatni

• za percepcję bodźca odpowiada czapeczka korzeniowa (jeżeli korzeń pozbawimy kawałka czapeczki wzrost odbywa się w tym kierunku, gdzie znajduje się jej część)

• konkretnie za percepcję odpowiadają statolity w komórkach kolumelli (mogą nimi być amyloplasty, ziarna skrobi, kryształy baru, duże jądra komórkowe)

• statolity sedymentują naciskając na pęcherzyki ER znajdujące się pod nimi – następuje otwarcie mechanowrażliwych kanałów wapniowych i uwolnienie Ca²⁺ do cytoplazmy

• w pozycji normalnej wapń dyfunduje równomiernie, a tym samym auksyna również

• w pozycji horyzontalnej zachodzi ucisk ER położonego w dolnych częściach – tam dyfunduje wapń, powstaje gradient elektryczny (+ w dolnej części), IAA przemieszcza się do ładunku dodatniego

  • korzeń zostaje zahamowany przez duże stężenia auksyny (część dolna nie rośnie, korzeń wygina się w dół)

  • pęd zostaje pobudzony (część dolna rośnie, pęd wygina się w górę)

• tak naprawdę dystrybucja IAA jest bardziej skomplikowana, wiąże się z reorganizacją struktury plazmolemmy i wbudowywaniem białek PIN w dolne części komórek kory pierwotnej korzenia

FIZJOLOGICZNE EFEKTY DZIAŁANIA AUKSYNY:

STYMULUJE:

1. wzrost elongacyjny pędów nadziemnych

2. wzrost blaszek liściowych

3. zawiązywanie korzeni

4. różnicowanie naczyń

5. kiełkowanie nasion

6. partenokarpię

7. reakcje fototropiczne

8. reakcje grawitropiczne

HAMUJE

1. wzrost elongacyjny korzeni

2.tworzenie warstwy odcinającej

(opadanie liści i kwiatów)

3. procesy starzenia

4. rozwój pączków bocznych

5. tworzenie bulw

GIBERELINY

• ok. 50 substancji o takiej aktywności

• terpenoidy, na ogół 20C, zdarzają się także 19C

• struktura ent-kaurenu – trzy pierścienie 6C i jeden pierścień 5C

• różnią się między sobą podstawnikami

• dla aktywności ważna jest grupa OH przy trzecim węglu pierwszego pierścienia

• przesunięcie grupy OH z pozycji 3 na 2 powoduje utratę aktywności (nie jest wiązana do receptorów)

SYNTEZA:

• prekursorem jest acetylo-CoA

  • asocjacja 3 cząsteczek do kwasu mewalonowego, który w wyniku fosforylacji i dekarboksylacji przekształca się w pirofosforan izopentenylu (izomeryzujący do pirofosforanu dimetyloallilu)

  • te dwa związki 5C (aktywny izopren) kondensują tworząc związek czteropierścieniowy – pirofosforan geranylo-geranylu (GGDP)

• w proplastydach następuje cyklizacja GGDP przez pirofosforan ent-kopalylu (CPP) do ent-kaurenu

• w ER następuje stopniowe utlenianie ent-kaurenu do aldehydu GA₁₂

• w cytoplazmie zachodzi synteza pozostałych giberelin z aldehydu GA₁₂ (C19 po dekarboksylacji i utlenieniu; C20 po przyłączeniu OH)

• obficie w tkankach zarodkowych w trakcie kiełkowania, w merystemach apikalnych, w młodych liściach (z aktywnym merystemem brzeżnym)

TRANSPORT:

• w różnych kierunkach

O stężeniu i aktywności giberelinowej decyduje kilka procesów:

• natężenie syntezy

• intensywność transportu

• ilość i łatwość tworzonych koniugatów (z cukrami – okresowa dezaktywacja, forma zapasowa)

• aktywność kataboliczna (rozkład giberelin) – temperatura, światło, dojrzałość tkankowa (w starszych szybszy rozkład)

EFEKTY FIZJOLOGICZNE GIBERELIN:

• stymulacja wzrostu elongacyjnego

  • w dużym zakresie stężeń wzrost wprost proporcjonalny do stężenia gibereliny

  • GA działają tylko na całe żywe rośliny (IAA stymuluje także wzrost fragmentów tkanek)

• stymulacja podziałów komórkowych (słabsze działanie)

• przełamywanie efektu karłowatych mutantów (mają uszkodzony gen szlaku syntezy giberelin; opryskiwanie powoduje wzrost)

• wytwarzanie pędu kwiatowego przez rośliny rozetowe (rośliny uprawiane w warunkach dnia krótkiego po oprysku wytwarzały kwiaty)

• stymulacja kiełkowania

• synteza giberelin w komórkach embrionalnych zarodka

• transport GA do komórek warstwy aleuronowej

• indukcja syntezy enzymów hydrolitycznych (α-amylazy)

• hydroliza substancji zapasowych (skrobi)

• transport produktów hydrolizy (cukrów prostych) do zarodka

Mechanizm indukcji syntezy α-amylazy w kiełkujących nasionach przez GA₁

1. wiązanie GA1 do receptora metabotropowego współdziałającego z białkiem G, zlokalizowanego w plazmolemmie komórek aleuronowych

2. aktywacja białka G i inicjacja 2 niezależnych dróg transdukcji sygnału

3. droga niezależna od Ca²⁺ prowadzi do pobudzenia cyklazy guanylowej i uwolnienia w cytoplazmie wtórnego przekaźnika – cGMP, który aktywuje specyficzne białko cytoplazmatyczne

4. wiąże się ono w jądrze z represorem czynnika transkrypcyjnego GAI, inaktywując go

5. GAI oddysocjowuje od sekwencji regulatorowej genów MYB

6. zachodzi ekspresja genu MYB

7. powstaje czynnik transkrypcyjny genów Alfa-amylazy (białko GA-MYB)

8. związanie białka GA-MYB do sekwencji regulatorowej genu amylazy (tzw. element GARE) indukuje: transkrypcję i translację – powstaje Alfa-amylaza

9. białko to po obróbce w aparacie Goldiego zamykane jest w pęcherzykach sekrecyjnych i na drodze egzocytozy wyrzucane do bielma (endospermy)

10. egzocytoza stymulowana jest przez jony wapnia – druga droga transdukcji sygnału uruchamiana przez GA

CYTOKININY

SYNTEZA:

• z pirofosforanu izopentenylu (IPP) i AMP

• są pochodnymi adeniny

• synteza zlokalizowana tylko w korzeniach w stożkach wzrostu

TRANSPORT:

• akropetalny (w górę rośliny)

• przeciwny do IAA

EFEKTY FIZJOLOGICZNE DZIAŁANIA CYTOKININ:

• zaburzenia organogenezy

• zaburzenia dominacji wierzchołkowej – szybki wzrost pędów bocznych (tzw. wiechowatość pędów nadziemnych)

• wytwarzanie narośli (tumorów) – na slajdzie u mutanta posiadającego dodatkowy gen syntetazy cytokininowej, często wywoływane przez patogeny i inne czynniki środowiskowe

• regulacja wzrostu i morfogenezy w kulturach tkankowych (razem z IAA)

  • nie jest ważna bezwzględna ilość cytokinin, ale ich stosunek do auksyny

  • kinetyna – syntetyczna cytokinina

  • tylko IAA – z kalusa powstaje korzeń

  • IAA < kinetyny – powstają organy nadziemne

  • IAA = kinetynie – tylko namnażanie kalusa

  • muszą być prawidłowe proporcje, by wyrosły zarówno części podziemne jak i nadziemne (dobiera się je indywidualnie do danego gatunku, tkanki, itd.)

• hamowanie procesów starzenia

  • hamowanie rozkładu chlorofilu (po oprysku liści cytokininami)

  • zazielenianie starych pożółkłych liści – cytokininy na poziomie genetycznym indukują syntezę enzymów szlaku biosyntezy chlorofilu

• przy nadekspresji genów kodujących cytokininy dobrze rozwinięty korzeń

ETYLEN

SYNTEZA:

• we wszystkich tkankach

• intensywna w komórkach dojrzałych i starzejących się

• z metioniny w trzech reakcjach:

  • metionina + ATP =^{syntetaza AdoMet=} S-adenozylometionina (AdoMet) + PP_i + P_i

(metionina przejmuje resztę adenylową z ATP)

• S-adenozylometionina dzięki syntazie ACC jest rozkładana na ACC (kwas aminocyklopropanokarboksylowy) i 5’-metyloadenozynę (służy do regeneracji metioniny)

• ACC dzięki oksydazie ACC ulega utlenieniu do etylenu, wydziela się CO₂ i HCN

• syntaza i oksydaza ACC pozostają pod wpływem wielu czynników

  • aktywacja syntazy: dojrzewanie owoców, starzenie kwiatów, uszkodzenia tkanek, stres wodny, nadmiar wody

    • etylen – adaptacja do warunków stresogennych

  • hamowanie syntazy: sztuczne inhibitory

  • aktywacja oksydazy: dojrzewanie

  • hamowanie oksydazy: brak tlenu, temp. powyżej 35°C, jony kobaltu

    • w przechowalnictwie brak tlenu, by owoce nie dojrzewały

FIZJOLOGICZNE EFEKTY DZIAŁANIA ETYLENU:

• hamowanie wzrostu elongacyjnego

• indukcja wzrostu na grubość

• indukowanie epinastii (po zadziałaniu etylenu roślina ma „zwiędnięty” pokrój)

• indukcja procesów starzenia (kwiaty cięte w zlewce z inhibitorem etylenu – STS /tiosulfonian/ – są świeże nawet po 14 dniach)

• indukcja zawiązywania korzeni bocznych (ale nie wzrostu!)

• indukcja opadania liści, owoców

  • na skutek zaburzonego transportu auksyny z powodu starzenia organów, w warstwie odcinającej zaczyna być produkowany etylen

  • aktywuje on hydrolazy, rozkładające polisacharydy blaszek środkowych

\

MECHANIZM DZIAŁANIA ETYLENU:

• receptory: białka EIN typu kinaz tyrozynowych i histydynowych

• receptory plazmolemmowe i endomembranowe (gł. ER)

• związanie etylenu rozpoczyna kaskadę kinazową kończącą się modyfikacją czynników transkrypcyjnych, związaniem ich do promotorów i ekspresją hydrolaz

• w pewnym stopniu etylen działa również na poziomie komórkowym i tkankowym (zwiększa przepuszczalność błon komórkowych , zaburzając tym samym homeostazę; wzrasta intensywność procesów dysymilacji, spada syntezy; nierównowaga prowadzi do indukcji starzenia)

ABA (KWAS ABSCYSYNOWY)

• należy do seskwiterpenów (15C)

SYNTEZA:

• prekursorem jest acetylo-CoA, z dwóch cząsteczek powstaje związek 5C – pirofosforan izopentenylu (IPP)

• z trzech pięciowęglowych cząsteczek powstaje pirofosforan farnezylu (FPP) i z niego bezpośrednio ABA

• droga pośrednia prowadzi od FPP do karotenoidów (40C) [zeaksantyny, wolaksantyny, neoksantyny]; z tej ostatniej powstaje ksantoksyna (15C) a z niej ABA

• w dojrzałych i starzejących się roślinach

• w młodych roślinach w odpowiedzi na negatywne warunki środowiskowe, gł. w korzeniach (ABA = hormon stresowy)

INAKTYWACJA:

• tworzenie koniugatów z monosacharydami (uwalnianie pod wpływem negatywnych czynników środowiska)

• utlenianie (nieodwracalna degradacja)

FIZJOLOGICZNE OBJAWY DZIAŁANIA ABA:

• hamuje elongację

• uruchamia mechanizmy adaptujące do niekorzystnych warunków, szczególnie tych, powodujących zaburzenie gospodarki wodnej (zasolenie, metale ciężkie, odwodnienie)

• indukuje dojrzewanie nasion poprzez wpływ na ekspresję genów kodujących:

  • enzymy szlaku syntezy białek zapasowych

  • szeroką grupę dehydryn ochraniających struktury subkomórkowe przed odwodnieniem

  • poziom ABA w nasionach rośnie w trakcie dojrzewania, ponieważ dochodzi tam do odwodnienia (specyficzny stres wodny)

• wyznacza okres spoczynku bezwzględnego nasion

  • inhibicja de novo syntezy enzymów hydrolitycznych indukowanych giberelinami

• wzrost stężenia ABA w dojrzałych częściach nadziemnych powoduje zamykanie aparatów szparkowych

• hamuje także otwieranie aparatów szparkowych (nieco inny mechanizm – uruchamia drogi transdukcji sygnału hamujące aktywność H⁺-ATPazy i zamykanie wpustowych kanałów K⁺)