Zagadnienia na kolokwium z fizjologii roślin
Budowa i skład chemiczny chloroplastów
Chloroplasty są obłonionymi organellami występującymi w komórkach roślin, protistów roślinopodobnych i niektórych bakterii (sinic, zielonych, purpurowych). Wnętrze chloroplastu wypełnia stroma, w której znajduje się sieć obłonionych struktur zwanych tylakoidami. Wyróżniamy dwa rodzaje tylakoidów: rurkowate tylakoidy stromy i ułożone w kształcie stosów monet tylakoidy gran. Błona tylakoidów łączy się bezpośrednio z wewnętrzną błoną otaczającą chloroplasty. Dodatkowo każdy chloroplast ma własną kolistą cząsteczkę DNA i własny aparat do syntezy białek (jednak dzięki niemu potrafi syntezować tylko niewielką część wszystkich potrzebnych mu białek) co może świadczyć o endosymbiotycznym pochodzeniu tego organellum.
Rodzaje barwników fotosyntetycznych i ich występowanie
Do grup barwników aktywnych fotosyntetycznie zaliczmy:
chlorofile (cząsteczki zbudowane z części hydrofobowej - układu porfirynowego i części hydrofilowej - cząsteczki fitolu) są to główne barwniki fotosyntetyczne, bez których nie mógłby zachodzić proces fotosyntezy, gdyż to dzięki nim następuje zamiana energii słonecznej na chemiczną (z fotosystemu I następuje wybicie elektronu, który następnie po połączeniu z cząsteczką ferrodoksyny powoduje syntezę cząsteczki ATP), wyróżniamy chlorofile a, b, c, d oraz bakteriochlorofile a, b,
karotenoidy (pochodne izoprenu) to barwniki pomocnicze o barwie pomarańczowo-czerwonej,
ksantofile (pochodne karotenów) są to barwniki pomocnicze koloru żółtego,
fikobiliny (np. fikocyjanina i fikoerytryna, barwniki fioletowo-czerwone) są to barwniki pomocnicze występujące u bakterii oraz niektórych krasnorostów.
Widma absorpcyjne i widma czynnościowe
Chlorofil absorbuje jedynie światło czerwone i żółte (ćw. 3) oraz oświetlony światłem ultrafioletowym uzyskuje kolor bordowo-czerwony (wykazuje fluorescencje). Karoteny nie wykazują zjawiska fluorescencji, a absorbują jedynie światło koloru niebieskiego i fioletowego.
Łącznie, barwniki zawarte z roślinach, absorbują wszystkie długości światła oprócz koloru zielonego.
Metody pomiaru oddychania u roślin
Jednym z doświadczeń jest to przeprowadzane na lekcji, gdzie w dwóch kolbach miarowych umieszcza się dwie partie ziaren (w jednej suche, w jednej mokre), na pasek bibuły nanosi się kroplę NaOH oraz kroplę fenoloftaleiny. W obu probówkach umieszcza się po wąskim pasku bibuły. Po kilku minutach okazuje się, że w kolbie, gdzie były nasiona mokre zabarwienie fenoloftaleiny zniknęło - świadczy to o tym, że mokre nasiona wydzielają dwutlenek węgla, który ma właściwości kwasowe.
Kolejne doświadczenie polega na tym, że pod szklanym kloszem umieszczamy na mokrym kawałku bibuły partię nasion, obok nich umieszczamy w małym naczyńku trochę roztworu wody wapiennej. Po kilku minutach można zauważyć, że na dnie zbiorniczka osadza się warstwa nierozpuszczalnej soli - węglanu wapnia. Co świadczy o tym, że mokre nasiona wydzielają dwutlenek węgla.
Wyznaczanie współczynnika oddechowego i jego znaczenie ???
Współczynnik oddechowy jest to stosunek objętości wydzielonego dwutlenku węgla do objętości pobranego przez organizm tlenu. Oblicza się go w celu wyznaczenia sprawności oddychania, określenia szybkości metabolizmu i określenia sprawności narządów służących do wymiany gazowej.
Czynniki zewnętrzne wpływające na oddychanie
Oddychanie roślin zależy przede wszystkim od temperatury, przy czym zarówno temperatura zbyt niska jak i zbyt wysoka powoduje zanik tego procesu. Rośliny iglaste oddychają jeszcze przy temperaturze -25 0C i w miarę wzrostu temperatury obserwuje się u nich wzrost intensywności oddychania. Najintensywniej przebiega ten proces u roślin w granicach 30-40 0C. Powyżej 50 0C następuje nagły zanik procesu oddychania i rośliny zaczynają zamierać. Przyczyną tego hamującego działania zbyt niskich lub zbyt wysokich temperatur na intensywność oddychania jest ich wpływ na strukturę białek, a co za tym idzie również enzymów biorących udział w tym procesie.
Przebieg procesu oddychania zależy również od stopnia nasycenia roślin wodą. Przy silniejszym odwodnieniu następuje także zanik procesu oddychania. Suche nasiona roślin, o nawodnieniu równym 10-12 % wykazują tylko znikome oznaki oddychania, natomiast gdy ich nawodnienie wzrośnie do około 15 % intensywność oddychania wzrasta już czterokrotnie!
Kolejnym czynnikiem ograniczającym jest stężenie dwutlenku węgla w powietrzu. Gdy jest ono zbyt duże, proces oddychania ustaje. Zjawisko to występuje zazwyczaj w nasionach roślin motylkowych mających gruba łupinę, która trudno przepuszcza magazynujący się wewnątrz dwutlenek węgla. Proces ten jest wywołany zbytnim zakwaszeniem środowiska wewnętrznego nasionka i uniemożliwieniem pracy enzymom oddechowym.
Do prawidłowego oddychania roślin potrzebna jest także odpowiednia ilość tlenu. Gdy jego ilość jest niewystarczająca rośliny przechodzą na oddychanie beztlenowe, które w większości przypadków jest dla nich szkodliwe.
Fosforylacja oksydacyjna
Jest to cykl przyłączania reszty kwasu fosforowego pochodzącego głównie z ATP do związków organicznych, związany ze zmianą stopnia utlenienia atomu do którego ta reszta jest przyłączana. W organizmach żywych ta reakcja jest katalizowana przez enzymy zwane fosfotransferazami, które transportują reszty kwasowe na odpowiednie związki. Związki, do których zostały przyłączone reszty kw. fosforowego zyskują wyższy poziom energetyczny.
W organizmach żywych szczególnie ważna jest reakcja fosforylacji oksydacyjnej ADP, podczas której powstaje ATP, związek, który jest czystą energią w postaci chemicznej. Właśnie proces oddychania komórkowego ma na celu przeprowadzanie procesu fosforylacji oksydacyjnej ADP.
Etapy oddychania tlenowego i beztlenowego
ODDYCHANIE TLENOWE |
ODDYCHANIE BEZTLENOWE |
etap 1: GLIKOLIZA Zachodzi w cytoplazmie, glukoza przechodzi dwa razy etap fosforylacji oksydacyjnej i rozpada się do aldehydu 3-fosfoglicerynowego i fosfodihydroksyacetonu po czy z obu związków wykształcają się cząsteczki pirogronianu. zysk: 2 cząsteczki ATP |
etap 1: GLIKOLIZA Zachodzi w cytoplazmie, glukoza przechodzi dwa razy etap fosforylacji oksydacyjnej i rozpada się do aldehydu 3-fosfoglicerynowego i fosfodihydroksyacetonu po czy z obu związków wykształcają się cząsteczki pirogronianu. zysk: 2 cząsteczki ATP |
etap 2: FAZA POMOSTOWA Pirogronian przenika przez błonę mitochondrium, a następnie jest przekształcany w acetylo-CoA; podczas procesu dochodzi do uwolnienia CO2. zysk: 2 cząsteczki ATP |
etap 2: REDUKCJA PIROGRONIANU W wyniku redukcji z pirogronianu powstaje związek końcowy (kwas, aldehyd itp.), który następnie jest usuwany z organizmu. Etap jest niezbędny do odzyskania cząsteczki NAD+. zysk: NAD+ |
etap 3: CYKL KWASU CYTRYNOWEGO Etap zachodzi w matrix mitochondrialnym: najpierw z acetylo-CoA połączonego z kw. szczawiooctowym odłączany jest CoA i powstaje kwas cytrynowy, zachodzi jego dekarboksylacja (2x) i utlenienie (2x) w wyniku czego powstaje kw. bursztynowy. Ten jest utleniany do kw. fumaranowego, który jest przekształcany w kw. jabłkowy. Kw. jabłkowy jest utleniany do kw. szczawiooctowego, który znów może przyłączyć acetylo-CoA. zysk: 6 NADH2, 2 FADH2, 2 GTP. |
|
etap 4: ŁAŃCUCH ODDECHOWY Ostatni etap zachodzi na wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Biorą w niej udział pompy ATP. Do koenzymu Q przyłączane są kolejno NADH2 i FADH2, które kolejno są utleniane na kolejnych cytochromach c, a, a3, ostatecznym akceptorem wodoru jest tlen, w wyniku czego powstaje woda. zysk: 28 cząsteczek ATP |
|
PODSUMOWANIE Całkowity zysk wynosi 32 ATP (po odliczeniu tych potrzebnych do przeprowadzenia procesu). Powstaje również dwutlenek węgla i woda. |
PODSUMOWANIE Całkowity zysk to zaledwie 2 ATP, produkty uboczne powstające podczas oddychania często są toksyczne w dużym stopniu dla samej rośliny. |
Oksydazy utleniania tlenowego i beztlenowego
Oksydazami nazywamy grupę enzymów katalizujących przenoszenie wodoru na tlen, w wyniku czego powstaje woda lub nadtlenek wodoru. Najważniejsze oksydazy biorące udział w oddychaniu to:
oksydaza cytochromowa - jest to duży kompleks białkowy błony wewnętrznej mitochondrium oraz bakterii. Jest to ostatnie białko łańcucha oddechowego, które odbiera elektrony z cytochromu c i przenosi je na cząsteczkę tlenu redukując go, w wyniku czego powstaje woda. Związek ten jest wrażliwy na działanie KCN (cyjanku potasu).
oksydaza alternatywna - występująca u roślin cząsteczka enzymatyczna niewrażliwa na KCN, jej wysokie stężenie odpowiedzialne jest za zjawisko termogenezy,
oksydaza glikolanowa - występuje u roślin i bierze udział w fotooddychaniu, znajduje się w peroksysomach.
Alternatywna droga oddychania u roślin i jej znaczenie. Fotorespiracja
Przy występowaniu stosunkowo dużego stężenia tlenu w powietrzu i dość niewielkiego stężenia dwutlenku węgla, u roślin zostaje uruchomiona alternatywna droga oddychania zwana drogą fotorespiracji. Fotooddychanie może zachodzić jednak jedynie u roślin C3 i może powodować spadek produkcji biomasy nawet do 50 %.
W procesie tym współpracują ze sobą trzy organelle komórkowe: mianowicie chloroplasty, peroksysomy i mitochondria.
Podczas tego procesu, początkowo, w chloroplastach RuBP przekształcany jest w kw. 3-fosfoglicerynowy (PGA) i kw. glikolowy. PGA przechodzi kolejne etapy cyklu Calvina. Następnie kwas glikolowy przenoszony jest do peroksysomu, gdzie przy pomocy oksydazy glikolanowej zostaje utleniony do glicyny. Następnie glicyna poddana zostaje procesowi dekarboksylacji i utlenienia, w wyniku czego powstają: seryna i NADH. NADH transportowany jest na wewnętrzną błonę mitochondrium, gdzie zostaje włączony w łańcuch oddechowy.