Fiziologija biljaka
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Like this? Share it with your network

Share

Fiziologija biljaka

on

  • 5,724 views

 

Statistics

Views

Total Views
5,724
Views on SlideShare
5,724
Embed Views
0

Actions

Likes
0
Downloads
60
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Fiziologija biljaka Document Transcript

  • 1. Fiziologija biljakaBILJNA STANICAOblik i veličinaKao najjednostavniji oblik se pojavljuju kuglaste stanice, ali vrlo rijetko. Češćioblici su kubični, izodijametrični, poliedrični uz više-manje produžene,prizmatične do vlaknaste formacije. Izodijametrični oblici (promjer u svimsmjerovima približno jednak) se javljaju u osnovnim tkivima, tj. parenhimu(parenhimski oblici).Prosječna veličina biljne stanice iznosi 10 – 100 µm, dok se stanice pokožicemnogih listova, stanice nekih biljnih dlaka ili sočnih dijelova ploda zrelihbrašnastih jabuka ili krumpira mogu razabrati golim okom.Građa biljne staniceTipična biljna stanica obavijena je staničnom stjenkom, a unutrašnjost staniceispunjena je prozirnom sluzavo-viskoznom tvari tzv. protoplastom. Protoplastnema jedinstvenu strukturu, nije homogen. U osnovnoj plazmi – citoplazminalaze se razne strukture, tzv. stanični organeli. U citoplazmi zelenih stanicauočljivi su kloroplasti – oni su nosioci asimilacijskih pigmenata, mjesta gdje sezbiva asimilacija CO2 iz zraka). U osvijetljenim stanicama se stoga nalaziprimarni ili asimilacijski škrob kao prvi vidljivi proizvod fotosinteze. Osimkloroplasta, u stanici nalazimo i mitohondrije, razne vakuole, a najveći diostanice, tj. najveći organel je jezgra. Stanična jezgra, plastidi i mitohondriji sureproduktivna tijela, tj. umnožavaju se dijeljenjem (imaju svoje DNA). Vakuole suispunjene vodenastim staničnim sokom. Sve formacije u stanici uklopljene su uosnovnu citoplazmu koja često čini tanak sloj uz staničnu stjenku. Citoplazma jeprema staničnoj stjenci i prema vakuoli ograničena plazmatskom kožicom sosobinama gela koja se jasno razlikuje od tekuće, „zrnate plazme“. Granični slojprema vakuoli zove se tonoplast, a vanjska plazmatska kožica koja je unormalnim uvjetima uz staničnu stjenku naziva se plazmalema. Protoplastisusjednih stanica povezani su plazmatskim mostovima staničnih stjenki – 1
  • 2. plazmodezmijama u jedinstveni simplast. Suprotno simplastu, sve njegove mrtveizlučevine označavamo kao apoplast (škrob, stanična stjenka...).Stanična stjenkaNju izlučuje citoplazma, a to je potrebno jer u biljnim stanicama koje imajuvakuole može vladati znatan unutarnji tlak tako da nabreknuti protoplast trebanekakav potporanj. Najvažnija tvar stanične stjenke je celuloza koja je samo ugljiva zamijenjena hitinom.Celuloza je sastavljena od molekula β-D-glukoze kod kojih je hidroksilna skupinana prvom C-atomu s jedne strane, a na četvrtom C-atomu sa druge strane jeprstenasto zatvorenje polucentralne molekule.Od molekula β-glukoze stvaraju se polimerizacijommolekule celuloze koje su kristalnom pravilnošćuporedane u micele; oko 100 molekula celuloze čini1 micel, oko 20 micela čini mikrofibril. Izmeđumicela postoje intermicelarni prostori, a izmeđumikrofibrila nalaze se interfibrilarni prostori. U obaprostora kapilarnim silama ulazi voda i zato sustanične stjenke uvijek vlažne. Ako pod imerzionimpovećanjem polarizacijskog mikroskopapromatramo stjenke one će svijetliti – stjenke seponašaju kao kristali pa zakreću ravninupolarizirane svjetlosti i titraju.β-glukoza celuloza x 200 micele x 20 mikrofibril makrofibril intermicelarni prostori interfibrilarni prostoriNo, ovo nije konačna građa primarne stanične stjenke. Celulozne fibrilepovezane su hemicelulozom koja omogućuje fleksibilnost. Molekulehemiceluloze su između fibrila. Hemicelulozni dio se sastoji od: a) ksiloze i glukoze – tzv. ksiloglukan, na celulozu se veže vodikovim vezama b) arabinogalaktan – arabinoza+galaktoza, vezan je na ksiloglukan c) ramnogalakturonan – nadovezuje se na arabinogalaktan 2
  • 3. Ovako se osigurava elastičnost stanične stjenke. Prilikom rastenja vodikovimostovi pucaju (pod djelovanjem enzima), a zatim utjecajem turgora staničnastjenka povećava svoj volumen.Pektin je polimer galakturonske kiseline i daje elasticitet.Pektinska kiselinaUkoliko se pektinske kiseline metiliraju nastaje pektin!PektinNa negativne naboje može se vezati Ca2+ (Ca-pektinat) ili Mg 2+. U slučaju Ca-pektinata, pektinska kiselina je netopiva u vodi (inače je topiva). Pektinskakiselina je postavljena u središnji dio između staničnih stjenki susjednih stanica –drži ih. U fazi zriobe, pektinska kiselina se razgrađuje pod utjecajem enzima i totako da enzimi pektinaze cijepaju polimere pektinske kiseline. Plodovi postajurahli, sočni, slatki. Na staničnu stjenku se nadovezuje lignin (iza celulozenajvažnija tvar). Lignin je omogućio biljkama da prijeđu na kopneni način života;on daje čvrstoću; polimer je koniferilnog, kumarilnog i sinapilnog alkohola. koniferilni alkohol sinapilni alkohol kumarilni alkoholLignifikacija = odrvenjavanje – lignin je sekundarni građevni materijal staničnestjenke. Kod monokotiledona preteže kumarilni, a kod golosjemenjača koniferilni,a kod dikotiledona koniferilni i sinapilni alkohol. Lignina naročito puno ima uksilemu biljke.Da bismo saznali da li je biljka potpuno lignizirala ili ne, izvedemo pokus: 3
  • 4. potpuna lignifikacija nepotpuna lignifikacija ne savija se savija se negativno geotropnoSuberinizacija = oplutnjavanje – osim lignina u staničnoj stjenci nalazimo isuberin (ester glicerola i masnih kiselina: plutenske, fleonske i flojanske). Suberinima lipofilna svojstva koja se mogu dokazati kuhanjem u lužini (saponifikacija) ilibojanjem lipofilnom bojom (SUDAN III). Suberin čini vanjske prevlake na biljci(oblik pluta na stabljici) koje štite biljku od gubitka vode.Mineralizacija – u staničnoj stjenci nalazimo i razne ione (CaCO3) koji mogu štititibiljku od predatora (skakavaca) koji zbog čvrstoće CaCO3 neće jesti biljku.Nadalje, CaCO3 može biti i kao ovojnica na sjemenkama (Litospermum purpuseocaerulum). Rubovi trava mogu imati rubove od silicija (oštri su). Stanična stjenkaje negativno nabijena, propusna je za većinu tvari. Ioni se privremeno vežu zanegativne naboje stanične stjenke, ulaze u plazmu i otpuste se.Plazmatska membranaU izgradnji plazmatskemembrane važnu ulogu imajutzv. strukturni lipidi. Pod širimpojmom lipidi su niz u vodinetopivih tvari koje se otapaju uorganskim otapalima. Manjepolarne lipide koji imajuhidrofilni i hidrofobni dionazivamo lipoidi. Oni naginjustvaranju monomolekularnihfilmova, a odgovarajućimpromjenama rasporeda stvarajubimolekularne filmove kojinakon uklapanja proteina tvore bimolekularne lipoproteidne membrane, vrlovažne u živoj protoplazmi. Lipoidi zbog posjedovanja hidrofilnog i hidrofobnogpola mogu posredovati između hidrofilnih i hidrofobnih tvari. Oni stvarajujednoslojne ili monomolekularne filmove ili lamele u kojima je svaka lipidnamolekula svojim hidrofilnim krajem (glavom) uronjena u vodenu fazu, a apolarnihidrofobni rep ili strši u zrak ili traži dodir sa drugom hidrofobnom lipidnom fazoms drugačijim hidrofobnim molekulskim završetkom. U čistoj vodenoj otopini takvistrukturni lipidi stvaraju bimolekularne membrane sastavljene od dvije lamele čijesu apolarne skupine okrenute jedna prema drugoj. U živoj stanici lipoproteidne ilielementarne membrane sastoje se od lipida i proteina.Plazmatska membrana je selektivno propusna (semipermeabilna) – neke ionepropušta brže, neke sporije, a neke ne propušta. Hidrofilne tvari propušta kroz 4
  • 5. hidrofilna (lipofobna) područja, a lipofilne (hidrofobne) tvari prolaze kroz lipofilnidvosloj (hidrofobni dvosloj).Neke tvari prenose se aktivnim transportom (potrebni su nosači i metaboličkaenergija u vidu ATP-a); pasivno (difuzijom i olakšanom difuzijom). Tvari teku odpodručja veće koncentracije ka manjoj (difuzija) ili obrnuto (aktivni transport).Enzimi iziskuju veliku količinu nekog supstrata i o tom supstratu ovisi brzinaenzimatske reakcije. Zato je nužan aktivni transport.Postoji konstanta koja govori koliko tvari treba da bi enzimatska reakcija bila bar½ vrijednosti maksimalne enzimatske reakcije – Michaelisova konstanta. Primjeraktivnog transporta je Na-K pumpa. K+ je potreban i on ulazi u stanicu, a Na+izlazi vani. Kad prima K+ aktivnim transportom, nosač iznese Na+ vani tako da sepromjeni konformacija nosača pa on izvrši ovu izmjenu. Inače, Na+ je uvijekzastupljen u organizmu i stalno želi ući u stanicu, ali ga ona konstantno izbacujevani jer nema tako veliki značaj kao K+ (on je važan za održavanje hidratacijskogstanja plazme).Fizičko-kemijska svojstva plazmePlazma ima mnoga svojstva tekućina. To se osobito očituje s obzirom nastrujanje plazme.Grubo-disperzni > 102nmKoloidno-disperzni 1 – 102nmMolekulsko-disperzni < 1nmProtoplazma nije kemijski jedinstvena tvar već organizirana koloidna smjesabrojnih organskih, ali i anorganskih spojeva. Oni su dijelom otopljeni, a dijelomkruti te u plazmi stanice većino trajno mijenjaju agregatno stanje. Analizaelemenata protoplazme pokazala je da su tu zastupljeni: C, O, H, N, S, P, K, Ca,Mg i Fe.Od molekula u plazmi nalazimo:Voda 70 – 80%Proteini 10%Nukleinske kiseline 3,4%Lipidi 2%Polisaharidi 1-2%Anorganski spojevi (minerali, elektroliti) 1%Bez obzira na količinu vode, osnovne osobine plazme određuju bjelančevine,Lipidi su važni u staničnim opnama, a ugljikohidrati su rezervne tvari.Visokomolekularni spojevi (DNA, proteini, lipidi) imaju izraženu individualnostkoja je uvjetovana stereokemijskim rasporedom različitih grupa radikala.Bjelančevine se ponašaju kao amfoliti: u kiselinama su nabijeneaminoskupinama, a u bazičnom dijelu disociraju karboksilne skupine: u kiselom mediju u baznom medijuPlazma ima puno vode, a sposobnost plazme da ju zadržava je uvjetovanahidrofilnošću bjelančevina. 5
  • 6. SVOJSTVA VODEVažna svojstva protoplazme uvjetovana su fizikalno-kemijskim svojstvima vode.Voda je jedinstvena po svom ponašanju i uvjet je bez kojeg se ne može. Vodaima visoku specifičnu toplinu (specifični toplinski kapacitet) pa je uzeta kaostandard za definiciju kalorije (ona toplina u kalorijama potrebna da se podignetemperatura 1g vode za 1°C i to od 15,5°C do 16,5°C). Etanolu treba 0,58kalorija po gramu da se podigne temperatura za 1°C. Stanica (organizam) zbogvisoke specifične topline vode može apsorbirati ili gubiti toplinu sa minimalnimpromjenama temperature. Tolerancija kod čovjeka je oko 5°C (36,5°C - 41°C) i tosve zahvaljujući vodi. Kod većih temperatura proteini se denaturiraju, istalože se iorganizam se poremeti. Visoki toplinski kapacitet vode u kombinaciji s visokimsadržajem vode u stanici sprječava zamjetljive promjene temperature ustanicama unatoč oslobađanju toplinske energije u metabolizmu.Voda ima visoku latentnu toplinu avaporacije (isparavanja). Prilikom isparavanjanjeni ohlađujući učinci su izraziti. Isparavanjem 1g vode troši se oko 582cal(2435J). Upravo isparavanjem se u stanici (tj. u biljci) troši toplinska energija (odsveukupne energije samo 45% je u obliku ATP-a).Molna toplina evaporacije vode povezana je sa površinskom napetošću –energija povezana s površinom izražena u din/cm2. Molekule na površinitekućine vezane su intermolekularnim silama za susjedne molekule. Silepovršinske napetosti nastoje tijelu (organizmu) osigurati najmanji volumen(kugla). Ova površinska napetost osigurava granicu vode sa lipidima i proteinimau membranama. Zbog površinske napetosti dolazi i do kapilarnosti – većakapilarnost znači i viši stupac vode u kapilarama. Dižuća sila = T cos Θ = T cos Θ 2 r π = Δ r2 π h g T – površinska napetost Δ – gustoća tekućine h – visina stupca g – gravitacijaKapilarnost pomaže držanju vode u kapilarama (trahejama i traheidama) nanekoj visini, ali ne pomaže transport tvari kroz traheje i traheide.Viskoznost vode ili rezistentnost da ostane tekuća, niska je pa voda brzo prolazikroz provodne elemente. Viskoznost tvari opada sa temperaturom. Prilikomsmrzavanja volumen vode se povećava, a gustoća joj opada (voda je jedinstvenau tom pogledu). Maksimalna gustoća vode je kod 4°C. Kohezija vode je vrlovelika, a može se temeljiti na povezivanju molekula vode. Veza O-H je kovalentna, ali i 40% ionska; kut veze je 104,5°. 6
  • 7. Molekule vode međusobno se povezuju H-vezama i topovezivanje daje molekulama vode kohezionu silu odnekoliko stotina bara. Koheziona sila ne dozvoljava da sestupac vode prekine, tj. on ostaje kontinuiran.Voda je univerzalno otapalo za brojne supstance, idealnije transportni medij za organske i anorganske spojeve;često je i katalizator.Sila među raznovrsnim molekulama je adheziona sila. Voda se adheziono vežena stjenku staklene kapilare, traheje, traheide... Adhezija vode objašnjava se uH-vezama vode sa polarnom površinom, a to su molekule koje sadrže kisik. Takoće se voda dobro adhezirati na celulozu, ali ne i na poliestere koji sadrže maloraspoloživog kisika za vezivanje vodikovim vezama.Smatra se da veliko značenje pri transportu protona u stanicu ima to što je pri25°C [OH-] = [H+] = 10-7 mol/dm3. Dipolne molekule vode vežu se na brojnenabijene čestice. Voda koja formira ovakve plašteve označava se kaostrukturalno vezana voda. Molekule bliže K+vezane su čvršće od onih udaljenih. Onenajudaljenije molekule H2O mogu sezamjenjivati sa slobodnom vodom koja senalazi u stanici. Što je naboj iona veći, većaje i sposobnost iona da privlači vodu. Ca2+kad se približi npr. K+, koji ima svojhidratacijski sloj, njegov naboj će odvlačitivodu iz sloja, tj. izazivat će odbubravanje. K+kao da potiče bubrenje. O odnosu K+ i Ca2+ovisit će hidratacijsko stanje plazme; akoplazma sadrži dovoljno vode, slojeve nalazimo čak i oko proteina – sve reakcijemogu teći.Kad ima dovoljno vode za hidrataciju – to je sol-stanje, a ako nedostaje vode zahidrataciju nastupa gel-stanje.I anioni imaju hidratacijske plašteve: SO42-, CO32-, Cl-, NO3-, SCN-. Bjelančevinesu hidrofilne u odnosu na ugljikohidrate jer imaju peptidne veze i na bočnimlancima polarne grupe. Voda vezana u hidratacijske plašteve gubi dio svojeslobodne energije.Slobodna energija vode – za kretanje vode iz korijena u stabljiku pa u lišće i uatmosferu bitan je prvi princip: voda se kreće iz područja više slobodne energijeka nižoj.Parcijalna molna Gibbsova energija je ona slobodna energija koja se možeiskoristiti za rad u određenim uvjetima. Izraz „parcijalna“ polazi od činjenice da seova termodinamička veličina sastoji iz više varijabli pa slobodnu energijuizražavamo po molu kada su svi faktori (npr. Temperatura) konstantni. Molnaslobodna energija jednaka je srednjoj slobodnoj energiji molekule pomnožene sbrojem molekula u molu. Parcijalna molna energija vode može biti izražena kaorazlika između vode na koju djeluju razne sile (kemijske, električne, gravitacijske)i slobodne energije čiste vode.Slobodna energija = µw – µow = RT ln e – RT ln eo = RT ln e/e0 = Ψ 7
  • 8. Kemijski potencijal vode ili bilo koje tvari je mjera raspoložive energije po molukojom će ta tvar reagirati ili se kretati. Kada se radi o vodi izraz kemijskipotencijal mijenjamo za izraz vodni potencijal Ψ.Voda se kreće niz energetski gradijent (gubeći pri tome energiju); kretanje vodezahtjeva energiju. Tako dugo dok se energija može gubiti (kao rezultat kretanjavode), kretanje će se nastaviti. Ravnoteža će biti dostignuta kada daljnje gibanjene rezultira nikakvim daljnjim gubljenjem energije. U normalnim biološkimuvjetima vodni potencijal obično je dovoljno velik da ne ograničava veličinereakcija u kojima sudjeluje voda. Iznimka je faza zriobe sjemenki kada se vodaistisne iz sjemenki (sve do 18%). Od reakcija se vrši samo disanje, a ostale suzaustavljene.Kad se u vodi otope razne tvari, vodni potencijal pada, a pada i slobodnaenergija vode. Slobodna energija vode se smanjuje i stvaranjem hidratacijskihplašteva. Ako se voda grije ili stlačuje Ψ raste. Konvencijom biljnih fiziologa,slobodna energija čiste vode je 0.Ako otapamo tvar u vodi, snizujemo vodenu energiju i vodni potencijal dobijanegativni predznak. Slobodna energija je definirana pretvaranjem jedinicaenergije po jedinici mase (J/mol ili erg/g) u jedinice tlaka i to djelovanjemkemijskog potencijala vode s parcijalnim molarnim volumenom:µw – µow molni volumen H2O V specifični volumen vodeSadržaj slobodne vode određuje intenzivnost fizioloških procesa, a sadržajvezane vode određuje otpornost biljke prema nepovoljnim uvjetima sredine - slobodna voda (transpiracijska)Ukupna voda - inbibicijska voda – ulazi u kapilarne prostore staničnih stjenki iaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaostalih dijelova stanice (adsorbirana naaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaapovršini organela) -vezana voda (metabolička)PRIMANJE VODE U BILJKU 1. Bubrenje 2. OsmozaPogonska sila u oba slučaja je pad vodnog potencijala u stanici, a sam proces jenajčešće difuzija.Difuzija kretanje neke tvari u smjeru pada njenog kemijskog potencijala.Difuzija u plinskom stanju brža je od difuzije u tekućinama. Ako imamo poru kroznju lako prolazi voda i vodena para. U nekoj točki je tlak vodene pare e1, a udrugoj je e2. Difuzija se odvija kada je e1 > e2.Δe=e1 - e2Što je razlika veća, difuzija je veća. 8
  • 9. 1. Fickov zakon difuzijeQ = Δ r2 π Δc/LFickov zakon opisuje obrok difuzije u kojem supstanca difundira između dvijelokacije.Q - difuzijaΔ – difuzijski koeficijent koji je karakterističan za određenu supstancur2 π – dio područja kroz koje supstanca prolaziΔc – razlika koncentracija između dvije lokacijeL – udaljenost između dvije lokacijee1 > e2razlika parcijalnih tlakova Δe=e1 - e2U mitohondrijima je c(O2)=0U atmosferi je c(O2)=21%U atmosferi je c(CO2)=0,03%Kisik je dobro topljiv u lipidnom dvosloju, može prolaziti kroz plazmalemu i ući umitohondrije.Ako su puči pritvorene onda CO2 ne može ući u stanice, samo ako su puči skrozotvorene može ući jer je c(CO2) u stanici = 0,03%. CO2 je velika molekula i teškoprolazi kroz kutikulu. 2. Fickov zakon difuzijePrilikom zagrijavanja otopine difuzija je brža. Brzina difuzije opada sa trajanjempa je dio puta S prijeđen difuzijom u drugom korijenu od vremenaS = √tTok tvari u difuziji objašnjava izrazF = Δc/ΣrF – obrok difuzije (fluks)Δc – pad koncentracijeΣr – suma difuzijskih otpora 9
  • 10. BubrenjePodrazumijeva pojavu da makromolekulski sistem (tijelo koje bubri) primatekućinu ili paru uz povećanje obujma. To je fizički proces nevezan uz fenomenživota. Sile bubrenja iznose nekoliko stotina bara. U tijelu koje bubri vodnipotencijal je snižen elektrostatskom privlačnošću vodenih dipola od stranenabijenih skupina. Kao privlačna sila dolazi do izražaja i kapilarnost. Staničnastjenka prima vodu bubrenjem i kapilarnošću, plazma prima vodu bubrenjem, avakuola osmotskim putem.Tlak bubrenja označavamo sa Τ (tau). Suho tijelo koje bubri nema aktualni većpotencijalni tlak bubrenja, a aktualni se pojavi ako tijelo koje bubri stavimo uvodu. Pogonska sila za ulaznu struju vode tijekom bubrenja je pad kemijskogpotencijala vode između tijela koje bubri i vode.Ulazna struja vode u tijelo koje bubri može se zaustaviti protutlakom određenejačine u suprotnom smjeru. Taj tlak je po iznosu jednak, a po predznaku suprotantlaku bubrenja.Stanje bubrenja plazme = hidratacija.Stanica je ograničeno rastezljiva (tj. stanična stjenka). Kada prima vodu, stanicapovećava svoj volumen. Kako je stanična stjenka ograničeno rastezljiva, staničnitlak (turgor) će u jednom trenutku spriječiti daljnji ulazak vode.Ψ=C–P(-)ΨW = (-)ΨΤ + (+)ΨPΨ – vodni potencijalC – tlak bubrenjaP – turgor(+)ΨP - potencijal tlaka stanične stjenke(-)ΨΤ – matični potencijalVodni potencijal uvijek je negativan jer nikad nemamo čistu vodu. Matičnipotencijal bubrenja odnosi se na sve stanice koje mogu bubriti i uvijek jenegativan. Matični potencijal je važan kod svih suhih sjemenki ili kod sukulentnihbiljaka koje imaju veliki sadržaj sluzi. Općenito, matični potencijal važan je kodorgana biljaka te cijelih biljaka koje primaju vodu bubrenjem (lišajevi, epifiti).OsmozaPodrazumijeva difuziju kroz semipermeabilnu ili selektivnopermeabilnumembranu koja je za otapalo (vodu) dobro propusna, a za otopljene tvari nije (ilije slabo propusna).1867. Trauber je uzeo 5% otopinu K4[Fe(CN)6] i u nju dodao CuSO4. Dobio jesmeđu polupropusnu kožicu od Cu2[Fe(CN)6]. Kožica je vrlo brzo pukla. Naime,zbog razlike u vodnom potencijalu između dvije otopine, voda je ulazila u tusimuliranu stanicu i kožica bi pukla. Oko puknute kožice stvarala se nova. Ondabi opet ušla voda pa bi membrana opet pukla itd. sve dok se vodni potencijalinisu izjednačili.Desetak godina kasnije Pfeffer je izveo idući pokus – u glineni valjak s poroznimstjenkama je stavio CuSO4 i uronio ga u posudu sa K4[Fe(CN)6]. Nastala je 10
  • 11. kožica. Isprao je valjak i u njega stavio šećernu otopinu i uronio je u vanjskuposudu sa vodom. Valjak je zabrtvio sa gumenim čepom kroz kojeg je provukaokapilaru. Voda je zbog pada potencijala ulazila u šećernu otopinu koja jepovećavala svoj obujam i stupac vode u kapilari je rastao dok se vodni potencijalinisu izjednačili.Stupac tekućine tlačio je hidrostatskim tlakom i u trenutku ravnoteže taj je tlakdjelovao suprotno ulaženju vode i bio jednak osmotskom tlaku otopine koja jevukla vodu (šećerna otopina). Dakle, ti su tlakovi bili numerički jednaki, alisuprotnog smjera djelovanja.Pri osmotskom tlaku razlikujemo potencijalni Π* (postoji u svakoj otopini) iaktualni osmotski tlak Π, koji se pojavljuje tek ako otopinu stavimo u osmotskustanicu.Osmotska vrijednost tlaka ovisi o broju čestica u otopini pa vrijedi:Π* = c R TKod 0°C (273K) Π* = c 22,7 – jednomolarna otopina ima kod 0°C Π* = 22,7bar ili22,4atm.Ekvimolarne otopine razrjeđenih tvari imaju iste Π* vrijednosti. One mogu bitiizoosmotične ili izotonične.Jednadžba osmotskog stanja glasi: (-)ΨW = (-)ΨΠ + (+)ΨPOsmotski potencijal je (-), a osmotska vrijednost može biti (+).Kada su vodni potencijali vode i šećerne otopine jednaki, vrijedi:ΨW = ΨstΨΠ + ΨP = ΨΠ + ΨP0 + 0 = -22,7 + 22,70=0Jednadžbu osmotskog stanja možemo pisati i ovako:(+)S = (+)Π* - PS – sila sisanjaP – turgorOvo predstavlja razliku potencijala osmotskog pritiska i turgorskog pritiska. Kodvenuća biljke je P=0 i S=Π*. Ako je S=0 i S=Π* onda prestaje primanje vode.Usporedbom neke stanice i otopine možemo odrediti osmotsku vrijednost samestanice.Stanične stjenke nisu polupropusne kao membrana Pfefferove stanice. One suselektivno propusne. 11
  • 12. Dvije ekvimolarne otopine ne moraju biti nužno i izotonične ako su iizoosmotične.Toničnost je onaj dio osmotskog tlaka koji potječe od tvari koje ne mogu proćikroz plazmatsku membranu. Uzmimo npr. otopinu A koja sadrži 0,5M šećera i0,5M uree, te otopinu B koja sadrži 1M šećera. Između njih stavimo selektivnopropusnu membranu – šećer neće prolaziti kroz membranu, a urea hoće.Otopina A je izoosmotična sa otopinom B jer osmotska vrijednost ovisi o brojučestica. Ujedno, otopina A je hipotonična u odnosu na otopinu B jer urea prolazikroz membranu. Da je otopina B imala 0,5M šećera, onda bi otopine A i B bileizotonične.Ako je stanica u hipotoničnoj otopini (tj. otopini koja ima viši vodni potencijal odstanice) tada u stanicu ulazi voda iz hipotonične otopine. Stanica povećavaturgor i raste joj obujam.Ψotop > Ψst. ΨP>0U izotoničnoj otopini turgor stanice je 0, vodni potencijal stanice i otopine su istipa voda ne ulazi ni izlazi.Ψotop = Ψst. ΨP = 0U hipertoničnoj otopini voda izlazi iz stanice u otopinu. Dolazi do plazmolize.Turgor je negativan.Ψotop < Ψst. ΨP < 0Samo kada je stanica u plazmolizi, turgor je (-); osmotski potencijal i hidrostatskitlak izjednače se kada hidrostatski tlak kompenzira razliku osmotskog potencijalastanice i vodnog potencijala otopineΨotop ili vode = Ψst.Postoji tzv. granična plazmoliza kod koje je 50% stanica plazmolizirano, a 50%nije. Vrijednosti koncentracija otopine kod granične plazmolize uvrstimo uΠ = c R T i tako dobijemo osmotsku vrijednost u barima. Kod graničneplazmolize turgor = 0, pa vrijedi da je osmotska vrijednost otopine jednakaosmotskoj vrijednosti stanice + ΨP otopine, a kako je ΨP = 0, dobijemoΨP otopine = ΨP stanice Ako stanica prima vodu turgor joj raste, ali istovremeno raste i osmotski potencijal od - 12 do -8. Ako je Ψst = -8, a ΨΠ otopine = -10, tada je ΨP = 2 bara. Kada je stanica u plazmolizi, turgor je negativan. Kada je stanica u plazmolizi vrijedi da je: (-)Ψ = (-)ΨΠ + (-)ΨP = ΨΠ - ΨP vodni potencijal stanice = vodni potencijal kod aktualnog tlaka + turgorTada je Ψst > ΨΠot (ΨP = 0). Kada je ΨΠst = ΨP, onda je Ψst = 0 i stanica ne moževiše primati vodu – turgescentna je. Kada je turgor = 0, tada je Ψst = ΨΠ –granična plazmoliza. Stanica nije izolirana već je u sklopu tkiva pa protivrastezanja stanice djeluje još i tlak napetih tkiva. Time se napetost sisanja jošviše smanjuje.(-)Ψw = (-)ΨΠ + (ΨP + ΨA) iliS = Π+ - (P + A)ΨA – tlak susjednica 12
  • 13. Razlike u vodnom potencijalu određuje smjer strujanja vode u tkivu. U listovevoda ulazi traheom, a odatle biva „odvučena“ osmotskim silama u stanicepalisadnog parenhima pa isparava u intercelularne prostore i izlazi vani. Dvijestanice u jednom tkivu mogu imati različite osmotske potencijale, pa voda ide kanegativnom vodnom potencijalu.Turgor je važan kod biljaka za otvaranje i zatvaranje puči, za rast stanica, kodpaprati za odmotavanje zamotanih listova, zeljastim biljkama turgor daječvrstoću.U biljnim stanicama turgor ima vrijednosti 1 – 10 bara (0,1 – 1 MPa), a osmotskipotencijali kreću se od -5 - -30 bara (-0,5 - -30Mpa).Npr. u maslačka stapke svoju čvrstoću temelje na napetosti među tkivima.Unutarnje stanice imaju veći turgor od vanjskih. Akostapku razrežemo po dužini i stavimo je u vodu,unutarnje stanice brže primaju vodu (vanjske imajukutikulu pa ne mogu brzo primati vodu). Otkinutestapke će se iskriviti.Kukuruz može preklopiti svoje listove za vrijeme vrućina i to na osnovu turgora –kad se turgor u mjehurastoj stanici smanji, list se preklopi. Stanice su prije togaizgubile vodu pod djelovanjem topline i turgor padne.Kod mimoze nalazimo zglobne jastučiće koji, kada podražimo njihoveekstenzorske stanice, izgube vodu i listovi se sklope prema gore. Liske sesklapaju na dodir, ali i noću (spavaju), te kada pada kiša.Kod perunike (Iris germanica) rizomi pod utjecajem turgora mogu probijatiprepreke.Plodovi grožđa, trešnje i višnje sadrže mnogo šećera i kad pada kiša, sišu vodu ipucaju.Za sistem koji prima vodu i osmotskim putem i bubrenjem vrijedi formula:(-)Ψ = (-)ΨΠ + (-)ΨΤ + (+)ΨPVodni potencijal jednak je zbroju osmotskog potencijala, turgora i matičnogpotencijala bubrenja.Osmotski potencijal moguće je odrediti i krioskopskom metodom na temeljuodređivanja točke ledišta. 1M otopini snizuje se ledište za 1,86°C. Stanični sokse istisne iz tkiva i odredimo mu ledište. Znamo da je Π za molarnu otopinu22,7bara. Tada izračunamo osmotski potencijal:ΨΠ = 22,7 očitana vrijednost ledišta 1,86Je li neka otopina hipotonična, izotonična ili hipertonična u odnosu na stanicusaznajemo iz plazmolize. Ujedno plazmolizom vidimo da li je plazma više ilimanje viskozna te propusnost tonoplasta u odnosu na neku tvar.Plazmoliza – proces u kojem se stanici pomoću hipertoničnog vanjskog medijaoduzima voda. Pri tome se protoplast steže i odvaja se od stanične stjenke. Akohipertonični medij zamijenimo hipotoničnim onda protoplast osmotski primi vodu,a plazmoliza teče u suprotnom smjeru – to je deplazmoliza. 13
  • 14. Razlikujemo konkavnu ikonveksnu plazmolizu. Akopokožici luka dodamo 1Motopinu KNO3 protoplast će sena mjestima odvojiti od staničnestjenke dajući nekakav konkavnioblik – to je konkavna plazmoliza. Ostavimo li dalje tu pokožicu u otopini KNO3protoplast će se sve više odvajati od stanične stjenke i njegova će površinskanapetost nastojati zaokružiti protoplast. Tome se opire viskoznost plazme.Prevladava napetost površine i protoplast liči na konveksnu leću – to jekonveksna plazmoliza.Kod Rheo discolor plazmoliza ostaje na razini konkavne, a to ukazuje na to da jeplazma Rheo discolor viskoznija od plazme luka i da se oduprla površinskojnapetosti. Ako bi stanice luka stavili u 1M otopinu KSCN došlo bi do konveksneplazmolize, a konkavna se skoro pa preskoči. To je zato što KSCN pospješujebubrenje (likvidnost), a smanjuje viskoznost. Uskoro dijelovi plazme nabubre – toje kapasta plazmoliza. Ako pokožica luka i dalje ostane u otopini KSCN, bubrenjese nastavlja pa plazma na kraju ispuni sav prostor stanične stjenke – to jetonoplastna plazmoliza.Vakuola je i dalje smanjena, s malo vode, a mi vidimo diferencijalnu propusnostplazmolize i tonoplasta prema KSCN-u. Naime, plazmolema je propustila KSCNu stanicu, ali ga tonoplast nije propustio u vakuolu – kažemo da je plazmalemaintrabilna, a tonoplast intrameabilan. KSCN je ušao u plazmu (intrabilnost), ali nei u vakuolu (intrameacija). KSCN je izazvao bubrenje jer je s njim ušla i voda.Raznim bojanjima možemo obojati vakuole i pratiti plazmolizu.Neutralno crvenilo rado disocira: u kiselom području se amino-skupina nabije kaoNH3+. Cijela molekula djeluje kao kation. U neutralnom mediju ostaje NH2; pripH=7 većina molekula je nedisocirana, ali je ipak mali dio u obliku iona. Ako uepruvetu dodamo benzol i promućkamo te stavimo da odstoji, benzolski (gornji)sloj će biti žuto-narančasti zbog molekula boje, a vodeni (donji) sloj će viti crvenijer sadrži ione boje. Ako bi snizili pH na 6 ili 5,5 imali bi mnogo iona boje i kada bis tim obojili stjenke pokožice luka, ioni boje bi se vezali na (-) nabijene stjenkeluka. Stanična stjenka bi bila crveno obojena.Ako podignemo pH na 7,5 ili 8 možemo vratiti ulaženje boje u samu stanicu.Naime, kod tog pH je boja nedisocirana, tj. uglavnom su lipofilne molekule bojepri tom pH. Te se molekule mogu otapati u lipidnim dvoslojima plazmaleme itonoplasta. Kada takvu pokožicu luka stavimo u otopinu lipofilne molekule bojeulaze unutra, prolaze plazmalemu i tonoplast te dolaze u vakuolu koja je kisela.Stoga sada u vakuoli nastaju ioni boje. U vakuoli sporije raste koncentracija bojeu formi molekule nego što same molekule ulaze u stanicu. Na uspostavuravnoteže utječu samo molekule i one teže uspostaviti ravnotežu. Kada se 14
  • 15. ravnoteža među molekulama uspostavi, boja otopine će biti blijedo crvena, avakuola će biti intenzivno crvena.PRIMANJE VODE U BILJNE ORGANETalofiti koji nemaju nikakvu zaštitu protiv transpiracije mogu bubrenjem primitivodu neposredno s vlažne podloge ili nakon vlaženja kišom. To rade alge,lišajevi i neke mahovine.Više biljke (paprati, sjemenjače) primaju vodu preko korjenovih dlačica jer suostali dijelovi korijena i nadzemna stabljika prekriveni kutikulom ili plutom. Zato jeprimanje vode nadzemnim dijelovima, pa i nakon kiše i rose bez osobitogznačenja. Stoga su korijenove dlačice jedina mjesta za primanje vode.Korijenove dlačice žive od nekoliko dana do nekoliko tjedana i metabolički sunajaktivnija mjesta. Korijenove dlačice dovoljno su elastične da kapiliraju ukapilarne prostore tla gdje se nalaze vodene otopine tla.Vodu koja je oborinom dospjela u tlo djelomično zadržavaju gornji slojevi tlaadsorptivno ili kapilarno (retencijska voda), a djelomično otiče kao gravitacijskavoda do razine osnovne vode. Tlo ima sposobnost zadržavanja dijela vode,nazivamo je retencijski kapacitet tla za vodu (vodni kapacitet tla). Pjeskovita tlaimaju mali retencijski kapacitet, a povećanjem koncentracije humusnih i koloidnihčestica u tlu raste i retencijski kapacitet. Tako vodni kapacitet tla raste od pijeskaka ilovači, pa glini (najveći kapacitet za zadržavanje vode ali je ta vodanepristupačna biljkama) i na kraju najveći vodni kapacitet ima treset.Buduću u tlu nalazimo različite otopljene čestice, postoji i osmotski potencijal tla.Naše tlo ima osmotski potencijal do 5bara, mađarska alkalna stepa ima do30bara, a alžirska pustinja i do 1000bara.Primanje vode pomoću korijena moguće je samo onda kada postoji pad vodnogpotencijala. Vodni potencijal u tlu određuje potencijalni tlak bubrenja (matičnivodni potencijal) i osmotski tlak vode tla.Primanje vode korijenom:Wa = A Ψkorijena – Ψtla ΣrWa – količina vodeA – površina korijenove dlačice ili hife gljivaΣr – sume otpora za vodu u tlu i pri prijelazu iz tla u biljkuΨ – vodni potencijalRazlikujemo 3 tipa transporta: 1. Transport na kratke udaljenosti Od stanice do stanice; vrši se plazmodezmijama 2. Transport na srednje udaljenosti Kroz tkiva. Voda bubrenjem ulazi u stanične stjenke korjenovih dlačica u smjeru pada vodnog potencijala. Ukoliko na svom putu voda naiđe na tzv. Kasparijevu prugu, prijeđe ju i ide u pericikl – to je simplastni transport Apoplast korijena vuče vodu samo do te brane i ne može je prijeći već ulazi u stanice propusnice i prolazi kroz njih. Kasparijeva pruga građena je masnih lipofilnih tvari i tako je postavljena da voda noću, kada nema transpiracije, ne istječe vani. Stanice propusnice nemaju Kasparijevu prugu jer se u njihovoj 15
  • 16. blizini nalazi trahea koja sprječava razvoj Kasparijeve pruge u stanicipropusnici.Dakle, ako voda naiđe naKasparijevu prugu transport jesimplastom, a ako ne onda jeapoplastom. Apoplastni transportje pasivan način vučenja vode,njega vuče transpiracija.Simplastni transport teče krozprotoplaste stanica, a apoplastnikroz stanične stjenke.Minch je dao definiciju: simplastomse mogu smatrati svi protoplastitkiva koji su međusobno povezaniplazmodezmijama, simplastnitransport je aktivan, a vodaje često vučena osmotskimsilama.Endoderma aktivno izlučujeosmotike, a s njima i vodu ucentralni cilindar i takopredstavlja izvor korijenovogtlaka. Centralni cilindar jeaktivan jer tu voda bivavučena osmotskim silama.Postoji tzv. endodermskiskok – stalno se aktivnoistiskuju osmotici i voda pa ustanicama endodermastalno imamo neku niskuvrijednost tlaka. Dakle,voda u korijenove dlačiceulazi bubrenjem (ustanične stjenke) u smjerupada vodnog potencijala.Apoplastom biva vučenatranspiracijom, asimplastom osmotski.Korijenov tlak je pozitivantlak koji tjera vodu ucentralni cilindar.Vrijednosti su mu 1 – 2bara, a može se ustvrdititako da odrežemostabljiku na 5 – 6cm visine i stavimo otkinutu biljku u teglu sa vodom. Pomoćugumice na stabljiku natalimo kapilaru. Voda u kapilari će se dizati i to je znakkorijenovog tlaka. Ovaj je tlak važan u proljeće, prije prolistavanja iprocvjetavanja kada još nema nikakve druge sile koja bi tjerala vodu s 16
  • 17. organskim i mineralnim tvarima kroz ksilemske elemente do lisnih i cvjetnihpupova. Korijenov tlak je tada jedina pokretačka sila za listove i pupove.U proljeće enzimi razgrađuju polimere šećera te proteine (koji su zimipohranjeni). Time vodni potencijal postaje negativan, dolazi do osmotskogsisanja vode, a korijenov tlak uvlači tu hranjivu otopinu kroz stabljiku sve dopupova.Ako u to doba (prije prolistavanja) odrežemo stablo, na površini podrezanebiljke (tj. stabljike) svjetlucat će kapljice tekućine. Da smo biljku odrezalinakon prolistavanja svjetlucanja ne bi bilo.3. Transport na velike udaljenostiKroz stabljiku transport vode na veće udaljenosti vrši se elementima ksilema.Stanice koje provode vodu u funkcionalno osposobljenom stanju su mrtve tj.bez plazme (jer bi ona pravila otpor ulasku vode). Kao pogonska sila javlja setranspiracija.Tlak od 1bara diže stupac u kapilari promjera 1mm na 10m visine. Za visinuod 100m tlak mora biti 100bara, a znamo da koliki tlak korijen nema.Puisseuille i Sure pokušali su shvatiti prolaz vode i utvrdili su da za brzinu od4,5m/sat kod 30-metarskog stabla sa žilama promjera 1mm treba gradijenttlaka od 0,1bar/m. Za žile promjera 0,5mm treba tlak od 0,5bar, a za žilepromjera 0,3mm za visinu od 1m treba tlak od ?bara. Vidimo da je tlak većišto je promjer manji. Razlog tome je adhezija vode. Molekule vode adhezirajuna stjenke žile i na nekoj visini se stupac zaustavi i da bi tekućina daljekrenula potreban je veliki tlak. Što je žila uža potrebna je veća sila da bi setekućina digla jer što je žila uža to su čestice vode jače adhezirane. Dakle,zbog negativnog tlaka koji se javlja u ksilemu (o,1 – 0,2bar/m) sve biljketrebaju velike tlakove kako bi se tekućina mogla podizati na veće visine.Spomenimo i to da tada ne dolazi do zračne embolije, tj. izlučivanja mjehurićazraka.F = k p r4F – fluksk – konstanta obrnuto proporcionalna duljini i viskoznostip – tlak potreban da se tekućina krećer – radijus provodnog elementaCikloporno drveće (tvrdo drvo) ima prstenasto raspoređene žile u godovima.One su dosta široke (0,3mm). To su hrast, badem, kesten, brijest. Ove biljkeprovode vodu sa zadnja 1 – 2 goda ksilema i zato hrast mora brzo provoditivodu (v = 45m/h). Kod lijana ova brzina iznosi i do 100m/h.Crnogorice sporo provode vodu jer imaju samo traheide. Brzina toka vode uksilemu ovisi o broju traheja i traheida te o različitim silama kojeomogućavaju provodnju (gravitacija, filtracija, trenje zbog adhezije vode nažile, velika napetost kod provođenja vode kod transpiracije uzrokovanakohezijom vode i adhezijom vodenom stupca na stjenku žile. Negativni tlakovipri transpiraciji vode su do -30bara u provodnim elementima. 17
  • 18. TRANSPIRACIJATo je vučna sila koja vuče vodu kroz biljku. To je proces kojim biljka izlučuje voduprema vani u obliku vodene pare. Voda se može izlučivati i u tekućem obliku, alito zovemo gutacija.Do isparavanja vode dolazi na svim površinama koje graniče prema zraku kojinije zasićen vodenom parom. Postotak vlage u zraku iznosi 0,02% - 0,4%(prosjek 0,2%) ili izraženo u jedinici tlaka 2milibara.Pogonska sila transpiracije je velika napetost sisanja zraka. U tlu vlada visokivodni potencijal (mala napetost sisanja), a u zraku je niski vodni potencijal (velikanapetost sisanja). Biljka se koristi tim padom potencijala da bi bez utroškavlastite energije transportirala vodu iz tla kroz tijelo do atmosfere. To je tzv.transpiracijska struja.Budući da biljka jako vuče vodu, a korijen ne stigne osigurati toliko vode, dolazido negativnog tlaka (-30bara). Da se provodni elementi (traheje) ne bi suzili,moraju biti zadebljale (prstenasto zadebljanje – protoksilem; spiralno ili jažičastozadebljanje – metaksilem). Kontinuitet stupca vode mora postojati od staničnihstjenki korijenovih dlačica sve do lista. U listovima voda isparava (zatopretvorbom 1g vode treba puno energije), a kohezija na njihovo mjesto vučenove molekule vode. Oko podne se zbog kohezije stabla stanjuju. Razlikujemo: 1. stomatalnu transpiraciju 2. kutikularnu respiraciju 3. lenticelnu transpiracijuKad odrežemo grančicu (njen sok je pod negativnim tlakom) meniskus vodepovlači se prema korijenu i u stablo (tj. gore ili dolje). Scholander je želio izmjerititlakove u stabljikama i grančicama. Izrezao je grančicu, stavio je u bombu sa N2kojeg je puštao toliko dugo dok voda nije došla do visine na kojoj je bila prijeodrezivanja. Kako je na bombi bio manometar, Scholander je očitao koliki je biotaj negativni tlak. Jačina transpiracije znači slabiju opskrbu vodom što dovodi dosužavanja ili smanjenja meniskusa. Tada je tlak 0,3bara. Sisanje vode kod biljkeje tako veliko da ona mora zatvarati puči tako da voda ne bi isparavala. Stoga supuči najvažniji organi (otvori) kroz koje voda isparava. 1. Primanje vode iz tla – U tlu se (-) vodni potencijal prenosi do korijenovih dlačica (one povećavaju površinu adsorpcije). Prolaz kroz endodermu može biti osmotski 2. Kohezija u ksilemu – Vodeni stupac je pod napetošću držan zajedno kohezijom. Ukoliko dođe do izlučivanja mjehurića, vodeni stupac ne ulazi u susjedni element (zapreke cijevi su ti mjehurići) 3. Vučna sila transpiracije – Vučna sila iz tla i iz biljke je nizak vodni potencijal zraka (suhi zrak). Stvara se niži vodni potencijal u staničnim stjenkama i protoplastima. Energija dolazi od sunca. 18
  • 19. Puči ili stomeZa epiderme nadzemnih zelenihdijelova viših biljaka koje okružujezrak vrlo su važni parovi bubrežastihstanica između kojih je otvor(pukotina ili porus). Zovemo ihstanice zapornice, a zajedno saotvorom puči ili stome. One služeizmjeni plinova te izlučivanju vodenepare. Puči zajedno sa stanicamasusjedicama čine stomatalni aparat.U epidermi latica puči se javljaju uvrlo malom broju, a na korijenu ihuopće nema. Areal otvorenih pučičini 0,5% - 1,5% površine lista.Stjenke stanica zapornica nejednakosu zadebljale i leđna i srdnji dio trbušne strane stjenke su tanki, a bočni dijelovisu zadebljali. Stanice zapornice aktivnim promjenama turgora mijenjaju svoj oblikčime se otvor (porus) otvara ili zatvara.Puči imaju homeostatski (ravnotežni) mehanizam između konfliktnih zahtjevabiljke: s jedne strane žele imati što otvorenije puči da prime CO2, a s drugestrane što zatvorenije da ne izgube puno vode transpiracijom. Puči će najčešćebiti tako dugo otvorene dok je sunčevasvjetlost iznad tzv. kompenzacijske točkesvjetlosti. To je onaj intenzitet sunčevogsvjetla kod kojeg se sav izlučeni CO2oslobođen disanjem i fotorespiracijom odmahfotosintezom veže u organske spojeve(ugljikohidrate). Kada sunčeva svjetlostpadne ispod te razine, puči se zatvore.Puči se otvaraju kada turgor u zapornicamaraste u odnosu na stanice susjednice, azatvaraju kada turgor zapornica opada uodnosu na turgor susjednica.Razlikujemo fotonastijska i hidronastijska gibanja puči. Neposredan uzrokgibanja puči je razlika u turgoru u stanicama zapornicama i stanicamasusjednicama. 1. Fotonastijsko gibanje puči Fotonastija je gibanje ovisno o svjetlu, ali samo gibanje nije ovisno o smjeru dolaska svjetlosti. Svjetlost na otvaranje puči utječe na tri načina: a) svjetlost smanjuje koncentraciju CO2 u listovima. Niska koncentracija CO2 jedan je od uvjeta za otvaranje puči. One su obično maksimalno otvorene ako je parcijalni tlak CO2 = 0,1mbar b) fotosintetski se stvaraju organski spojevi koji čine vodni i osmotski tlak zapornica negativnijim. To znači da se pojačava sila sisanja vode u zapornice u kojima turgor raste i one se otvaraju 19
  • 20. c) svjetlost fotosintezom stvara ATP (fosforilacija) koji je potreban za transport p+ i K+. Apsorpcijski spektar fotosinteze i otvaranja puči identični suMehanizam otvaranja pučiUjutro se škrobrazgrađuje α- i β-amilazom uoksidativnompentoza-fosfatnomciklusu (OPPC), s timda se dotični škrobsintetizirao dan prijeu kloroplastimazapornica.Razgradnjom škrobanastajefosfogliceraldehid(PGA) koji ide udihidroksiaceton-fosfat i on izlazi izkloroplasta.DIhidroksiaceton-fosfat se lako pretvara u PGA, odnosno oni mogu prelazitijedan u drugoga. Kada je nastao, PGA se pretvara u fosfo-enol-piruvat (PEP)koji pomoću enzima PEP-karboksilaze veže CO2 iz HCO3- i tako nastaneoksaloacetat (OAA) i oslobađa se H+ ion.OAA se reducira pod djelovanjem malat-dehidrogenaze (ima koenzime NADHi H+) i nastane malat. Malat putuje u vakuolu čime se broj čestica u vakuolipovećava, a tako osmotski potencijal biva sve negativniji – sila sisanja zavodu se povećava. Nadalje, H+ nastao kada je PEP vezao CO2 odlazi ususjednice čime pH raste, a unutrašnjost postaje sve negativnija. Izsusjednica (one su veće od zapornica) u zapornice ulazi K+ (ide u vakuolu) ito često sa svojimanionskimpartnerom (to jevažno jer bi inačeK+ zalužio stanicupa ga prati Cl- da toublaži).Kod zatvorenihpuči pH=5, a kodotvorenih pH=6 –7,4. Tamo gdjenema aniona Cl-,malat ćeneutralizirati K+ uvakuoli. 20
  • 21. Prilikom otvaranja puči mijenja se njihova visina. Znamo da su stjenke pučirazličito zadebljane – na trbušnoj strani stjenke svake zapornice ističu se dvijezadebljale letvice izbočene prema otvoru, a srednji dio trbušne stjenke i čitavaleđna strana stjenke su tanke. Pri povećanju turgora pomiče se elastičnaleđna stjenka natrag prema susjednici i pri tome povlači manje elastičnutrbušnu stjenku sa sobom i otvor se rastvori (praktički se zapornice suze akogledamo poprečni presjek; puč se digne u visinu ako gledamo uzdužno)Važna je micelacija – kod zapornica su miceli i fibrili poredani radijalno, a kodsusjednica uzdužno. Micelacija je okomita da bi se zapornica mogla oduprijetina susjednicu tako da se ne bi previše širila.Japanac Fujino skinuo je epiderme (u njima su puči) s biljke i stavio ih u dvijeotopine: jednu sa ATP-om i drugu bez ATP-a. Osvijetlio ih je i nakon nekogvremena je vidio da su u prvoj otopini puči otvorenije – to je ukazalo na to daje otvaranje puči aktivni proces koji troši ATP.Mehanizam zatvaranja pučiOsmotski aktivne tvari moraju napustiti vakuolu, turgor mora pasti, K+ zajednosa Cl- odlazi u susjednice, a malat izlazi iz vakuole vani – pred njim stojinekoliko puteva: • malat se može pomoću NAD-malatnog enzima oksidativno dekarboksilirati (izgubi H+ i CO2) i prijeći u piruvat (piruvat ulazi u mitohondrije gdje biva uključen u dišne procese) • malat može sam direktno ući u mitohondrije • malat se može pretvoriti u PEP koji dalje ide u PGA koji ulazi u kloroplaste gdje glukoneogenezom nastaje škrob • malat može izaći u susjednicu 21
  • 22. Escomb i Brown su 1900. izrekli svoj zakon dijametra. Oni su utvrdili da jedifuzija kroz jednu puč proporcionalnija dijametru (radijusu) nego površinipresjeka pore. Ovaj zakon vrijedi ako su puči „plitke“ i okrugleQ = Δ Δe 2rPrimjer: ako imamo veliku puč A sastavljenu iz 4 manje puči (B, C,D, E) – A neće imati 4 puta veću transpiraciju u odnosu na ostale(iako bi to očekivali jer A ima 4 puta veću površinu). A će imatisamo 2 puta veću transpiraciju i to zbog zakona Q = Δ Δe 2r.Dakle, transpiracija kod A je proporcionalnija radijusu negopovršini.Rubni efektKod potpuno otvorenih puči stanica gubi 50 – 70% vodene pare u odnosu navodu iste površine. Ako znamo da puči čine 1% površine lista, onda je tofenomenalno puno. Broj puči po 1mm2 varira do nekoliko stotina. A da punovode transpirira kroz malu površinu pripisuje se tzv. rubnom efektu. Naime,vodena para izlazi iz puči kao da tvori lepezu. One molekule vodene pare kojeizlaze na rubu imaju slobodno difuzijsko područje i na stranu, dok one kojedifundiraju iz sredine ometaju sa svih strana susjedne molekule.Veliki broj puči ne znači veliku transpiraciju. Naime, preguste puči smetaju jednadrugoj. Dobije se fenomen zajedničke površine koji ne povećava transpiraciju.Kod izlaska vodene pare stvori se tanki sloj uz površinu lista koji je zasićenvodenom parom (granični sloj) i predstavlja otpor (Ra).Primijećeno je da do određene veličine otvora puči difuzija ovisi o otvoru puči.Nakon neke vrijednosti (10 µm) difuzija ne ovisi o otvoru puči. Ako je zrak miranpovećanjem otvora puči lagano raste transpiracija. Vjetar odstranjuje granični slojvodene pare i transpiracija je onda puno veća.Tr = Δc / Ra + RsRa – otpor zbog stvaranja slojaRs – otpor pučiPrije se mislilo da za difuziju kroz puči vrijediQ = Δ Δc r2π / L – 1. Fickov zakon difuzijeAli on ovdje ne vrijedi jer treba put vodenih para korigirati recipročnomvrijednošću radijusa za ½.Izraz za difuziju kroz jednu puč:Q = Δ Δc r2π / L + r½Otvorenost puči pojedinih tipova biljakaOpćenito vrijedi: puči se ujutro otvaraju, a predvečer zatvaraju. No, neke biljkeujutro otvore, a popodne pritvore puči, zatim ih opet otvore, a navečer zatvore.Tako je za suhih dana. Za vlažnih dana puči se dijelom otvore kod tih biljaka 22
  • 23. (crnogorice). Biljke suhih staništa ujutro otvore puči, a popodne ih zatvore(kukuruz). Sukulentne pustinjske biljke ujutro zatvore puči, a predvečer ih otvore iotvorene su cijelu noć. Malat ističe iz vakuola i on im služi kao izvor CO2 zafotosintezu.Lenticelna transpiracijaOtvaranjem plutnog plašta bez intercelulara bila bi izmjena plinova izmeđuatmosfere i unutrašnjosti organa onemogućena. Stoga postoji u plutunadomjestak za epidermske puči – to su lenticele ili plutene bradavice. Koje sena plutnim slojevima grana vide prostim okom.Dakle, lenticele su otvori na oplutnjelim (odrvenjelim) dijelovima biljke, a tu su sepojavili još dok je taj dio bio zeljast. Biljke se zaštićuju plutom da bi spriječilegubitak vode. Stanice kambija intenzivno se dijele za što trebaju puno O2 kojegtrebaju dobiti preko lenticela. Kambij ne može kisik dobiti vodom jer je kisik slabotopiv u vodi.Transpiracija preko lenticela nije fiziološki regulirana. Količina izgubljene vodeputem lenticelarne transpiracije nije osobito značajna izuzev kod nekih mladihdrvenastih biljaka.Kambij je dio perifernog meristemskog sloja koji diobenom aktivnošću tvorizatvoreni valjkasti sloj – pluto. 2. Hidronastijsko gibanje puči Puči se mogu zatvoriti i na svjetlosti ako se vodni potencijal sustava spusti ispod određene vrijednosti praga (-7 - -18bara). To se može dogoditi i tako da uz stalno jednaki turgor zapornica raste turgor stanica susjednica. Do toga dolazi ako npr. biljci kojoj je nedostajala voda padne kiša. Naime, epidermske stanice brže primaju vodu od zapornica jer imaju tanje stjenke. Obrnuto, ako odrežemo list dolazi do gubitka turgora najprije u stanici epiderme, a potom u zapornicama – puči se otvore. To je tzv. Ivanovljev efekt. Kako je on to dokazao? Odrezao je grančicu jorgovana i primijetio je da su se puči otvorile, a očekivao je zatvaranje. Kako susjednice imaju tanje stjenke one brže gube vodu i turgor ima pada – puči se otvore. Gibanja puči pri kojima se sadržaj otopljenih tvari u zapornicama ne promijeni zovemo hidropasivna gibanja. Puči se zatvore kada biljka izgubi previše vode (vodni potencijal -11 - -18bara) i ostaju zatvorene sve dok se ne uspostavi normalni vodni potencijal. Fotosinteza ne teče. Ako se vodni potencijal samo malo snizi, biljka stvara apscizinsku kiselinu (fitohormon) koja koči transport p+ i K+ i dovodi do pritvaranja puči. Fotosinteza se može vršiti, ali smanjeno ,voda ne izlazi iz biljke. To je hidroaktivno gibanje puči (hidroaktivna kontrola). Ovaj mehanizam pokreće se za 7 minuta. Kao dokaz da transpiracija može dizati vodu na visinu služi Askenazijev pokus – uzeo je stakleni lijevak i na njega zatalio kapilaru. Sve je uronio u živu, na dno lijevka stavio je vodu, a sam je lijevak ispunio gipsom (žitkom masom pomiješanom sa vodom). Kapilaru je prethodno ispunio vodom. Primijetio je da je voda iz mase gipsa isparavala i počela vući živu u kapilaru (do visine 760mm). Ovo je bio fizički pokus. 23
  • 24. Potom je uzeo grančicu tise i natalio ju na kapilaru (r = 1mm). Sve je zabrtvio čepom. Voda je bila prokuhana da bi se istjerali plinovi (da se spriječi embolija). I u ovom slučaju se živa digla do visine 760mm – time je dokazano da je i ovo fizički pokus koji ne troši previše energije. Da se voda transportirala kroz drveni dio biljke dokazao je Hales – uzeo je 3 grančice jorgovana; jednu je stavio u posudu s vodom i njeni su listovi ostali turgescentni nekoliko dana; drugoj je izrezao koru i omogućio da drveni elementi (ksilem iz drva) uđe u vodu pa su i ti listovi ostali turgescentni par dana; kod treće je grančice izrezao drveni dio (ksilem) i ta je grančica odmah uvenula. Drveni dio (ksilem) se sastoji od užih ili širih odrvenjelih elemenata koji provode vodu. Kod kritosjemenjača to su traheje i traheide, a u paprati i golosjemenjača samo traheide. Sitasti dio žile (floem) čine sitaste cijevi sa stanicama pratilicama (njima prolaze asimilati).GutacijaTo je pojava izlučivanja vode u obliku kapljica. Pojavljuje se u vrijeme visokerelativne vlage u zraku (kod nas npr. noću, u tropskim šumama). Može se vidjetikod trava, filodendrona. Do gutacije dolazi kada su puči zatvorene, kada jetranspiracija niska, a postoji potreba da se održi struja vode u biljci. Kapljiceizlaze na rubovima listova kroz hidatode (vodenice). Mogu biti: a) pasivne – pogonska sila za izlučivanje vode tj. gutaciju je tlak korijena (npr. kod trava). „Pasivnu vodu“ do lista dovode traheide. Uokolo traheida u listu je rahlo tkivo (epitem) hidatoda. Na hidatodi se stvara kap tekućine koju mi vidimo. b) aktivne – većina epitemskih hidatoda su aktivne (npr. kod Saxifraga, Phaseohusa, Tropaeoluma) i ove žlijezde rade neovisno o tlaku korijena. Mehanizam izlučivanja nije potpuno objašnjen. Smatra se da je plazmalema ovih žljezdanih stanica više propusna na nekim mjestima i da radi po principu tlačne filtracije. Korohasia nimpheifolia može kroz list izlučiti i do 100ml gutacijske tekućine. Trihonske hidatode – žljezdaste dlakeDakle, gutacijska tekućina nije čista voda nego sadrži otopljene organske ianorganske tvari.Aerenhim – tkivo za prozračivanjeTkiva za prozračivanje opremljena su velikim intercelularnim prostorima kojasluže mnogim močvarnim i vodenim biljkama za uspješnu izmjenu plinova. Njihovsistem intercelulara povezan je s vanjskim zrakom pomoću puči na listovima iizdancima koji plivaju na vodi ili iz nje strše.Lopoč u peteljci ima kanale za zrak. Zrak iz listova transportira se do rizoma, aonda kroz peteljke starih listova stari zrak s otpadnim produktima (npr. CH4) izlazivan. Zrak se prilikom transporta do rizoma utiskuje kroz puči mladih listova (upeteljkama) te kroz lakune sve do rizoma. Kažemo da su ove biljke rezistentnena anaerobne uvjete. 24
  • 25. Kukuruz nije prilagođen životu u anaerobnim uvjetima. On će u vodi pokušatistvarati zračne kanale, ali uspije napraviti samo 5cm debljine. Zrak bježi iz tihkanala jer zidovi nisu lignizirani. Kukuruz ugiba zbog nestašice O2 u tlu. Naime, uanaerobnim uvjetima se glikolizom dobije samo 2 ATP-a (aerobnim disanjem sedobije 36 ATP-a). Kako je pH vakuole 5, a pH plazme 7,5 – 8 protoni bježe uplazmu. U normalnim uvjetima ti se protoni vraćaju natrag uz utrošak ATP-a. Alisada ATP nedostaje pa protoni ostaju u plazmi i remete sve metaboličkeprocese. Piruvat nastao u glikolizi ide u proces vrenja pa nastaje alkohol koji ještetan za stanicu jer razara lipoproteinske membrane staničnih organela u kojimanalazimo iste metabolite, ali u raznim koncentracijama. Kada među staničnimorganelima (kompartimentima) porušimo membrane, metaboliti se miješaju i to jepogubno za metabolizam (dogodi se produktivna inhibicija – produkt nastaoenzimatskom reakcijom inhibira daljnje reakcije). Zato kukuruz u vodi uvene.Grašak i bob isto uginu u anaerobnim uvjetima, dok neke biljke (Senecioaquaticus, Mentha aquatica) prežive.OTOPINE PLINOVA KOD BILJAKAOtopine plinova u vodi su biološki važne. Sve izmjene plinova zahtijevaju da plinbude otopljen u staničnoj otopini prije nego stigne do reakcijskog mjesta. Krozintercelulare tvari idu u obliku plinova koji se, kada dođe do stanične stjenke,moraju otopiti. Difundirani u otopini dolaze do organela (to su reakcijska mjesta).Kad se plin oslobađa kao produkt reakcije, ulazi u otopinu prije nego što kao plinizađe iz stanice. Plin se kao plin može izlučiti već na staničnoj stjenci i daljedifundira kroz intercelulare vani.Biološki važni plinovi su ili slabo topivi u vodi (O2, N2, H2) ili su jako dobro topljiviu vodi (CO2, NH3, SO2). Kisik je topiv 0,001%, a u 1L ima ga 10mg; CO2 je 100puta bolje topiv kao i NH3; njihova je topivost 0,1%.Topivost plinova proporcionalna je parcijalnom tlaku plina iznad vode,temperaturi ali i kiselosti/bazičnosti vode. Najvažnija činjenica za vodene isubmerzne (nemaju kutikulu ili im je ista jako propusna) organizme je da za dišneprocese mogu koristiti samo otopljeni kisik.CO2 može u vodi egzistirati kao H2CO3 koji disocira na H+ i HCO3-, ali možeegzistirati i kao Na2CO3. Svaki oblik postoji u otopini kao zasebni, a ravnotežameđu njima određena je kiselošću. Zbog velike topivosti CO2 brzo difundira krozvodu i kroz polukruti agar.TLOTlo nastaje postepeno kao rezultata otapanja stijena pod utjecajem kiša, leda,sunca, naglih promjena temperature, ali i djelovanja litofitskih biljaka. U tlunalazimo različite organizme (hife gljiva, alge, bakterije, protozoe, insekte),organske tvari nastale od lignina, celuloze, bjelančevina, ali i mineralne tvari.Biljke izlučuju razne kiseline koje doprinose sastavu tla.Čvrstu fazu tla čine minerali koji izgrađuju stijene: silikati, glina, vapnenac iprodukti organskih materijala (humus). Šupljine između tih čestica djelomično suispunjene vodenom otopinom i djelomično plinom koji je drugačijeg sastava od 25
  • 26. atmosferskog zraka. Za rast biljakaoptimalno je ako je polovica tih šupljinaispunjena plinom, a druga polovicazrakom.U anoksičnim tlima, u anaerobnimuvjetima dolazi do alkoholnog vrenja –izlučuje se alkohol koji razgrađujeglikoproteinske membrane. Npr. rajčicau anoksičnom tlu (ili poplavljenom) –povećava se etilen, listovi vise(epinastijski položaj listova), smanjuje sestomatalna difuzija, otpadaju korjenčići,akumulira se amino-ciklopropan-karboksilna kiselina.Mineralne čestice mogu biti različitihveličina: 0,2 – 2mm je grubi pijesak; 0,02– 0,2mm je fini pijesak; 0,002 – 0,02mmje mulj; 0,002mm i manje je glina. Nahumusnim česticama i anorganskimkoloidima vrši se apsorpcija pojedinihiona. Tlo lako veže (tj. (-)nabijenečestice tla) lako veže katione, a odaniona se PO43- jače veže od NO3-.Samo 0,2% tla se otapa u vodenoj otopini tla; oko 2% tla su apsorptivno vezanekoloidne čestice, a 98% tla su teško topivi karbonati, fosfati...Korjenova dlačica daje H+ i HCO3-. Dolazi do izmjene: K+ i H+ se zamijene; HCO3-i NO3- se zamijene. To je tzv. kontaktna izmjena.Biljka iz npr. NH4Cl može uzeti NH4+, a Cl- sa H+ može dati HCl i tako zakiselititlo. Tako je NH4Cl fiziološki kisela sol, a postoje i fiziološki bazične soli kao što jeKNO3- (OH- za NO3-).Elementi koji su biljci potrebni u velikoj količini su makroelementi.Makroelementi: C,O2, N2, S, P, K, Ca, Mg, H2, FeMikroelementi: Mn, B, Zn, Cu, Mo, Cl2Elementi u tragovima: Na+ (za hidrolizu hidrofilnih biljaka), Si (za trave), Co (zabiljke koje žive simbiotski sa bakterijama), Se.Biljke primaju mineralne tvari u ionskom obliku, a topivost tih tvari je različita.Topivost iona u tlu i primanje Fe2+N2, PO43-, K i Ca su topivi pri pH=6 – 6,5Mg i S su topivi pri pH=7Fe, Mn, B i Zn (i teški metali) su topivi u kiselom medijuMo je topiv u neutralnom i bazičnom medijuAko se javi nedostatak Fe, biljke ispuštaju kiselinu i poboljšavaju ulazak Fe idrugih kationa. Žuta boja korijena znači nedostatak Fe.Fe3+ je stabilan oblik željeza, ali je netopiv pa ga biljke elektronima korijenovihdlačica izreduciraju u Fe2+. Biljka mora željezo vezati kao Fe2+, a da ne bi 26
  • 27. oksidiralo u Fe3+ biljka od Fe2+ stvori helat sa citronskom kiselinom. Taj se helattransportira kroz ksilem do listova.Dobri nosači željeza u tlu mogu biti fenoli (proizvode ih bakterije). Oni imaju dvijeOH- skupine. Nazivamo ih siderofori. Postoje i peptidi koje proizvode gljive(hidroksimati) – oni stvaraju čvrste komplekse sa Fe3+ koji se transportiraju umikrofibrilne stanice u kojima se Fe3+ izreducira u Fe2+, a Fe2+ se ispusti u tlo.Piruvati mogu otpustiti e- i izreducirati Fe3+, kao nosač željeza može služiti iEDTA. Nosači: -sidevofori (bakterije) (fenoli) -hidroksimati (gljive) (peptidi) -EDTARaspon pH u kojem biljke žive je 3 – 9. Malo se zna o tome zašto neke biljkevole kisela tla, a druge ne. Jedan od razloga je kompeticija. Eksperimenti sahidrofoničnim tehnikama (kada se biljke uzgajaju na različitim vodenim medijima)su u studiranju rasta nekih vrsta kod različitih pH pokazali da biljke rastu dobro uširokim rasponima pH vrijednosti.U prirodi male prednosti jedne vrste nad drugom dovode do eliminacije slabijeprilagođene vrste. Faktori tla blisko povezani sa pH vjerojatno su važniji odkoncentracije H3O+, npr. višak padalina dovodi do ispiranja Ca2+ i stvaranjakiselih tala.Obzirom na tlo, razlikujemo tri tipa biljaka: 1. Vapnenačke biljke Vole vapnenačka ili karbonatna tla u kojima je visoka koncentracija Ca2+ i HCO3- i relativno je visok pH; tlo je vodopropusno, suho i toplo. Ovim biljkama teško su pristupačni fosfati i teški metali jer je pH visok. Smeta im prevelika ponuda metala pa ako ih stavimo na kiselo tlo uginu. Neke vapnenačke biljke: Antericum ranulosum – gospina papučica, Anemone regulosa - šumarica 2. Acidofilne biljke Vole kisela tla (pH=5). One neutraliziraju veliku ponudu iona teških metala stvaranjem kompleksa. Ovdje ubrajamo jestivi kesten, vrijes, borovnicu, kiselicu... 3. Biljke slanih staništa (halofilne biljke) Žive na staništima bogatim različitim solima. Koncentrirane otopljene soli ubijaju biljku, ako nije prilagođena, plazmolizirajući njihove stanice. Većina slatkovodnih biljaka plazmolizira u morskoj vodi koja ima osmotski potencijal - 30bara. NaCl izaziva plazmolizu i denaturira enzime. Halofiti su se prilagodili velikoj koncentraciji soli na različite načine a) akumulacijom iona – (npr. Na+ i Cl-) kompenziraju visoke napetosti sisanja tla. Atriplex npr. akumulira soli i osmotski potencijal mu je -200bara. Zahvaljujući tom negativnom potencijalu Atriplex crpi vodu i osmotike iz tla b) halofiti često izlučuju soli pomoću žlijezda ili odbacivanjem biljnih dijelova (npr. mjehuraste dlake kod roda Atriplex). Tamaris izlučuje toliko puno soli da se otopina soli slijeva po biljci c) neki halofiti skupljaju u staničnom soku velike količine vode – solna sukulencija (npr. Salicorna) 27
  • 28. Povišene koncentracije soli djeluju nespecifično (osmotski) i specifično obzirom na vrstu iona. Npr. Salicorna herbacea sadrži 10% NaCl i Na2SO4 u odnosu na sadržaj vode, a listovi Nitrariae sadrže 75% soli u tkivima u odnosu na suhu tvar. Suadea glauha i maritima bolje uspijevaju na sulfatnoj slanoći, a Suaeda herbacea na kloridnoj. Ponekad biljke stvaraju organske spojeve reda betaina te poliamine, glicerol i prolin koji ne smetaju biljci, a služe za izbjegavanje osmotskih šokova. Pamuku odgovara kloridna slanost – tada mu se izduži palisadni parenhim, spužvasti parenhim i broj puči se smanji – cijeli list se smanji i zadeblja. Slanoću dobro toleriraju: pamuk, maslina, palme, duhan, ječam, repa, špinat, crveni luk, rotkvica, mimoza, datulja, bagrem... Na sol su osjetljivi: divlji kesten, lipa, pšenica, krumpir, limun, mnoge mahunarke, koštunjavao voće... Kod nekih biljaka slanoća utječe na spol – na slanijim tlima se pojave muški cvjetovi.Često u tlu može velika ponuda Al biti toksična – on taloži PO43-. Neke biljke(azaleje) vole tla bogata aluminijem.Donnanova ravnotežaTo je fenomen nagomilavanja iona. Sistem ove ravnoteže može biti odgovoranza primanje iona prividno protivno koncentracijskom gradijentu. Po Donnanovojteoriji, ako propusna membrana odvaja otopinu od difuzibilnih iona, oni ćedifundirati kroz tu membranu u otopinu. Uvijek kada difundira kation uvijek istočini i anion.Uzmimo za primjer stanice sa 6 K+. Na jednoj strani membrane u stanici nalazese nedifuzibilni ioni (proteini sa disociranim –COOH skupinama). Ako stanicustavimo u otopinu sa 6 K+ i 6 Cl- iona, ioni će difundirati i rezultat će biti 4 K+ i 4Cl- iona u otopini i 8 K+ i 2 Cl- iona u stanici. Naime, disocirane –COOH skupineodbijale su Cl-. Važno je da je umnožak kationa i aniona u otopini jednaknjihovom umnošku u stanici.Slično je i u apoplastu: tu su u staničnim stjenkama fiksirani anioni (proteini sa –COO-, fosfatidi sa vanjske strane plazmaleme). Novopridošli kationi iz vanjskeotopine redovito ne pomiču Donnanovom ravnotežu nego samo istisnuadsorbirane katione, tj. dolazi do izmjenjivačke adsorpcije, npr. korijen koji senalazio u otopini Ca2+ izgubi Ca2+ kada ga se stavi u otopinu sa K+. Dakle, korijense ponaša kao ionski izmjenjivač.Kada biljka prima npr. Ca(NO3)2, onda se obično NO3- izreducira i ugradi uaminokiselinu, a Ca2+ taloži u vakuoli kao CaC2O4. 28
  • 29. Pad koncentracije tvari (koncentracijski gradijent) općenito se postiže na trinačina: 1. kemijskim spajanjem tvari sa dva supstrata koja su ušla u stanicu 2. taloženjem 3. adsorpcijom na stanične koloideMETABOLIZAM DUŠIKADušik je jako značajan element za biljku i one ga štede dok ga životinje izbacuju.Mrtvi organizmi podliježu truljenju i tada se događa proces amonifikacije kojegvrše bakterije, a kao krajnji produkt nastaje NH3 (koji se dugo zadržava u tlu,teško se ispire). Ukoliko je pH neutralan nitrificirajuće bakterije oksidirati će NH3do NO3-, a ako je pH kiseliji neće se NH3 oksidirati do NO3- već će biljka dušikprimati kao NH4+.Nitrati u tlu lako se ispiru i neke biljke nitrate primaju preko korijena. Nekebakterije denitrificiraju dio nitrata i daju različite dušikove okside (N2O, NO, NO2)koji idu u atmosferu. Kišama i električnim pražnjenjem ti se oksidi pretvaraju uNH4+ i NO3-.Biljka dušik može primati u obliku NO3- kojeg reduciraju, NH4+ ili N2. Ruža npr.prima dušik kao NH4+ i ona ne reducira taj NH4+. Najveći dio biljaka prima dušik uobliku nitrata – oni se primaju kroz korijen. Neke biljke (rajčica, rotkvica) moguveliki dio nitrata reducirati u korijenu, a druge biljke (krastavac, pšenica, trave)transportiraju nitrate do listova i tu ih reduciraju. 29
  • 30. Redukcija nitrataNitrat se pomoću enzima nitrat-reduktaze reducira do nitrita. Davaoc elektrona zareakciju je NADH + H+, a sve se odvija u citoplazmi:NO3- NO2-Nitrit se u kloroplastu reducira do NH4+ uz nitrit-reduktazu:NO2- NH4+NH4+ ugrađuje se u jednu keto-kiselinu kao amino-skupina (-NH2).α-ketoskiselina je najčešće α-ketoglutarna kiselinaα-keto-glutarat transportira se iz citoplazme u kloroplaste.Da bi ugradio -NH2, mora se α-keto-glutarat izreducirati pomoću NADPH + H+α-keto-glutarat glutamatglutamat glutaminKao i pri sintezi glutamina, tako i pri sintezi većine aminokiselina i asparagina,glutamat služi kao donor –NH2. Djelovanjem transaminaza prenosi se amino-skupina glutamata na određenu α-ketokiselinu, npr. na oksaloacetat (pa nastaneaspartat). Glutamat i aspartat su polazni spojevi za brojne druge aminokiseline (glutamatni red, aspartatni red). 30
  • 31. Aspargin prijenosom -NH2 pomoću aspargin-sintetaze prelazi u asparaginskukiselinu.Glutamin-sintetaza ima veliki afinitet prema NH4+ pa bi mogla imati specifičnufunkciju „detoksikacije“ jer je NH4+ štetan kad je slobodan (prekida fosforilaciju,ometa stvaranje NADPH + H+) 1. amidni tip biljaka – špinat, bundeva, repa – NH4+ odmah ugrađuju u obliku glutamina i asparagina 2. kiseli ureidni tip biljaka – koprive, kiselice – stvaraju različite ureidne spojeve; uspijevaju na tlu gdje je visoka koncentracija uree i stvaraju serotonin; one su dakle prevele NH3 u soli s organskim kiselinama. Serotonin se nalazi u orahu, pomidori, ananasu, bananama, koprivi. Dušik koji je bio vezan u glutaminu prolazi kroz neke procese i nastaje serotonin. Kada se ubodemo na koprivu serotonin izaziva kontrakciju kože i krvnih žila, a ne mravlja kiselina kako se mislilo. A rabarbara prevodi kiseli NH3 u soli s organskim kiselinama i to u stabljici, a listovi su otrovni 3. ureidni tip biljaka – breza i orah stvaraju ureidne spojeve; mahunarke stvaraju kanavanin – otrovan spoj po sastavu nalik na arginin (arginin ima –CH2 skupinu, a kanavanin umjesto –CH2 ima kisik). Većina sativa sadrži kanavanin i otrovne su, a Vicia je jestiva. Borovnica prima dušik u obliku NH3, a riža kao NH4+. Bagrem i grašak na korijenu imaju gomolje u kojima čuvaju dušik iz zraka; dugo ga čuvaju pa su im zimi listovi dugo zeleni.Redukcija molekularnog dušikaPremda u zemljinoj atmosferi ima 78 – 80% dušika, on slabo sudjeluje u ishraniorganizama jer samo neki mogu asimilirati molekularni N2 i pretvoriti ga u oblikpotreban biljci. Svake se godine pomoću mikroorganizama veže 100 – 150milijuna tona molekularnog N2 u organske dušične spojeve.Potrebe za dušičnim gnojivima velike su pa se koristi industrijski Haber-Boschovpostupak u kome se N2 reducira pomoću molekula H2 pod povišenim tlakom itemperaturom u NH3. Ovako se dobije 60 milijuna tona vezanog dušika. Vezanjemolekula dušika bitan je proces na Zemlji, odmah nakon fotosinteze.Više je tipova organizama koji mogu vezati dušik iz atmosfere. To suslobodnoživuće heterotrofne bakterije i simbiotske bakterije. Fotoautotrofneslobodnoživuće bakterije da bi reducirale dušik trebaju enzim nitrogenazu. 31
  • 32. 1. slobodnoživuće heterotrofne bakterije a. obligatno aerobne – rod. Azobacter b. fakultativno anaerobne – rod. Klebsiella (pneumoniae) c. obligatno anaerobne – rod. Clostridium (pasteurianum) 2. slobodnoživuće fotoautotrofne bakterije – Rhodospirillum rubrum, modrozelene alge: Nostoc, Ulothrix, Anabaena azolla 3. simbiotski živuće bakterije rod: Rhizobium faseoli živi simbiotski u grahu, Rhizobium japanicum živi na soji. S bakterijama još simbiotski žive joha, tropske trave, mrkva, kukuruz (rod Clebriela). Te bakterije žive u sluzavim pločicama na korijenu. Gymnospermae dolaze u kombinaciji s niz bakterija – Cyanobacteria; više paprati dolaze u kombinaciji sa zelenim algamaSimbioza mahunarki i Rhizobium-aKorijenove dlačice luče različite spojeve (lektin – glikoprotein) koji kemotaktičkiprivlače bakterije. One pomoću enzima galakturonaze, prektinaze, glukozil-transferaze i transglukozilaze rezgrađuju stjenku na vršku korijenovih dlačica iulaze unutar nje. Stvara se tzv. infekcijska nit. Bakterije luče sluz u kojoj suuronjene unutar korijena. Ako bi infekcijska nit pukla, došlo bi do abortiranja.Bakterije se dijele i šire u parenhimske stanice korijena. One žele ući u diploidnei tetraploidne stanice korijena. Za sve ovo vrijeme bakterije se bičevima aktivnogibaju. Hrane se sadržajem iz biljke. Zauzvrat domaćinu izlučuju auksine,gibereline i citokinine.Parenhimske stanice se počinju dijeliti pod utjecajem ta tri hormona, a dijele se ibakterijske stanice. Stvara se gomoljčić – nodul u kojem kao da su provodnielementi. Bakterije unutar gomoljčića gube sposobnost aktivnog gibanja,zadebljaju, hrane se jantarnom kiselinom – zvoemo ih bakteoridi (imajunitrogenazu). To se dokazalo tako što se uzeo gomolj graška i hranili suRhizobium jantarnom kiselinom – Rhizobium je povećao volumen tj. površinukroz koju može primati dušik iz zraka.Redukcija dušika pomoću nitrogenaze zahtjeva 6 elektrona koje in vivo dajereducirani feredoksin. Međuprodukti reakcije nisu dokazani, a sekundarno seNH4+ oslobađa enzimom. Reakcija nitrogenazom zahtjeva ATP:N2 + 6 feredoksin(red) + nATP + 8H+ 2NH4+ 6 feredoksin(oks) + nADP + nPi 32
  • 33. Nitrogenaza se sastoji od dva različita proteina: željezo-proteina koji ima željezovezano preko sumpora (željezni protein zovemo Azoferodoksin) te molibden-željezo-protein (Molibdoferodoksin) koji sadrži dva atoma molibdena i 22 do 24skupine sa željezom i sumporom (nehemsko željezo). Nitrogenaza je in vivoosjetljiva na kisik iako je Rhizobium aeroban organizam.Kod aerobnih bakterija parcijalni tlak kisika je snižen možda intezivnim disanjem.Kod simbiotskih bakterija roda Rhizobium opskrbu olakšava leg-hemoglobin(luguminozni hemoglobin; gen za hem nosi bakterija); on je lokaliziran izvanstanice Rhizobiuma, a u stanici domadara leg-Hb šalje bakteroidima malekoličine kisika koje ne inhibiraju nitrogenazu.Od nekog fermenta (NADH + H+) ferodoksinoks prima elektron od vodika ipostane reducirani feredoksin. Proton se prenosi na azoferedoksin pa namolibdoferedoksin, a potom na N2 koji se reducira do NH4+. NH4+ se ugradi u α-ketoglutarnu kiselinu kao aminoskupina i nastane glutaminska kiselina koja seksilemom transportira od korijena u listove (gdje se dio spojeva reducira, a dioopet vraća u korijen). 33
  • 34. Fiksatori dušika koji nisu fotosintetski tvore ATP i red feredoksin drugim načinom– djelovanjem enzima hidrogenaze koja se koristi vodikom kao donoromelektrona feredoksin se reduciraferedoksin(oks) + H2 feredoksin(red) + 2H+MIJENA SUMPORNIH TVARISumpor se u stanicama ugrađuje u organske spojeve u reduciranom obliku(asimilacija sumpora). Biljka sumpor iz medija prima isključivo kao SO42- kojegmora reducirati u S2-:SO42- SO32- S2-Reakcija se odvija u zelenim biljnim stanicama i to većinom kloroplastima, a kodviših biljaka i u korijenu. Biljka SO42- iz tla aktivira sa AMP pri čemu nastaje APS(adenozin-fosfosulfat). Fosforilacijom APS-a pomoću APS-kinaze nastaje PAPS(fosfoadenozin-fosfosulfat). Kod kloroplasta je postanak PAPS iz sulfata i ATP-avezan za tilakoidnu membranu. Sumpor je u PAPS-u još uvijek vezan kao SO42-.U kloroplastu se aktivni SO42- reducira preko sulfita do sulfida, a sulfid se neoslobađa kao H2S već se odmah ugradi SH skupina cisteina. Odavde se sumpormože prevesti u druge spojeve (npr. metionin). Feredoksin i ATP potrebni su zaove reakcije, a potječu iz svjetlosne reakcije fotosinteze.Kod kvasca za prijenos 6e- koristi se NADPH + H+. U korijenu se mali diosumpora veže u cistein ili metionin i putuje ksilemom u organe izdanka.SH skupina u metioninu važna je pri stvaranju disulfidnih mostova preko kojih seenzimi vežu za supstrate.MIJENA FOSFATAFosfor se ugrađuje kao fosfsatna grupa. U sjemenkama (npr. u sjemenkipšenice) nalazimo aleuronski sloj koji je ispod teste (vanjskog ovoja). Taj slojsadrži aleuronska zrnca (a to su spremišni proteini), globulinske kristaloide,albuminski ovoj i globoide iz fitina. Fitinska kiselina je inozitol koji ima 6 fosfata 34
  • 35. vezanih kisikom (tzv. inozitol-heksa-fosfat). Šest sati nakon početka klijanja javljase mRNA za enzim fitazu i to u skutelumu (jedina supka kod monokotiledona).Fitaza odvaja fosfate iz fitinske kiseline (od inozitola) i tako biljka dobija fosfattijekom klijanja.Ako sjemenke stavimo u otopinu sa fosfatnom soli, tada se inhibira stvaranjefitaze, inhibira se i transkripcija mRNA za fitazu.Fosfat je potreban za nukleinske kiseline, ATP, NADP+, lecitin (kloroplasti).Spojevi fosfora s Mg i K imaju značajnu ulogu u održavanju koncentracije H+iona u plazmi što se objašnjava lakoćom prijalaza soli u mono, di i trifosfate iobratno. Nedostatak fosfora uzrokuje promjenu boje lišća od crvene do smeđe,suši se i otpada.Liebergov zakon minimumaPrema Liebergovom zakonu rast uvijek ograničava onaj činilac koji je prisutan urelativno najmanjoj količini. Manjak može biti apsolutan (zbog akutne nestašiceelemenata u tlu) ili relativan. Relativna nestašica podrazumijeva često da zbogsuviška nekih drugih elemenata, dotični element biva u manjku, npr. deficit K+može biti posljedica suviška N2 ili PO43-. I pH određuje koliko je elementpristupačan biljci, npr. Fe i Mn se slabije primaju iz tla kojemu je pH visok (jernjima odgovara kiseli pH). Patološki učinci mogu se javiti i ako je neki elementprisutan u prevelikoj količini, npr. u kiselom tlu siromašnom sa Ca2+, Mg i M moguse primati u velikim (toksičnim) količinama.Pokretljivost iona u ksilemu i floemuNeki ioni dobro su pokretni i u ksilemu (do listova) i u floemu, npr: Na+, K+, Rb2+,Cs2+. Ioni Mn2+ i Fe2+ umjereno su pokretni u floemu, a u ksilemu su dobropokretljivi. Ioni Ca2+, Ba2+ i Pb2+ su nepokretni u floemu.Važnost pojedinih iona za biljkuU floemu ima dosta PO43-, a Ca2+ s njime daje teško topive soli. Teški metalipoput Ag, Al i Hg toksični su za biljku jer talože fosfate u okolini korijena, ali i usmaoj biljci. Biljka tada pati od deficita fosfata.Deficit fosfata manifestira se u promjeni boje lišća – oni su napadno zeleni, asame biljke su male i kržljave (lisna plojka se smanji) i lišće se rano suši i otpada.Element tungisten, ako je prisutan u tlu, rado ulazi u biljku umjesto Mo pa se nemože formirati nitrogenaza. Zato je tungisten toksičan – slijedi to da su listovizbog nedostatka dušika blijedo zeleni i žuti (nemaju tilakoidne membrane).Željezo ulazi u sastav Mo-Fe-feredoksina, azoferedoksina i nalazimo ga uporfirinskom prstenu hema, kao i u hemu citokroma. Deficit željeza manifestira seu blijedoći listova jer se ne stvara klorofil. Naime, iako Fe ne ulazi u građuklorofila, on sudjeluje u njegovoj biosintezi – u tlu bogatom Fe dolazi do zakržljalarasta i zadebljanja korijena.Magnezij je potreban za rad ATP-a. Ako nema magnezija koji je potreban za radATP-a, stvara se feofitin – žuti listovi sa zelenim žilama.Silicij povećava rast nekih biljaka (klipova kukuruza, stabljika riže), a smatra seda stimulira i rast pomidora, tj. da se plodovi neće stvarati ukoliko nema silicija. 35
  • 36. Nedostatak kalija uzrokuje stvaranje smeđih točaka na plojci i rubovima lista kojižuti. Ako nema K+ nastaje gel-stanje plazme u kojem enzimi ne funkcioniraju paumire taj dio organizma.Deficit kalcija uzrokuje smežuranost najmlađih listova.BILJKE KAO INDIKATORI TLANeke biljke rastu samo na tlima bogatim specifičnim mineralima – biljkeindikatori. Bakrena mahovina raste na tlima bogatim bakrom. Xylorrhiza iEleonapsis rastu na tlima bogatim selenom. Biljke nekrotične pjege ukazuju navišak Co, okrugao oblik grmova na visoku količinu bora, kao i veliki tamnozelenilistovi.Biljke nemaju apsolutnu sposobnost primanja elemenata koji se nude iz tla.Mangrova vegetacija (Rhizopora) ima multipolarni filter koji propušta malekoličine elemenata. Stanice mogu nagomilavati elemente, šećere...Ako se prima Ca(NO3)2 tada NO3- ide do NH3 koji se ugradi u aminokiselinu, aCa2+ se taloži u vakuoli kao CaC2O4.Smatra se da postoje dvije vrste nosača kojima se primaju tvari iz okoline: 1. Mehanizam I – odgovorni su za primanje iona iz razrjeđenih otopina (c=0,05 – 0,02mmol/dm3). Oni pokazuju veći afinitet za ione. Smatra se da je mehanizam I lociran na plazmalemi. 2. Mehanizam II – nosači odgovorni za primanje iona iz koncentriranijih otopina (c=0,5 – 50mmol/dm3). Smatra se da je mehanizam II lociran u tonoplastuVažno je i kakav je prateći ion oko onoga koji se prenosi. Često se kodmehanizama ioni (npr. Rb, Cs, K) vežu za isto mjesto.Možda postoji samo jedna vrsta nosača čija se brzina transporta može mijenjati.Kada se stanica zasiti ionima, smanji broj nosača za te ione. Dakle, stanica možemijenjati afinitet prema ionima.TRANSPORT TVARI – IONAPasivno primanjeIz otopine tla ioni dospijevaju strujom vode najprije u slobodno pristupačniapoplast korijena, tj. u stanične stjenke korijenovih dlačica i stanice korijenovekore. Primanje se odvija pasivno tj. bez korištenja energije mijene tvari, pri tomeotopina koja struji slijedi gradijent vodnog potencijala, a difuzija iona gradijenteprenosi kemijskom i električnom potencijalu. 36
  • 37. Da bi iz apoplasta stigli u simplast, hranidbeni ioni moraju proći kroz membranuplazmalemu; ako trebaju doći u vakuolu, moraju prijeći i tonoplast. Ponekad teprocese razlikujemo, pa ulaz neke tvari iz apoplasta i citoplazmu nazivamointrameacijom, a transport iz tonoplasta u vakuolu permeacijom.Pasivno prelaženje neke tvari kroz membranu (npr. plazmalemu) duž padaelektrokemijskog potencijala možemo nazvati nesmetanom difuzijom. Prpusnost(permeabilnost) neke membrane za nenabijenu česticu (izuzevši vodu) je 100 –1000 puta manja od propusnosti vodenog sloja iste debljine.Primanje tvari pasivnom permeacijom može dovesti do izjednačenja potencijala.No, uglavnom se hranidbeni element koji je prodro u staničnu stjenku daljepreradi čime se dotični element trajno uklanja iz ravnoteže pa se primanje vodemože dalje odvijat.Aktivno primanjeRazlike aktivnog i pasivnog transporta: • Aktivni može uz potrošnju energije tvarne mijene trasportirati supstancije protiv pada njihovog elektrokemijskog potencijala • Aktivni može supstancije provesti kroz membrane barijere koje za njih drugim putem ne bi bile permeabilne ili ne bi bile permeabilne dovoljnom brzinom • Aktivni je specifično podešen za određene spojeve koji su važni za mienu tvari pojedine staniceMehanizam aktivnog transporta još je nedovoljno objašnjen. U mnogimslučajevima čini se da ide preko specifičnih molekula (nosača u membrani kojipokazuju supstantnu specifičnost slično enzimima). Energija potrebna za aktivnitransport dobija se iz ATP-a. No, osim od ATP-a nosači mogu energiju zatransport primati i od protonskih gradijenata. Na, tj. u membrani postoje ATP-aze,proteini koji kataliziraju cijepanje ATP-a, aktiviraju ih ioni vodika. Takoplazmalema i tonoplast imaju ATP-aze koje hidroliziraju ATP i s pomoću energijeoslobođene pri toj hidrolizi izbacuju se protoni napolje. U citoplazmi pH ide navrijednost 7,0. Stvara se protonski gradijent, stvara se napon od -120mV. Protonise žele vratiti natrag u stanicu. Budući da je u stanici negativni naboj i kationižele ući u stanicu, gibanje kationa je uvjetovano negativnim potencijalom. Kakoprotoni prolaze unutra, oni sa sobom mogu ponijeti saharozu (kotransport ilisimport). Dakle, saharoza je uvučena energijom toka protona. Može se dogoditida proton ide unutra, a kation ide vani, pa to zovemo antiport, a ako s protonomide i anion to je simport.Kod tonoplasta nalazimo ATP-aze. Ovdje protoni ulaze u vakuolu gdje uzrokujukiseli medij (pH=5,5), stara se potencijal od -90mV. Kada proton izlazi vanikationi i saharoza ulaze kotransportom unutra. Anioni kotransportom ulaze uvakuolu jer su mali i lako prolaze.Kanalni proteini i nosači funkcioniraju kao selektivne pore u membrani. Veličina igustoća pora i povišenje naboja u njihovoj unutrašnjosti određuju njihovutrasnportnu specifičnost. Molekule koje mogu proći kroz kanale čine to kroz samepore.Za nitrate i fosfate postoje kontroverze – ulaze li preko simporta ili su tjeraniprimarnim crpkama? Kalijev ion može ući aktivno, ali i pasivno (difuzijom). 37
  • 38. Tvari se moraju vezati na aktivno mjesto na proteinu nosaču. Dolazi do promjenekonformacije proteina (promjene steričnosti). Supstrat i aktivni centar moraju sepo svojoj arhitekturi poklapati. Enzimi se sa supstratom mogu vezati kovalentnomvezom ili nabojima ili može supstrat fagocitirati enzim u sebe.Izosterični enzimi imaju jedno mjesto na kojem primaju ili supstrat ili inhibitor, dokalosterični enzimi posjeduju dva mjesta – jedno za supstrat, drugo za inhibitor.Ako se prvo veže inhibitor, apoferment enzima mijenja steričnost pa se supstratne može vezati. To je tzv. T-stanje (eng. tension – napeto). Postoji i R-stanje(eng. relax – opušteno). Kada se prvo veže supstrat onda dolazi do enzimatskereakcije.Dok se niz enzima sastoji samo od proteina, drugim enzimima potrebne su jošdodatne tvari tzv. kofaktori. Pri tome može biti riječ o metalnim ionima ili oorganskim spojevima. Ako su kao kofaktori potrebni organski spojevi nazivamo ihkoenzimima. Zajednički sklop enzima i kofaktora naziva se holoenzim, a samproteinski (enzimatski neaktivan) dio apoenzim (apoferment).Primanje tvari u aerobnih i anaerobnih bakterijaAerobne bakterije imaju respiratorni lanac kojim dobivaju energiju za protonskigradijent. Kada se protoni vraćaju u stanicu, nose šećere, aminokiseline... Zasvaki proton koji uđe unutra, Na+ izlazi vani.Kod anaerobnih bakterija nema respiratornog lanca – odvija se samo glikolizakoja daje 2 ATP-a. Oni služe za izbacivanje protona i uspostavu protonskoggradijenta. Kada se protoni vračaju nazad, oni nose „hranu“ sa sobom.Stanica kao otvoreni sistemZa odvijanje reakcija u stanici potrebna je energija aktivacije. Zato se odvijajusamo reakcije koje su energetski moguće. Stanica je jedan otvoreni sistem,djeluje kao protočni sistem koji je u stegi s 5 ravnoteža.Ako u čašu stavimo vodu, dobili smo zatvoreni sistem u kojem voda ne vršinikakav rad. Vodu možemo staviti u posudu u kojoj možemo regulirati protok iistjecanje vode. Voda koja ističe može vršiti neki rad, npr. okretati turbinu.Dinamička ravnoteža (ΔG = ΔH – T ΔS) je ono stanje otvorenog sistema u kojemon proizvodi najmanje entropije, tj. uz najmanju potrošnju energije vrši i održavastanje najvećega reda.Samo sistem koji teče ka ravnoteži ima sposobnost oslobađanja energije. Zato jeu svim živim stanicama situacija takva da se sustav ravnoteži kontinuiranopribližava, ali je nikad ne dostigne. Koncentracije kemijskih komponenata se ustanici čine stacionarnim, one su u dinamičkoj ravnoteži u kojoj početnasupstanca ulazi u stanicu u istoj veličini u kojoj krajnji produkt izlazi iz stanice.ΔH = T ΔSΔG = 0 – termodinamička ravnoteža u stanici znači smrtKatalizator u otvorenom sistemu ne samo da utječe na brzinu uspostavljanjaravnoteže, već i na položaj ravnoteže. Zato se u živoj stanici promjena aktivnostinekog katalizatora (enzima) ispoljava u mnogo većem opsegu nego samo nareakciji koju katalizira. 38
  • 39. REGULACIJA ENZIMSKE AKTIVNOSTIPostoji niz spojeva koji imaju utjecaj na aktivnost enzima (efektori) i topospješujući (aktivatori) ili kočeći (inhibitori). Cilj je regulacije mijene tvari uskladu trenutnim potrebama. In vivo reakcije koče se uglavnom supstratima kojise u izmjeni tvari nalaze iza regulirane inhibicije, tako da inhibitori blokiraju svojvlastiti postanak (povratna sprega, kočenje, feedback). Naprotiv, reakcijepospješuju supstrati koji su supstrati za pretovrbu, ti aktivatori stoga pospješujusvoju preradu (unapredna sprega, pozitivna sprega, aktiviranje, feed forward). Uoba slučaja spriječeno je prejako nagomilavanje metabolita.Postoje dva efekta: 1. Izosterički efekt – efektor zahvaća mjesto gdje se veže supstrat. To je npr. kompetitivna inhibicija – na aktivni centar veže se neka molekula slične građe kao i supstrat. Često su izosterička kočenja povratnom spregom npr. fruktoza koči invertazu (koja inače cijepa saharozu na glukozu i fruktozu), glukoza-6-fosfat koči heksokinazu prilikom stvaranje piruvata 2. Alosterički efekt – enzim koji se može alosterički regulirati je npr. rubisko. Uvijek je riječ o enzimima koji se sastoje od više podjedinica. Česta su alosterička kočenja povratnom spregom: tu produkt nekog lanca mijene tvari blokira neki enzim koji u slijedu reakcije djeluje mnogo prije i koji najčešće katalizira početak neke sekvence (kočenje enzimske aktivnosti krajnjim produktom). Npr. na biosintezu treonina djeluje treonin – on je alosterički inhibitor za enzim aspartokinazu (on regulira početnu reakciju u sintezi treonina). Na ovaj enzim djeluju i lizin i izoleucin i metionin (jer aspartokinaza djeluje i u njihovoj sintezi) Reakcija Kako više bočnih produkata koči neki enzim, tada nastaje problem ako se on „isključi“ kada jedna od tih tvari dosegne određenu koncentraciju iako postoji manjak druge tvari. Ta se dilema riješava izoenzimima tako da izoenzimi s različitim alosteričkim specifičnostima kataliziraju ključne reakcije. Izoenzimi su različiti oblici nekog enzima, oblici koji se npr. razlikuju po svom naboju. Izoenzimi se sastoje od dvije ili više podjedinica koje mogu biti ili jednake ili različite pa ih tada kodiraju različiti geni. Tako npr. postoje aspartokinaze 1, 2 i 3. One stimuliraju fosforilaciju aspartata: Reakcija Ako se stvori puno lizina onda to produktnom inhibicijom djeluje na aspartokinazu, izoleucin djeluje na treonin, a on na aspartokinazu 3. Izoenzimi laktat-dehidrogenaze imaju afinitet prema piruvatu, a u tkivima u kojima se odvija glikoliza taj je afinitet visok (u tkivima u aerobnim okolnostima je niži). Laktat-dehidrogenaza djeluje na piruvat kao primaoc elektrona pa tako uključi NADH2: ReakcijaAktivacija povratnom spregom je npr. povišenje aktivnosti fosfofruktokinazepomoću fruktoza-1,6-bifosfata.Aktivacija unaprednom spregom je npr. aktivacija fosfofruktokinaze pomoćufruktoza-6-fosfata ili aktivacija piruvat-kinaze pomoću fruktoza-1,6-bifosfata. 39
  • 40. REGULACIJA SINTEZE ENZIMAInformacija za primarnu strukturu enzima (slijed aminokiselina) sadržana je uDNA molekuli. DNA odsječak koji nosi informaciju za nastanak enzima nazivamostrukturnim genom. Najprije dolazi do replikacije DNA; potom se informacijatranskripcijom prenosi na mRNA; ta mRNA dolazi u ribosom i tu se sekvencijakodona u mRNA prevodi u jezik aminokiselina translacijom. Sinteza proteina kojegeni kodiraju može se inducirati ili reprimirati.Indukcija nastanka enzima pomoću supstrata postoji u svim stanicama. Takonitrat npr. inducira sintezu nitrat-reduktaze. Proces nastanka enzima čestoizaziva produkt reakcije koju enzim katalizira (produktna represija). To je nađenonpr. kod enzima koji kataliziraju biosintezu aminokiselina.Gene koji kodiraju neki induktivni enzim (tzv. strukturni geni) aktivira induktor.Pored tih strukturnih gena uključeni su još promotorsko područje na koje se vežeRNA-polimeraza i gen operator. Cjelokupan kompleks strukturnih , promotorskih ioperatorskih gena zovemo operon. Operon se nalazi pod kontrolom regulatornoggena koji djeluje preko efektora – protein represor. Kod lac-operona efektor jeprotein koji se veže s operatorskim genom te time isključi transkripciju operona.To je represija.Laktoza uzrokuje promjenu sterične konfiguracije represorskog proteina koji višene pristaje uz operaterski gen pa represija prestaje tj. dolazi do indukcije.Par sati nakon klijanja u skutelumu nalazimo mRNA za sintezu. Ako za vrijemeklijanja dodamo fosfor neće doći do nastanka fitaze jer ona neće biti potrebna tj.ima dovoljno fosfata.OPĆENITO O FOTOSINTEZIFotosinteza u zelenoj biljci je kvalitativno i kvantitativno najvažniji biokemijskiproces na Zemlji. To postaje jasno kad shvatimo da sva živa bića koja nisusposobna za fotosintezu žive posredno ili neposredno od asimilata biljaka.U kvalitativnom smislu fotosinteza je najvažniji proces na Zemlji jer se u tomprocesu veže sunčeva energija i pomoću CO2 i H2O nastaju organski spojevi.Smatra se da je od presudne važnosti baš vezanje sunčeve energije, a ne CO2 iH2O jer su oni ionako postojeći na Zemlji. Ti organski spojevi služe kao hranasvim ostalim organizmima.U kvantitativnom smislu fotosinteza je važna jer se svake godine u tom procesuveže 200 – 500 bilijuna tona CO2. Ciklus CO2 je u kvantitativnom smislu drugi poveličini, odmah iza ciklusa vode. Često je fotosinteza nazvana i asimilacija, ali tobaš i nije najtočnije. Naime, CO2 se asimilira, ali sam naziv asimilacija ne ističesunčevu energiju koja je tu uključena.Proces fotosinteze općenito možemo formulirati ovako:2nH2O + nCO2 (CH2O)n + nO2 + nH2OPri tome n redovito iznosi 6 pa slijedi:12H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 40
  • 41. Udio CO2u atmosferi iznosi oko 0,03% i često je za drveće i stablašice to element(faktor) u minimumu; trave uglavnom ne pate od ovog deficita. Kažemo da jekoličina CO2 u zraku suboptimalna.Na ulaženje CO2 utječe otpor graničnog sloja lista. Naime, iznad lista se pritranspiraciji stvara sloj vodene pare. Veća ili manja otvorenost puči takođerstvara otpor ulasku CO2.Izraz za difuziju CO2:Δc – razlika koncentracije CO2 u zraku i u kloroplastuRa – otpor graničnog slojaRs – otpor puči (ako su i otvorene pri punoj transpiraciji isto daju otpor)Rm – otpor mezofilnih stanica (često se množi sa 1,56 – otpor vode)Svjetlost koju biljka dobiva je sunčeva svjetlost. Na Suncu se odvijaju nuklearnereakcije fuzije: spajaju se 4H+ i nastaje He. Pri tome se oslobađaju pozitroni ienergija. Dio mase pretvori se u energiju i to 0,029 jedinica mase. Ta se energijazrači od Sunca i u obliku kvanta svjetlosti ili fotona dolazi na Zemlju. Kvanti sunajmanje jedinice svjetlosti koje se mogu apsorbirati.Shvatilo se što se događa sa sunčevim spektrom kada dođe na Zemlju. Sunčevspektar sastavljen je iz zraka kratkih valnih duljina: od UV-zraka, od vidljivogdijela spektra, od IR-svjetla i od radio valova. Znamo da što je val kraći energijamu je veća. Tako UV-zrake imaju veću energiju od vidljivog dijela spektra, ali ihbiljke ne apsorbiraju (UV-zrake „ubijaju“ stanice).1mol po kvantu = 6,02 1023kvantaValna duljina od 600nm = 57mol/kvantValna duljina od 700nm = 41mol/kvantPočetna valna duljina vidljivog svijetla je 390nm, a energija je 71,5kcal.Biljke apsorbiraju sve valne duljine vidljivog spektra, ali zelenu izrazito slabije.Kratke IR-zrake slabo se apsorbiraju, a refleksija im je maksimalna. To je dobrojer su kratke IR-zrake štetne – list bi se pregrijao ukoliko bi ih apsorbirao.Za razliku od kratkovalne, dugovalna IR-svijetlost se dobro apsorbira u svimbiljkama.Zašto je u šumama hladno? Tu, naime, do izražaja dolazi tzv. „hladna sjenašuma“ – kratkovalna IR svijetlost koja dolazi od sunca biva reflektirana uatmosferu i zato je hladno. Sve molekule zraka u kontaktu sa listovima primajutoplinsku energiju od lista i tako se list hladi. Primanje topline iz lista nazivamokondukcija, a podizanje ovako zagrijanog zraka konvekcija. 41
  • 42. Djelovanje svjetlosti na biljku Plavi dio spektra utječe kod biljaka na fototropna zakrivljenja. Crveni dio utječe na klijanje sjemenki – kada su pod utjecajem crvenog dijela spektra neke biljke bolje klijaju zbog fitokroma (pigment u citoplazmi) u vršku embrija. Naime, djelovanje fitokroma pospješuje vidljiva svjetlost.BILJNI PIGMENTI – FOTOSINTETSKIZa fotosintezu su odgovorni biljni pigmenti locirani u kloroplastima koji suporedani uz staničnu stjenku kako bi apsorbirali što više svijetlosti. Kloroplasti suu presjeku diskoidalni, a sastoje se od tilakoidnih grana i strome. 1. Klorofil Samo apsorbirana svjetlost može postati kemijski djelotvorna. Kod svih fotoautotrofnih organizama odlučujući pigment za apsorpciju je klorofil. Od svih klorofila pri fotosintezi najveće značenje ima klorofil A, a potom B, C i D. Molekula klorofila ima 4 pirolova prstena vezana u porfirinski prsten u čijem je središtu Mg2+, te od fitolnog repa. Porfirinska jezgra je hidrofilna, a fitolni rep (bogat –CH3) je hidrofoban. U kratkovalnoj UV svjetlosti klorofili fluoresciraju živahno crveno. Na prvom pirolovom prstenu nalazi se vinilna skupina. Ako je na drugom pirolovom prstenu vezana metilna skupina to je klorofil A; ako je na drugom pirolovom prstenu vezana aldehidna skupina to je klorofil B. Klorofili imaju još i specifični pentanonski izociklički prsten na trećem pirolovom prstenu. Klorofil B na četvrtom pirolovom prstenu ima propionsku kiselinu na koju je esterski vezan alkohol fitol (C20H39OH). Klorofil C nema fitol, a klorofil D umjesto vinilne skupine ima na prvom pirolovom prstenu formilnu skupinu. klorofil A klorofil B 42
  • 43. Zbog sadržaja dvostrukih veza klorofil dobro apsorbira svjetlost. U dvostrukim vezama su tzv. Π-elektroni koji ne pripadaju samo jdnom C- atomu već susjednim C-atomima pa mogu „kružiti“ po molekuli klorofila. Ti se elektroni mogu pobuditi vidljivom svjetlošću. Naime, Π-elektroni konjugiranih dvostrukih veza smanjuju razmak između energetske razine osnovnog i prvog pobuđenog stanja. Stoga omogućuju energijom siromašnim fotonima (fotoni s dugom valnom dužinom) da pobude molekulu – zato pigmentne moelkule apsorbiraju u vidljivom dijelu spektra. Oni spojevi koji se pobude vidljivom svjetlošću su obojeni spojevi 2. Karoteni i ksantofili Karoteni su žuto, narančasto ili crveno obojena lipofilna bojila (lipokromi). Najraširniji je β-karoten; krajevi lanca su mu, kao i kod drugih karotena, u vanjskim prstenima (β-ionski prsteni). Između njih su konjugirani dvostruki vezovi na kojima su –CH3 skupine. Ovaj se karoten u našem tijelu cijepa na dvije molekule vitamina A. Postoje i druge vrste karotena: α-karoten (ima jedan α i jedan β ionski prsten) – daje jednu molekulu vitamina A. Likopen karoten sa otvorenim lancem daje boju pomi i šipku, topiv je u masti. Ksantofili imaju –OH skupine i mogu se lako separirati od karotena te su topivi u polarnim otapalima. 3. Fikobili proteidi Ovdje spadaju fikocijan (modri, modrozelene alge) i fikoeritrin (crveni). Pojavljuju se u mješavinama nestalnih omjera kod modrozelenih algi, crvenih algi i Cryptophycales-a. Prekrivaju klorofil. Sastoje se od tijela proteina na koji je bojilo (fikocijanobilin ili fikoeritrobilin) kovalentno vezano. Topivi su u vodi. FOTOSINTETSKI PIGMENTI BILJAKASkupina biljaka klorofili karoteni ksantofili fikobilini A B C D α β liko. lut. fukoks. fikocij. fikoeri.Više biljke + + + + + +Mahovine + +Zelene alge + + + + +Dinoflagelate + + + + +Silikatne alge + + + +Smeđe alge + + + + + +Crvene alge + + + + + +Zlatnožute alge + + + + +Modrozelene alge + + +Fotosintetske bakt. + + + +Distribucija pigmenata kod biljakaPrvi dio spektra apsorbiraju klorofili A i B, karoteni i ksantofili. Klorofili A i Bapsorbiraju i u crvenom dijelu spektra. U plavom dijelu spektra krivuljefotosinteze i apsorpcije se ne poklapaju jer se sva svjetlost koju karoteni iksantofili apsorbiraju koristi za fotosintezu. U nekim nižim algama može 50% tesvjetlosti biti u fotosinetezi. 43
  • 44. Kada neki atom primi svjetlost, on prijeđe u pobuđeno stanje. Elektron seodmakne u daljnju orbitalu i tu ostane 10-4s. Pri povratku nazad energija seoslobađa kao toplina i dio kao svjetlost (fluorescencija). Molekula klorofila ima tusposobnost. Kada se pobudi, molekula prelazi u pobuđeno stanje u viduodređenih vibracijskih stanja.Apsorpcija 490nm (plava svijetlost) uvjetuje jako pobuđeno stanje tzv. trećesingulentno stanje. Pri povratku iz trećeg u prvo singulentno stanje (ima oko41kcal) oslobađa se energija kao tzv. inertna toplina koja nema nikakvu svrhu.Tek kada se elektron vraća iz prvog singulentnog u osnovno stanje, ona energijakoja se tada oslobodi koristi se za fotosintezu. Dakle, crvena svjetlost radi„ekonomičnije“.Apsorpcija 670nm (crvena svjetlost) uvjetuje pobuđivanje u prvo singulentnostanje.Kada gledamo biljku ne vidimo crvenu fluorescenciju jer se oslobađa samo 3 –5% energije, a to je premalo da bi tu fluorescenciju zapazili. Može se osloboditisamo toplinska energija i to kada elektron iz prvog singulentnog stanja ide u prvotripletno, a potom u osnovno.FOTOKEMIJSKE OSNOVESvjetlost određenih valnih duljina djeluje pomoću elektronskih pobuda na atomeili molekule.Molekule klorofila, kako smo rekli, imaju dvostruke ili Π-veze u kojima elektronikruže između susjednih C-atoma. Kada pobudima molekulu, elektron prelazi uviše energetsko stanje (prvo singulentno kod crvene svjetlosti ili trećesingulentno stanje kod plave svjetlosti). Pri povratku u osnovno stanje oslobađase energija kao svjetlost (fluorescencija) ili kao toplina.Fluorescencijom se u fotosintetskom aparatu gubi 3 – 6% apsorbiranih fotona, tj.3 – 6% apsorbiranih fotona ponovno se odzrači fluorescencijom. Kod klorofila taje fluorescencija crvena. Naime, neovisno o dužini vala apsorbiranog fotonafluorescentna je svjetlost klorofila uvijek crvena jer se kvanti emitiraju uvijek priprijelazu iz prvog singulentnog stanja u osnovno stanje. Za fotosintezu jenajvažnije prenošenje pobuđene energije (ekscitoni) s pobuđene na susjednemolekule. To se zbiva u fotosistemima I i II. 44
  • 45. Fotosistemi (pigmentni sistemi) sastoje se od tzv. antenskih pigmenata ipigmenta zamke. Antenski pigmenti služe za hvatanje i provođenje svjetlosti svedo redukcijskog centra u kojem se nalazi pigment zamke.Fotosistem I ima pigment zamke P700 (max. apsorpcija klorofila A je 700nm), afotosistem II ima P680 (max. apsorpcija je 680nm). Dva fotosistema se nerazlikuju samo po apsorpcijskom spektru pigmenta zamke već i po sastavuantenskih pigmenata: fotosistem II je bogatiji klorofilom B.Foton ili kvant svjetlosti padne na karotene (ksantofile) i te molekule prijeđu upobuđeno stanje. Apsorbira se foton one energije koja je dovoljna da se elektronizbaci u višu energetsku orbitalu. Viša energija se neće apsorbirati. Elektron senakon 10-4s vraća u osnovno stanje i pri tome se dio energije gubi kao toplina ilikao fluorescencija. Za fotosintezu je važno prenošenje pobuđene energije nasusjedne molekule.Da bi pobuđena molekula mogla pobuditi drugu molekulu moraju biti zadovoljenineki uvjeti: 1. molekula u osnovnom stanju mora se nalaziti u tzv. donjem vibracijskom stanju unutar prvog singulentnog stanja. Ona će predati energiju samo onoj molekuli koju takva energija može pobuditi. 2. prilikom prijelaza pobuđene energije s davaoca na primaoca, moraju se fluorescencijski spektri molekule davaoca i primaoca poklapati 3. molekule davaoca i primaoca moraju se nalaziti jedna blizu druge (na manje od 10nm). Zbog toga su molekule klorofila gusto poredane. Prijelaz pobudne energije (ekscitona) s molekule na molekulu vjerojatno se ostvaruje rezonancijom između davaoca i primaoca. Pri prijelazu pobuđene energije s molekule na molekulu uvijek se gubi dio energije pa je energija prema Stokesovom zakonu sve manja i manja, a valna duljina sve veća.Kada pobudna energija pobudi pigment zamke, njemu se odbija elektron kojegprihvaća neki akceptor (feredoksin (F.S.1) ili plastokinon (F.S.2)).Klorofil A najvažniji je od svih klorofila. Izvršen je pokus sa klorofilima A i B.Naime, monomolekularne slojeve klorofila A i B osvijetlili su svjetlošću koju jemaksimalno apsorbirao klorofil B. No, došlo je do fluorescencije klorofila A.Izveden je zaključak da je klorofil B apsorbirao svjetlost i predao je klorofilu A.Π-elektronima dovoljna je energija vidljive svjetlosti da prijeđu u Π* (pobuđeno)stanje jer su oni labavo vezani. Zato su mnogi spojevi s dvostrukom vezomobojani. Jednostruke veze su čvršće i elektroni u njima pobude se UV-zračenjem.U kolikoj se mjeri apsorbirana svjetlost koristi u fotosintezi?Smatra se da sva apsorbirana svjetlost u plavom dijelu spektra pomoću karotenai ksantofila ne sudjeluje u fotosintezi.Postojanje dva fotosistema u viših biljaka dokazao je Emerson:Chlorellu je izložio svjetlosti od 710nm (crvena) i intenzitet fotosinteze mjerio postvorenom kisiku. Potom je istu algu osvijetlio svjetlom od 660nm i izlučivanjekisika bilo je još veće. Kada je osvijetlio algu s obje valne duljine istovremeno,izlučivanje kisika bilo je veće od zbroja izlučivanja s pojedinom valnom duljinom.To je tzv. Emersonov efekt – dokazano je postojanje dva fotosistema. Danas se 45
  • 46. smatra da su u stromi tilakoidnih membrana smješteni fotosistemi I, a u granumutilakoida fotosistemi II.REAKCIJE FOTOSINTEZEObično se procesi fotosinteze dijele na primarne i sekundarne. Primarne reakcijefotosinteze odvijaju se na svjetlu i to u granulumu tilakoida. Sekundarne reakcije(tzv. Calvinov ciklus) odvijaju se u stromi kloroplasta. Ponekad se sekundarnereakcije nazivaju i reakcije u tami iako bolje teku ako na njih djeluje svjetlo.PRIMARNE REAKCIJE FOTOSINTEZE1940. Hill i Scawysbrick su uspjeli odvojiti primarne i sekundarne reakcije (dotada se mislilo da su nerazdvojne) – smrvili su lišće, otopili u puferu te su ususpenziju dodali ferioksalat i fericijanat. Suspenziju su osvijetlili – došlo je doizlučivanja kisika što je trajalo sve dok je bilo slobodnih ferit-iona (Fe3+). Kada suse ferit-ioni izreducirali u fero-oblik (Fe2+), izlučivanje kisika je prestalo. To jedokazalo da su se primarni procesi mogli odvijati bez prisustva CO2, ako sedodaju akceptori za elektrone. To je tzv. Hillova reakcija. Pri toj reakciji nijepotreban nikakav donor elektrona osim vode; CO2 uopće ne sudjeluje. Osimtoga, ova nas reakcija upućuje na podrijetlo O2 iz reakcije fotosinteze – taj kisikpotječe iz vode.2H2O + 2 akceptora elektrona 2AH2 + O2Voda može biti donor elektrona zahvaljujući fotolizi vode:4H2O 4OH- + 4H+4OH- 4(OH) + 4e- -4(OH ) 2H2O + O22H2O 4H+ + 4e- + O2 (potreban za disanje ali može biti opasan zbog superoksidnog radikala)Za fotolizu vode treba 114kcal/mol kvant. Tu bi energiju biljka mogla primitiapsorpcijom UV svjetlosti, ali ona ubija stanice. Stoga biljka apsorbira 3 kvantacrbene svjetlosti (600 – 700nm), a svaki kvant ima 41kcal/mol kvant.Objasnili smo kako apsorbirana energija putuje antenskim pigmentima doreakcijskog centra. Kad svjetlost padne na P700 (pigment zamke), on prelazi uviše pobuđeno stanje i preda elektron nekom akceptoru (vjerojatno feredoksin zafotosistem I ili plastokinin za fotosistem II). Od akceptora može elektron krenutirazličitim putevima: 1. Neciklički transport (neciklička fosforilacija) u granumu Akceptor (feredoksin) pobuđeni elektron prenosi tj. šalje ka nižim energetskim razinama (tzv. transport nizbrdo) do NADP+ kao krajnjeg akceptora elektrona. Najprije se P700 mora pobuditi i izgubiti elektron. Kada P700 izgubi elektron, postaje P700+. Manjak svog elektrona mora nadoknaditi. To osigurava pigmentni sistem II – taj sistem apsorbira svjetlosno kvant ćime P680 postaje pobuđen. Pobuđeni P680 svoj elektron vjerojatno šalje plastokininu 46
  • 47. citokrom f plastocijanin P700+. Time je P700 nadoknadio manjak + svog elektrona, a P680 treba sad nadoknaditi manjak svog. On taj manjak nadoknadi elektronima iz fotolize vode. Redoks razlika između plastokinina i citokroma dovoljna je da pri protoku elektronskog para nastane 1 ili 2 ATP-a Za redukciju NADP+ u NADPH+H+ potrebna su 2 elektrona i 2 protona (protoni se uzimaju iz medija) 2. Ciklički transport (ciklička fosforilacija) u stromi tilakoida U cikličkom transportu sudjeluje samo fotosistem I. Ukoliko se dogodi da nema oksidiranog NADP+, tada će elektron ići od feredoksina na citokrom b6 pa na plastocijanin (ili na citokrom f – ne zna se). Od plastocijanina elektron ide na P700+. Kažemo da elektroni prave krug. I ovdje se „trčanej nizbrdo“ koristi za stvaranje ATP-a 3. Pseudociklički transport Ako u fotosistemu II parcijalni tlak kisika prijeđe određenu granicu, tada će elektron ići na kisik, a ne na NADP+ - nema ATP-aKako se stvara ATP?Na ovo pitanje odgovor daje tzv. kemiosmotska hipoteza po Mitchellu – svjetlostpotiče tok elektrona u tilakoidnoj membrani, ali i rastavljanje naboja izvan temembrane.Kada sunčeva svjetlost dođe na tilakoidnu membranu, dolazi do fotolize vode.Plastokinon djeluje kao shuttle sistem – elektrone predaje citokromima, a protoniidu u unutrašnjost tilakoida (tu je pH = 5,6), dok je u stromi pri svjetlosti pH =7,95. Svjetlost je dakle dovela do razdvajanja naboja pa se stvorio protonskigradijent. Budući vlada napon između H+ u unutrašnjosti tilakoida i OH- u stromi,stvara se potencijal pa je tu uskladištena energija. Protoni se žele vratiti (i sa OH-dati H2O) i pri povratku moraju proći kroz tilakoidne membrane. Te tilakoidnemembrane propusne su za protone na onim mjestima gdje su ATP-aze. Protoniprolaze kroz taj uski prostor i energija toka protona se ugradi u ATP. 47
  • 48. To su bile, dakle, primarne reakcije fotosinteze. Tu je svjetlost imala zadaću dapripremi reakcijske ekvivalente (NADPH+H+) i ATP, tj. asimilacijsku snagu.Dakle, sunčeva energija ugradila se u vidu ATP-a. Nakon toga slijedesekundarne reakcije.SEKUNDARNE REAKCIJE FOTOSINTEZEFiksacija i redukcija CO2.Za reakcije CO2 svjetlost nije izravno potrebna. Za redukciju 1 molekule CO2treba 2NADPH+H+ i 3ATP. Sumarno, za redukciju 6 CO2 treba 12NADPH+H+ i18ATP.6 CO2 + 18ATP + 12NADPH+H+ C2H12O6 + 18ADP + 12NADP+ + 18PiSlijed reakcija redukcije CO2 kompleksan je i obuhvaća veći broj enzimatskikataliziranih faza 1. Faza karboksilacije Pentoza riboza-fosfat prima 1 fosfat iz ATP-a – nastaje ribuloza-1,5- bisfosfat (RuBP). Na taj šećer može enzim ribuloza-bisfosfat-karboksilaza (RuBisko) vezati CO2 iz zraka. Dakle, RuBP je akceptor za CO2 ; kada se CO2 veže na RuBP nastaje heksoza koja se pod utjecajem vode i sunčeve svjetlosti raspada na dvije molekule 3-fosfoglicerata. 2. Redukcijska faza U ovoj se fazi 3-fosfoglicerat pretvara u gliceraldehid-3-fosfat, a za to se treba unositi energija. Zato se3-fosfoglicerat fosforilira, tj. veže se ATP. Nastaje 1,3-bisfosfoglicerat. Tek se tada izvrši redukcija pomoću NADPH+H+ uz enzim gliceraldehid-fosfat-dehidrogenazu. 3. Faza regeneriranje akceptora Da bi se fiksiranje i redukcija CO2 mogli nesmetano kontinuirano odvijati, mora se akceptor za CO2 (RuBP) regenerirati. Time je ova asimilacija CO2 u fotosintezi postala kružni proces kojeg nazivamo Calvinov ciklus ili reduktivni pentoza fosfatni ciklus (RPPC). Kao rezultat regeneracije dobije se 6RuBP.Obrada primarnih produkata fotosintezeFosfogliceraldehid lako ide u dihidroksiacetonfosfat koji je keton i lako dajeheksoze (fruktozu), pentoze, tetroze, heptoze... Prema današnjim predodžbamaupotreba primarnih produkata fotosinteze potječe u prvom redu od trioza-fosfata iheksoza-fosfata.Kondenzacijom dvaju trioza-fosfata (gliceraldehidfosfat i dihidroksiacetonfosfat)nastaje heksoza-fosfat, npr: fruktoza-1,5-bisfosfat. Naknadnim otcjepljenjemfosfatnog ostatka sa friktoze-1,6-bisfosfat nastaje fruktoza-6-fosfat:fruktoza-1,6-bisfosfat fruktoza-6-fosfat 48
  • 49. Fruktoza-6-fosfat se pomoću fosfoheksa-izomeraze pretvori u glukozu-6-fosfat, aona pomoću fosfoheksa-glukomutaze ide u glukozu-1-fosfat:fruktoza-6-fosfat glukoza-6-fosfat glukoza-1-fosfatGlukoza-1-fosfat pomoću pirofosfataze reagira sa ATP-om i nastaje pirofosfat iADP-glukoza (ima cca. 7000cal). Prijenos glikozilnog ostatka s ADP-glukoze nanereducirajući kraj α-1,4-glukana katalizira enzim sintaza škroba.Nastaje kratki lanac (trisaharid) u kojem je α-1,4-veza. Ako se sintetiziraju kratkilanci (nerazgranjeni škrob) zovemo ih amilaza, a razgranjeni su amilopektini. Ugljiva postoje razgranati lanci glikogena koji je razgranjeniji od amilopektina. I ufotosintetskim bakterijama se u citoplazmi kao fotosintetski produkt izgrađujeglikogen.Od primarnih produkata fotosinteze (npr. trioza-fosfata, fosfoglicerata) ilimeđučlanova respiratornog ciklusa može se vrlo brzo sintetizirati veliki brojrazličitih skupina tvari, npr. organske kiseline, aminokiseline, komponentenukleinskih kiselina...Ako se otpremanje produkata fotosinteze ne može odvijati jednako brzo kao inastajanje, tada se višak gomila u stromi kloroplasta u obliku škroba. Taj primarniili asimilacijski škrob najčešće se u tamnoj fazi potpuno razgradi (tranzitorniškrob), a produkti se otpreme dalje. Sinteza škroba počinje, kao i sintezasaharoze, od glukoza-1-fosfata i ATP (nastaje ADP-glukoza). To se odvija ukloroplastima, kao i u amiloplastima (leukoplasti koji u spremišnim organima itkivima izgrađuju iz šećera škrob). 49
  • 50. Kad se škrob noću razgradi (pomoću fosforilaze) do glukoznih jedinica, a potomdo trioza-fosfata (dihidroksiaceton-fosfat i fosfogliceraldehid) oni mogu izaći izkloroplasta. Njih prenosi grupno specifični nosač u unutrašnjoj membranikloroplastne ovojnice – phosphat-carrier. U citoplazmi iz trioza-fosfata nastajesaharoza. Naime, od trioza-fosfata nastaje heksoza fruktoza-6-fosfat koji ide uglukozu-6fosfat, a ova ide u glukozu-1-fosfat.Glukoza-1-fosfat reagira sa uridin-3-fosfatom i nastane UDP-glukoza. UDP-glukoza zajedno sa fruktozom-6-fosfatom daje u citoplazmi saharozu. I ukloroplastima bi saharoza mogla nastati iz heksoza-fosfata i potom biti izdvojenau citoplazmi. To još uvijek nije konačno objašnjeno.Saharoza se floemskim transportom transportira u dijelove biljke koji je trebaju.Prije ulaska u amiloplaste saharoza se mora cijepati na trioza-fosfate koji sekondenziraju u heksoza-fosfat:fruktoza-6-fosfat glukoza-6-fosfat glukoza-1-fosfat + ATP ADP-glukoza + pirofosfatIz ADP-glukoze prijenosom glukoznog ostatka na α-1,4-glukan nastaje pričuvniškrob.OKSIDATIVNI PENTOZA-FOSFATNI CIKLUS (OPPC)OPPC je ciklus kod biljaka koji se odvija isključivo u tami i u kloroplastima icitoplazmi. Značenje ovog ciklusa je, s jedne strane u stvaranju NADPH + H+ kojije potreban za reduktivne sinteze, a s druge strane u pripremanju specifičnihšećernih fosfata za različite sinteze (nukleinske kiseline).Tri su enzma jedinstvena u OPPC-u, a u reduktivnom PPC-u nedostaju: 1. glukoza-6-fosfat dehidrogenaza (kad fali NADPH + H+) glukoza-6-fosfat ----------------------------------> 6-fosfoglukonat Ovaj se enzim inaktivira svjetlošću dok ga tama aktivira. Kada je omjer NAPDH + H+ / NADP+ visok (u osvijetljenim kloroplastima) OPPC se isključuje, a u kloroplastima se oslobodi put Calvinovom ciklusu. Ako je omjer nizak, OPPC se aktivira i time osigurava dobavljanje NAPDH + H+ 2. 6-fosfoglukonat-dehidrogenaza 6-fosfoglukonat --------------------------------------> ribuloza-5-fosfat Ovim drugim stupnjem je oksidativna faza ciklusa zaključena. Slijedi restitucijska faza gdje 6 molekula pentoza-fosfata daje 5 molekula glukoze-6-fosfata. Reakcije restitucijske faze značajne su što zajedno s dijelovima puta razgradnje glukoze do piruvata omogućavaju reverzibilne pretvorbe šećera do 3, 4, 5, 6 i 7 C-atoma jednih u druge 50
  • 51. 3. transaldolaza Prenosi dihidroksiacetonski ostatak šećera sa 7 C-atoma na trioza-fosfat. Nastaje fruktoza-6-fosfat i eritroza-4-fosfatUdio OPPC u razgradnji glukoze varira, a ovisi uglavnom o potrebi za NADPH +H+. OPPC je važna npr. pri klijanju.C4 TIP FOTOSINTEZEBiljke koje imaju samo RuBisko kao enzim koji veže CO2 nazivamo C3 biljke. Ufiziološkom smislu one imaju klasičnu građu lista (gornja epiderma, palisadniparenhim, spužvasti parenhim, donja epiderma). Ima biljaka (kukuruz, trave,šećerna trska) koje žive u vrućim područjima i prisiljene su pritvoriti puči. Da sefotosinteza ne bi zaustavila, razvile su poseban mehanizam vezanja CO2.Njihova anatomija lista je drugačija – vjenčasta anatomija lista. Žile su imobavijene ovojem velikih stanica čiji se kloroplasti razlikuju od kloroplastamezofilnih stanica. Naime, stanice žilnog ovoja imaju veće kloroplaste, bez granai obilno stvaraju škrob. Tu razliku u građi kloroplasta između mezofilnih stanica istanica žilnog ovoja nazivamo kloroplastni dimorfizam.Mehanizam prefiksacije ili mehanizam C4 dikarbonskih kiselina (Hatch-Slackovciklus) se tiče porodica: Asteraceae, Chaemopodiaceae, Euphorbiaceae iPoaceae. U kloroplastima se piruvat pomoću piruvatfosfat-dekarboksilaze i ATP-a pretvara u fosfoenolpiruvat (PEP). Taj PEP je akceptor za CO2 iz zraka. Priovom procesu nastane AMP.Kad je PEP vezao CO2 (pomoću PEP-karboksikinaze) nastala je oksaloctenakiselina (ima 4 C-atoma i 2 COOH skupine). Nastala OAA reducira se pomoćuoksalacetat-aspartat-transaminaze u asparaginsku kiselinu.Ova fiksacija CO2 te nastanak malata događaju se u mezofilnim stanicama.Nastali malat se plazmodezmijama prebaci u stanice žilnog ovoja. U stanicamažilnog ovoja malat se oksidira i dekarboksilira i nastane piruvat. Ovo se događa ustromi. Kod C4 vrsta nedostaju grane tilakoida u stanicama žilnog ovoja pafotosistem II ne funkcionira normalno tako da je spriječen transport elektrona odvode na NADP+. Stoga malat stanice žilnog ovoja opskrbljuje sa CO2 ali i sredukcijskim ekvivalentom. Kod C4 fotosinteze se u stanicama žilnog ovoja neoslobađa O2 (nema fotolize vode). 51
  • 52. Oslobođeni CO2 (nakon oksidacije i dekarboksilacije malata) se preko RuBiskoveže i preradi.Zašto je potreban ovaj tip prefiksacije CO2?Jer RuBisko više ne djeluje, a PEP-karboksilaza ima veliki afinitet prema CO2 paipak teče fotosinteza.Da bi CO2 mogao difundirati u list, mora savladati otpor. Izraz za računanje togotpora je:Q = ΔC / Ra + Rs + RmQ – difuzija CO2ΔC – razlika u koncentraciji CO2Ra – otpor graničnog sloja vodene pareRs – otpor pučiRm – otpor mezofila listaŠto su puči otvorenije, veća je transpiracija i otpor je veći. Kod C4 biljaka puči supritvorene i kroz njih ulazi minimalna količina CO2. Stoga PEP-karboksikinazamora imati veliki afinitet prema CO2, veći nego RuBisko. Znamo da Michaelisovakonstanta (Km) označava količinu supstrata kod koje će enzim koji razgrađuje tajsupstrat postići ½ maksimalne brzine reakcije.Za PEP-karboksikinazu Km je 70 µmolZa RuBisko Km je 460 µmolMaksimalni postotak CO2 u zraku kod kojeg se još vrši fotosinteza je 0,3%, anakon toga se oštete kloroplasti. Minimalna koncentracija je 0,008% CO2.Zahvaljujući velikom afinitetu PEP-karboksikinaze prema CO2, C4 biljke održavatće fotosintezu i pri onim koncentracijama CO2 gdje RuBisko praktički više nedjeluje.Kroz pritvorene puči ulazi manje CO2, ali opet dovoljno za PEP-karboksikinazu. Ukloroplastima mezofila treba 5ATP + 2NADPH + 2H+, a u kloroplastima žilnogovoja treba 3ATP + 1NADPH + H+. Taj pojačani utrošak energije u mezofilnimstanicam omogućuje rad na koncentriranju CO2 u stanicama žilnog ovoja.Postoje tri tipa prefiksacije CO2: 1. NAD–malat enzimski tip – stvara se aspartat koji putuje iz mezofilnih stanica u stanice žilnog ovoja. Tu sudjeluju i mitohondriji. Ovaj tip C4 fotosinteze je evolucijski maksimum 2. PEP-karboksikinazni tip – troši samo 1 ATP 3. NADP-malatni enzimski tip (kukuruz, šećer, trska) 1. NAD–malat enzimski tip – posredstvom transaminaza u kloroplastima mezofila iz oksaloacetata nastaje aspartat prenosi se plazmodezmijama u stanice žilnog ovoja u kojima se najprije deaminira pa nastaje oksaloctena kiselina koja se reducira u malat u mitohondrijima pomoću NAD+-malat-dehidrogenaze malat se oksidativnom dekarboksilacijom pomoću NAD-malatnog enzima pretvara u piruvat uz oslobađanje CO2 koji odlazi u CLK piruvat se aminira pomoću transaminaze u alanin koji se vraća u mezofil i deaminira u piruvat. Utrošena su 2ATP, kloroplasti imaju gramum 52
  • 53. 2. PEP-karboksikinazni tip – troši samo 1 ATP – visoka aktivnost enzima aspartat- i alanin-transaminaza te PEP-karboksikinaze stvoreni oksaloacetat pomoću PEP-karboksikinaze u mezofilnim stanicama (u citoplazmi) se pretvara u aspartat aspartat prelazi u stanice žilnog ovoja gdje se deaminacijom stvara oksaloctena kiselina pomoću PEP- karboksikinaze i ATP-a se dekarboksilira oksaloctena kiselina uz nastanak PEP i oslobađanje CO2 koji odlazi u CLK. Troši se 1ATP bez sudjelovanja redukcijskog ekvivalenta3. NADP-malatni enzimski tip (kukuruz, šećer, trska) – u reakciji između PEP i CO2 posredstvom PEP-karboksilaze nastaje oksaloacetat koji se dalje reducira u malat pomoću malat-dehidrogenaze specifične za NADPH malat napušta kloroplast i plazmodezmijama odlazi u stanice žilnog ovoja gdje se u kloroplastu pomoću NADP-malatnog enzima oksidira i dekarboksilira. Oslobođeni CO2 veže se u CLK piruvat koji preostane nakon dekarboksilacije malata se vraća u mezofilne stanice, ulazi u kloroplaste i pomoću piruvat-fosfat-kinaze prelazi u PEP 53
  • 54. Kloroplasti mezofilnih stanica imaju ulogu stvaranja ATP-a i NADPH+H+ za nastanak PEP i malata. Kloroplasti žilnog ovoja nemaju grane pa ni P680 pa H+ za redukciju NADP+ donosi malat. Nema fotolize vode pa je O2 znatno smanjen što uz visoku koncentraciju CO2 potiskuje fotorespiracijuCAM METABOLIZAMMnoge biljke sa rezervnim staničjem za vodu (sukulenti) i to takve koje u istojstanici imaju kloroplaste i velike vakuole, stvaraju i gomilaju noću organskekiseline (uglavnom malat), a danju oslobađaju CO2 i redukcijske ekvivalente te senjima koriste u Calvinovom ciklusu. Ovaj metabolizam zastupljen je u prvom redukod krasulaceja pa se označava kao Crassulacean Acid Metabolism – CAM. No,osim Crassulaceae ovdje spadaju i neke Asteraceae, Cucurbitaceae,Lamniateae te golosjemenjača Welwitchia meirabilis. CAM je u principumodificirani C4 metabolizam, samo su prethodna fiksacija CO2 pomoću PEP-karboksikinaze i konačna prefiksacija vremenski ograničene (a ne prostorno kaokod C4 biljaka). Bilje s ovim mehanizmom žive u sušnim predjelima bez kiše izato su reducirale listove u trnove, a na epidermi imaju debelu kutikulu savoštanom prevlakom. Kod njih nema hlađenja transpiracijom pa to riješavajuvisokim sadržajem vode u tkivu. Puči su im danju zatvorene da ne bi došlo doprevelike transpiracije.Kako ove bilje održavaju fotosintezu?Noću, kada su puči otvorene, CO2 ulazi u citoplazmu. Pomoću PEP-kerboksikinaze CO2 se veže na PEP i nastaje oksaloacetat. OAA se reducira umalat (pomoću malat-dehidrogenaze koja ima koenzim NADPH + H+). Malat sezajedno sa protonima miče u vakuolu koja se tada zakiseli. Budući PEP-karboksikinaza ima veliki afinitet prema CO2, stacionarna koncentracija CO2 ustanici je niska (puči su otvorene).Ujutro malat izlazi iz vakuole i ide u kloroplast gdje se dekarboksilira i oksidirapomoću NADP+-malatnog enzima – NADP+ se reducira u NADPH + H+, a CO2 seoslobodi. Taj oslobođeni CO2 ide u Calvinov ciklus. Od malata je preostao piruvatkoji ima dva puta: 1. ostaje u kloroplastu i preko dana se pretvori u PEP 2. ulazi u mitohondrije gdje ulazi u Krebsov cilklus – CLKZašto PEP-karboksikinaza danju ne veže CO2?Rekli smo da se po danu malat oksidira i dekarboksilira. Pri tome se oslobodiCO2. Dnevni oblik PEP-karboksikinaze ima na aminokiselini serinu –OH skupinu.Takvu PEP-katrboksikinazu malat odmah inhibira (produktna inhibicija). Noćnioblik PEP-karboksikinaze na serinu ima –PO43- i zato nije osjetljiv na malat pamože vršiti fiksaciju CO2.Što se događa kad je opskrba vodom dobra?Onda CAM biljke iskorištavaju na svjetlosti CO2 dobiven pri razgradnji malata.Kada se zaliha malata iscrpi, otvaraju se puči da bi pomoću RuBisko fiksiralevanjski CO2. Za vrijeme suše puči se ne otvaraju pa je primanje CO2 na svjetluminimalno ograničeno. 54
  • 55. Zašto su puči danju zatvorene?Malat izlazi iz vakuole i u citoplazmi se oksidira u piruvat. Oslobađa se CO2(piruvat sa ATP-om daje PEP). Razvijeni CO2 se sporo troši jer se u kloroplstumora vezati u Calvinov ciklus. Stacionarna koncentracija CO2 u zapornicama jevisoka i puči su zatvorene.Otkud PEP noću?Noću se škrob iz kloroplasta razgrađuje do trioza-fosfata. Kondenzacijom trioza-fosfata nastaje fruktoza-6-fosfat pa glukoza-6-fosfat. Glikolizom može nastatipiruvat (ili OPPC-om), a piruvat sa ATP-om daje PEPAko Crassulaceae prenesemo u kontinentalne uvjete, one otvaraju puči i danju.Tada uopće ne koriste PEP-karboksikinazu. To se utvrdilo proučavanjem sastavaizotopa C13 i C15 u biljci.RuBisko ne voli teži izotop, a PEP-karboksikinaza ga dobro veže. Ukoliko u biljciima puno C13 onda je djelovala PEP-karboksikinaza, a ako ga u saharozi imamalo, onda je djelovao RuBisko.Endogeni biokemijski ritam izlaženja CO2Endogeni biokemijski ritam kontrolira unutrašnji sistem (unutrašnji sat) i prikonstantnim vanjskim uvjetima odvijaju se tjednima ili mjesecima.Biljci Kalanchöe fedschenkor skinuli su epidermu sa pučima (a biljka je bila uuvjetima slabe difuzije svjetla 2 – 3 dana) i primjetili su ritmičnost izlaženja CO2(kao da je danju izlazio, a noću se vezivao).Biljka je zadržala ritmiku izmjenedana i noći. To je značilo da postoje endogeni ritmovi biljaka.Kod bagrema zatvaranje listova ne traje točno 24 sata pa se to zove okodnevniritam (cirkodijalni ritam).ADAPTACIJA VODENIH BILJAKAC1 TIP FOTOSINTEZECO2 otopljen u vodi otopljen je sa CO2 iz zraka, ali u vodi je CO2 u obliku HCO3-.Da biljke u vodi ne bi patile od deficita CO2 one imaju nosač za HCO3- (hidrogenkarbonat ion). Taj nosač pokreće energija iz ATP-a. Kako HCO3- ne može proćikroz membrane kloroplasta mora se taj HCO3- razgraditi na CO2 i H+ pomoćuenzima karboanhidraze:CO2(g) CO2(aq) + H2O H+ + HCO3-Oslobođeni CO2 se veže u Calvinovom ciklusu:Kako su mehanizam nosača i karboanhidraze aktivnijji od RuBiska, na mjestuvezanja nalaze se 10 puta veće količine CO2 nego u okolini. 55
  • 56. Mehanizam nosača vodene biljke su izbjegle C4 mehanizmom. C1 tip bi biopodtip C3 mehanizma.Unutarnja ovojnica kloroplasta ne dozvoljava ni ATP-u ni NADPH2 da dođu docitoplazme, a citoplazma ipak treba energiju. Ta energija dolazi pomoćutransportnog metabolita, a to je dihdroksiaceton-fosfat – on izlazi iz kloroplasta ucitoplazmu i nosi sa sobom energiju. Dihidroksiaceton-fosfat se oksidira ukiselinu – oslobodi se energija u citoplazmi. Nastaje ATP iz ADP i Pi.FOTORESPIRACIJAC2 TIP FOTOSINTEZEDo fosforespiracije dolazi za vrijeme dana kada je vrlo niska količina količina CO2u zraku, a koncentracija O2 u listovima je vrlo visoka. Količina fotorespiracije jeobično viša od disanja. Treba naglasiti da ovaj proces ni po mehanizmu ni poorganelima ne liči na disanje.Fotorespiracija se odvija u kloroplastima. Kako nema dovoljno CO2, umjesto daRuBP veže CO2, dolazi do njegove oksidacije. Uz pomoć enzima ribuloza-bisfosfat-oksidaze RuBP se oksidira i nastane fosfoglikolna i 3-fosfoglicerinskakiselina. Fosfoglikolna kiselina se pomoću fosfoglikolat-defosfataze oslobodifosfata i nastane glikolna kiselina.Glikolna kiselina može se oksidirati u kloroplastima pomoću koenzima NADP+.On oduzima 2 vodika i nastane NADPH + H+, a od glikolata preostane glioksilnakiselina.Glikolna kiselina može prijeći u jedno mikrotjelešce zvano peroksisom i tu seoksidirati kisikom. Nastaje H2O2 i (ponovno) glioksilna kiselina. H2O2 se pomoćukatalaze razgradi do H2O i 1/2 O2. Glioksilna kiselina može se aminirati panastane glicin. Kondenzacijom 2 glicina te dekarboksilacijom može nastatiaminokiselina serin. No, ovo nije obavezno.Obavezna je razgradnja glioksilne kiseline na oksalnu, a potom se ova oksidirauz kisik do H2O2 ili se pak dekarboksilira, tj. izgubi CO2. Nastaje mravlja kiselina iona se oksidira i nastane nova molekula H2O2.Vidimo da se ovim reakcijama zapravo gube neto proizvodi fotosinteze. Jedinidobitak su zapravo aminokiseline. Ova fotorespiracija je intenzivna kod C3-biljaka jer C4 imaju PEP-karboksikinazu koja ima veći afinitet prema CO2. 56
  • 57. Kompenzacijska točka CO2 je ona količina CO2 koja se fotorespiracijom idisanjem oslobodi, a fotosintezom odmah veže. Za C3 iznosi oko 50 µl/l, a za C45 µl/l (omjer je µl CO2 na 1l zraka). Preko dana procesi fotorespiracije znatnonadmašuju respiraciju.FOTOSINTEZA U BAKTERIJAFotoautotrofne bakterije dijelimo na: 1. Chlorobacteriaceae (zelene-sumporne bakterije) Imaju pigment zamke P1050 (mala energija po kvantu). Ovdje spada rod Chlorobium. 2. Thiorhodaceae (purpurne-sumporne bakterije) Imaju P890. Tu spadaju Chromatium, Rhodospirillum, Rhodopseudomonas. Ove dvije skupine bakterija su striktni anaerobi pa im je donor elektrona H2S, a ne voda (jer bi se tada oslobađao CO2). One imaju samo fotosistem I pa vrše cikličku fosforilaciju. Pigment im je bakterioklorofil. 3. AThyordaceae (purpurne-nesumporne bakterije) Imaju P890 ali mogu tolerirati O2 iako preferiraju anaerobne uvjete. Kao donor vodika (za redukciju NAD+) i elektrona može im poslužiti jantarna kiselina. Jantarna kiselina + ATP + NAD+ fumarna kiselina + ADP + NADH + H+Redukcijsko sredstvo kod fotoautotrofnih bakterija nije NADPH + H+ već NADH +H+.Kako se prenose elektroni? • Ciklički Svjetlost pobudi P890 koji šalje elektron ka feredoksinu pa na ubikinon pa na citokrom c2 pa na citokrom 550. Taj pad energije dovoljan je za stvaranje ATP-a. Nakon citokroma 550 elektron ide na citokrom c2 i na P890+ • Neciklički Svjetlost pobudi P890 i ovaj šalje elektron preko feredoksina i flavoproteida do NAD+. Manjak elektrona P890+ nadoknadi elektronom iz H2S. 57
  • 58. CIKLUS KARBONSKE KISELINEKod fotolitotrofnih i fotoorganotrofnih bakterija postoji osim Calvinova ciklusa kaoput za preradu CO2 i reduktivni ciklus karbonske kiseline koji dobavlja različiteorganske kiseline i aminokiseline. Ovaj ciklus obuhvaća citratni ciklus kojiinverzno tjera asimilacijska snaga. Ukupno se u ovom ciklusu sintetizira 1molekula oksaloacetata iz 4 molekule CO2. Svaki od međuprodukata može seizlučiti iz ciklusa i ući u zaseban metabolizam.FOTOSINTEZA KOD ALGIKod jednostaničnih algi u moru fotosinteza je produktivna kao kod najboljihtropskih šuma. Često te alge danju svoje produkte izbacuju u ocean jer nemajumogućnost deponiranja rezervi. Noću mogu te produkte (aminokiseline, šećere)primati natrag. Ove alge ne stvaraju škrob nego masti koje ih čine laganima, asluže im kao antifriz. Ove alge mogu adaptivno stvarati mehanizme za primanjenitrata. Ovi su mehanizmi manje zastupljeni kod priobalnih formi (veće jezagađenje). One imaju mehanizam za odupiranje promjeni slanosti vode pamogu stvarati različite ugljikohidrate.Obzirom na prodornost svjetla, najbolje prodire plava svjetlost pa crvene alge idunajdublje u more, zelene alge idu pliće jer apsorbiraju crveni spektar.TRANSPORT ASIMILATAAsimilati nastaju asimilacijom CO2, a prenose se kao 10 – 20% vodena otopina usva tkiva koja ih ne mogu sama sintetizirati. Analiza sastava asimilata u biljkeRicinus communis dala je sljedeće rezultate: SUHA TVAR 100 – 125 mg/ml Saharoza 80 – 106 Reducirani šećeri (glukoza, fruktoza) / Proteini 1,45 Glutaminska kiselina + Malat - Ketokiseline ~2,0 PO43- 5,0 SO42- Malo (0,024 – 0,04) Cl- 0,62 NO3- - (reducirani na korijenu i listu) Bikarbonati + K+ 2,3 Na+ 0,0276 Ca2+ 0,09 Mg2+ 0,112 NH3 Malo jer su toksični Auksini Malo Giberelini Malo Citokinini - ATP + Vitamini + Nukleotidi + 58
  • 59. S obzirom na transportne šećere u floemu razlikujemo 3 glavna tipa biljaka: 1. vrste kod kojih je glavni transportni šećer saharoza. To su paprati, golosjemenjače, jednosupnice, a od dvosupnica su to mahunarke 2. vrste koje osim saharoze sadrže i oligosaharide reda rafinoza (rafinoza, stahioza, verbaskoza). Tu spadaju lješnjak, brijest, lipa. 3. vrste koje osim spomenutih šećera sadrže i šećerne alkohole – manitol (maslina), sorbitol (sorbus, riža), dulcit.Tri su načina transporta asimilata: 1. Transport na kratke udaljenosti – intracelularni transport. Brzine su oko 3cm/h, a mehanizam je difuzija 2. Transport na srednje udaljenosti – kroz tkiva. Dijelimo na simplastni (plazmodezmijama kroz protoplaste) i na apoplastni (kroz stanične stjenke). Transport može biti i strujanje otopine. Brzina ovog transporta je 1 – 6cm/h 3. Transport na velike udaljenosti – floemom. Asimilati se na velike udaljenosti prebacuju u relativno kratko vrijeme. To je moguće zato što su se razvili posebni provodni putevi – sitaste cijevi, a kod nižih biljaka njihovi ekvivalenti (stanice pratilice spojene s plazmodezmijama sa sitastim cijevima i odgovorne su za punjenje i pražnjenje sitastih cijevi). U sitastim cijevima ima malo Ca2+ pa se smatra da je posljedica toga nedostatak tonoplasta. Sitaste cijevi imaju sitaste ploče koje imaju sitasta polja – ti prolazi se mogu zatvoriti halazom. Tu je i floemski protein koji je važan za prolaz asimilata, ali i za zatvaranje cijevi kada biljna uš siše sok (tlak počne zatvarati cijev, a halaza dovrši zatvaranje). Stanice pratilice imaju zadebljanja i invaginacije stjenke čime se povećava površina plazmaleme pa se tako poveća i površina transporta tvari. Brzina putovanja asimilata u sitastim cijevima je 10cm – 1m/h, a kod bundeve 3m/h. Gustoća soka je 300mg/ml, a pH = 7,6 – 8,4.Koja je pokretačka sila za strujanje otopine?To je odgovorio Münch – fizičke osnove prikazao je u modelnom pokusu naosnovu kojeg je razvio tzv. teoriju tlačne struje.Uzeo je dva osmometra (u jendom je bila koncentrirana otopina šećera, a udrugom razrijeđena otopina šećera). U prvom je π bio -20atm, a u drugom je πbio -10atm. Spojio je osmometre, tlakovi su se željeli izjednačiti i dobio jezajednički tlak od 15atm. Ako je:ΨA = Ψπ + ΨP,tada jeprvi osmometar ΨA = -20 + 15 = -5atmdrugi osmometar ΨA = -10 + 15 = 5atmVoda struji u smjeru negativnijeg potencijala ka pozitivnijem: od prvog ka drugomosmometru. Dakle, kada se osmometre stavilo u vodu, voda je najprije ulazila uprvi pa onda u drugi osmometar 59
  • 60. Kažemo da je u prvom osmometru bio veći turgor. Prvi osmometar odgovarao bistanici koja proizvodi osmotski aktivnu tvar, a drugi bi odgovarao stanici koja gatroši (od izvora prema izljevu).Da bi došlo do kretanja tekućine u floemski element mora se ostvariti većarazlika u turgoru, tj. u otopljenim tvarima. U listovima je turgor veći (tu je velikakoncentracija asimilata koji osmotski vuku vodu). U dijelovima koji rastu asimilatise troše – sila sisanja je manja – turgor je manji. Tu imamo već uspostavljeniturgorski gradijent. Mjesto stvaranja asimilata nazivamo izvor (source), a jestogdje se troše asimilati izljev (sink). Za ostvarenje Münchove teorije moraju bitizadovoljeni neki uvjeti: a) da su sitaste cijevi prohodne u uzdužnom smjeru b) da su bočne stjenke selektivno permeabilne c) da postoji turgorski gradijentPoisseuille je dao formulu za floemski transport:F = Kr2 P1 – P2 / l nK – kvocijentr – radijus provodnog elementaP1 – tlak u izvoruP2 – tlak u izljevul – duljina putaη (eta) – viskoznost tekućineMünch je mislio da je najveći turgor u stanicama spužvastog parenhima, ali tonije točno. U stanicama palisadnog parenhima turgor iznosi 0d 15 do 35 bara.Najveći tlak je u stanicama pratilicama i u sitastim cjevima (on tlači asimilate izlista u druge dijelove biljke).Iz spužvastog parenhima transport je apoplastom do stanica pratilica, a iz stanicapratilica do sitastih cijevi je simplastom. Prilikom „istovarivanja“ asimilati idu izsitastih cijevi u pratilicu simplastno. Ako asimilati idu u vegetativne organe (mladelistove) oni se iz stanica pratilica transportiraju simplastno, a ako idu u spremišneorgane (gomolj) ili u plodove idu apoplastno. 60
  • 61. U blizini sitastih cijevi su ksilemski elementi jer one upijaju vodu i stvara se visokiturgor koji potiskuje asimilate. Mladi list upija asimilate dok ne dostigne ½ veličineodraslog lista. Listovi bliže bazi šalju asimilate prema korijenu, a listovi koji su navrhu šalju asimilate plodovima. Kod šećerne trske prilikom istovarivanja saharozedogađa se hidroliza saharoze, a kod kukuruza, pšenice, soje, šećerne repe se tone dogodi.Postavilo se pitanje postoji li dvosmjerni transport u sitastim cijevima. To je riješioEscherich – napravio je eksperiment na bobu – na donje listove stavio jefluorescin, a na gornje radioaktivnu ureu. U sredinu je stavio uš i pretpostavio dabiljna uš punktira jednu sitastu cijev.Ako je bazipetalan transport (prema dolje), tada se u tijelu uši mora naći samoradioaktivna urea, a ako je akropetalan onda fluorescin. Nakon jednog sata jenašao obje tvari i objasnio to ovako: sitaste cijevi povezane su sitastim pločama.Ako je transport u jednoj sitastoj cijevi bazipetalan, a u drugoj akropetalan moguse te tvari miješati preko bočnih veza. U jednoj sitastoj cijevi je jedan smjerkretanja asimilata, a ali se taj smjer može mijenjati (npr. sezonski) ovisno o tomegdje je potrošač. Kada se razvija stabljika iz gomolja (npr. krumpira) smjer jeprema gore, a kada se stvaraju novi gomolji, lukovice i slično tada se smjerprema dolje.Simplastni transport – tamo gdje stanice rastu obično dolazi do protoniranja, a K+i Ca2+ se izbacuju. Sve se zakiseli; sitaste cijevi imaju pH = 7,6 – 8,4 pa protoniizlaze vani. Stvara se protonski gradijent. Kada se protoni budu vraćali nazad,ponijet će i saharozu. Ona će se kiselom invertazom razgraditi na glukozu ifruktozu. Kad rast završi, neće više dolaziti do protoniranja stanične stjenke, K+ iCa2+ ulaze natrag, pH raste. Aktivnost kisele invertaze se zaustavi – asimilati neulaze.Apoplastni transport – potrebni su nosači. Stanične stjenke se protoniraju (pHstjenke je 5,5). Protoni izlaze vani i aktiviraju nosač koji veže saharozu. Onakotransportom ulazi u stanicu. To se odvija kroz plazmalemu iz apoplasta usimplast.KEMOSINTEZA (KEMOAUTOTROFIJA)Kemoautotrofi koriste za proizvodnju ATP-a anorganske spojeve kao izvorelektrona. Oni oksidiraju anorganske spojeve i tu energiju ugrade u ATP.Kemoautotrofi su uglavnom bakterije koje imaju enzime za oduzimanje elektronaiz supstrata poput dehidrogenaze amonijaka, dehidrogenaze nitrita... Dakle,kemoutotrofi različito mobiliziraju asimilacijsku snagu od fotoautotrofa dok je putugljika više-manje isti. 1. Nitrifikacijske bakterije Striktni su aerobi, oksidiraju NH3, odnosno NH4+ preko nitrita do nitrata. Pri tome ekološki usko surađuju dvije skupine: vrste roda Nitrosomonas (pretvaraju NH3 u nitrit) i vrste roda Nitrobacter (pretvaraju nitrit u nitrat). 2NH3 + 3O2 2NO2- + 2H2O + 2H+ ΔG = -657kcal = -272kJ 61
  • 62. 2NO2- + O2 2NO3- ΔG = -18??kcal = -758kJ Nitrosomonas, dakle, pribavlja supstrat za Nitrobacter. Nitrificirajuće bakterije pojavljuju se u tlu zajedno sa tzv. bakterijama truleži (amonifikacijske bakterije koje razgrađuju organske spojeve do NH4+ ili NH3). Ove bakterije sprečavaju difundiranje NH3 u zrak. 2. Željezne i manganske bakterije Ferobacillus – ferokarbonat-oksid u ferikarbonat koji se katalitički cijepa na ferihidroksid: FeCO3 Fe2(CO3)3 Fe(OH)3 One oksidiraju Fe2+ (Mn2+) do Fe3+ (Mn3+). Fero-spojevi su topivi u vodi, feri-spojevi nisu topivi u vodi pa se takva sol zadržava u tlu. 3. Sumporne bakterije Nalaze se u barama s obiljem hranjivih tvari i stanica. One mogu oksidirati sumporne spojeve, npr. H2S do S2-, a pomoću vode i kisika S2- prevode do SO42-: 2H2S 2S2- + 2H2O 2S + 2H2O + 3O2 2H2SO4 Tu ubrajamo Thiobacillus, Thiothrix, Beggiata... 4. Bakterije prskavog plina (vodikove bakterije) Raširene su u tlu, fakultativni su autotrofi tj. mogu rasti i na organskim spojevima. Vrste roda Hydrogenomonas oksidiraju H2: H2 + 1/2O2 H2O ΔG = -57kcal = -289kJ 5. Metanske bakterije (Methanomonas) Bacillus methanicus i Bacillus metanomonas oksidiraju metan u CO, a potom taj CO ugljikmonoksidne bakterije prevedu u CO2: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Ove bakterije izgrađuju vlastiti ATP tako što elektrone preuzete iz supstrata transportiraju lancem sličnim dišnom lancu na kisik. Ako su uvjeti anaerobni, akceptor može biti SO42- ili NO3-. U njihovom su lancu nađeni citokromi tipa c.Kemosinteza prethodi fotosintezi u evoluciji. Dok nije bilo fotokemijskog aparataasimilacija CO2 bila je moguća samo istovremeno s oksidacijom anorganskih iliorganskih spojeva. Tek nakon formiranja redukcijskog mehanizma zatransformaciju svjetlosne energije u kemijsku, mogla se asimilacija koristiti kaodonor elektrona. Sada je redukcija CO2 i prevođenje u organske spojeve postalamoguća bez ograničenja. 62
  • 63. HETEROTROFIJABudući da je ATP koji nastaje ili fosforilacijom kod fotoautotrofnih biljaka ilielektronskim transportom, pri oksidaciji anorganskih tvari kod kemoautotrofapotreban za redukciju CO2, mora se ATP potreban za ostale radne aktivnostistanice dobaviti na drugi način. Osim toga, moraju autotrofne biljke biti umogućnosti dobavljati energiju i u tamnom periodu.Te heterofilne biljke (kao i stanice mnogostaničnih fotoautotrofnih biljaka kojenemaju kloroplaste) upotrebljavaju kao polazni materijal za sintezu organskihstaničnih komponenata kao i davaoce energije isključivo reducirane ugljikovespojeve koje u krajnju ruku preuzimaju od autotrofnih biljaka.Energija kod heterofilnih biljaka uvijek se osigurava oksido-redukcijskomreakcijom. Ovisno o konačnom akceptoru elektrona razlikujemo pri razgradnjiglavna dva tipa disimilacije: 1. aerobna disimilacija – disanje 2. anaerobna disimilacija – vrenjePrijelaz iz autotrofnog na heterotrofni način života nije oštar. Euglena gracilis imafakultativnu heterotrofnost – ako je u tami hrani se heterotrofno, a na svjetlu jeautotrofna i sposobna je hraniti se organskim spojevima kada ima razvijenekloroplaste.Unutar heterotrofnih biljaka razlikujemo saprofite koji organsku tvar uzimaju samrtvih supstrata i parazite koji iskorištavaju žive organizme.Ako organizam sposoban za fotosintezu treba razvitak još pojedine organsketvari izvana, govorimo o miksotrofiji. Ako heterotrofni organizam treba sasvimodređene spojeve (faktore rasta kod mikroorganizama ili vitamini kod čovjeka)onda takav način života tj. prehrane zovemo auksotrofija.SaprofitiNjih nema među višim biljkama. Većinom su bakterije i gljive. Kao izvor ugljikamogu koristiti ugljikohidrate, masti, bjelančevine, alkohole, organske kiseline,anorganske tvari. Saprofiti često luče egzoenzime koji razgrađuju molekule(lignin, celuloza) do produkata koje mogu resorbirati. Primljeni se materijaluključuje u normalnu mijenu tvari.Mnoge saprofitske vrste svoje potrebe za dušikom podmiruju sa NH4+ ili NO32-, aneke sa N2. Tako npr. kvasci uspijevaju na podlozi sa NH4+, a Aspergillus niger(crna plijesan) treba NO32- kao jedini izvor dušika.Penicillium glaucum iz racemske smjese lijeve i desne vinske kiseline možeuzimati samo desnu koja dolazi slobodna ili kao sol u mnogim plodovima.Sposobnost razgrađivanja pektina kod saprofitnih vrsta koristi se u tekstilnojindustriji – lan se smoči tako da bakterije razgrade pektin. Lacrymons razgrađujecelulozu, napada štokove i podove u starim kućama – vodu izlučuje gutacijom.Bakterije i gljive prevode organski materijal odumrlih organizama u anorganskespojeve (remineralizacija). Truljenje je, dakle, važan segment kružnog toka tvari.Truljenje se svodi uglavnom na djelovanje bakterija pri relativno visokoj vlazizraka i ne u kiseloj sredini, a raspadanje na aktivnost gljiva koje mogu djelovati usušim i kiselim uvjetima.Produkti mikrobne razgradnje su polazne supstance za nastanak humusa,ugljena i nafte. 63
  • 64. ParazitiOrganizme koji se u prirodi prehranjuju ili saprofitski ili parazitski zovemofakultativnim parazitima, a one koji uvijek trebaju žive organizme kao domadarezovemo obligatni paraziti. U fakultativne parazite ubrajamo npr. bakterijeuzročnike tetanusa, antraksa, kolere i tifusa (oni žive saprofitski u tlu i u vodi, aparaziti su u živom organizmu). Uzročnik difterije je obligatni parazit.Velike štete na kultiviranom bilju nastaju zbog gljivičnih oboljenja, npr. Pucciniagraminis na žitaricama uzrokuje žitnu rđu.Do oštećenja domadara parazitima dolazi izlučivanjem otrovnih produkata,oduzimanjem tvari ili razaranjem tkiva. Parazitske bakterije i jednostanične gljiveprodiru posve u organizme domadara, a više gljive samo djelomično; to imomogućuju egzoenzimi: kutinaza, celulaza ili pektinaza. U domadaru parazitintercelularno prodire u stanice pomoću haustorija (npr. rđe).Ektoparaziti su npr. Erisifaceae (pepelnice) – micelij im je na listu, a haustorijepružaju u tkivo i sišu hranjive tvari.Endoparaziti su npr. Plasmodiofora brassicae koja kroz korijenove dlačice ulazi ukorijen.Imela (Viscum album) i stupnikovice su polunametnici – mogu vršiti fotosintezuali anorganske tvari i vodu primaju pomoću haustorija iz ksilema domadara.Njihovi su domadari specifični (npr. imela na jeli, boru i bjelogorici). Imela imaplodove velike vitalnosti, vazdazelena je. Ona je epifit jer dolazi u krošnjamazbog svjetla. Da bi mogla ući vodu iz domadara mora imati vrlo jako transpiraciju.Nametničke biljke koje u određenom razvojnom stadiju ili doživotno nemajulistova moraju aktivno lučiti vodu vani kako bi održale potreban pad vodnogpotencijala između domadara i sebe. Tu vodu luče preko vodnih žlijezda koje senalaze na ljuskama rizoma. Takve su npr. Bartsia, Tozzia...Potpuno parazitske kritosjemenjače (holoparaziti) poput viline kose povezane susa sitastim cijevima domadara kojima pomoću transfernih stanica (za primanjetvari) uzimalju asimilate. Vilina kosa nema listove i može čak i potpuno prekinutivezu sa svojim korijenom (ukoliko ima listiće oni su blijedi i ne vrše fotosintezu pasve crpi iz domadara).Potajnica (Lathrea squamaria) dolazi u grmlju, veže se na korijenje domadara i iznjega crpi hranu. Potpuni je parazit, nema klorofil. Stvara stapku i to sve hranomdomadara.SimbiozeSimbioze podrazumijevaju usko povezan zajednički život dva organizma različitihvrsta, a oba imaju neku korist. Tipična simbioza ostvarena je kod lišajeva – gljivei alge udružuju se u simbiozu u kojem gljiva stupa u odnos s algom na raznenačine, djelomično pomoću haustorija. Alge provode fotosintezu, fiksaciju dušika.Gljive algama pribavljaju mineralne soli i vodu. Lišajevi mogu sadržavati i do 27različitih rodova algi. Ako simbioza ima zelene i modrozelene alge (npr. lišajPeltigera) gljiva tada od zelene alge prima šećerni alkohol, a od modrozelenealge glukozu. Obje skupine tvari gljiva (mikrobiont) preradi u manit (pričuvna tvarkod gljiva). Gljive algama pribavljaju mineralne soli i vodu.Bakterije roda Rhizobium žive saprofitski u tlu. Prodiru u tkivo kroz korijenovedlačice mahunarki i stvara se tzv. infekcijska nit koju domadar obavije celulozom.Stanice domadara počnu se intenzivno razmnožavati i rasti. Njihove jezgre 64
  • 65. postaju tetraploidne (ako nisu već prije bile napadnute) i tako nastanu korijenskigomoljčići u kojima su bakterije koje su izašle iz infekcijske niti. Infekcija se izvangomoljčića ne širi i bakterije postanu nepokretne (bakteroidi). One od domadaradobivaju ugljikohidrate, a daju mu produkte fiksacije atmosferskog dušika.Mikoriza je osobito snažna simbioiza nastala na temelju zajedničkog životakorijena i gljiva u području rizosfere. Kod većine našeg šumskog drveća korijen jeobavijen micelijima gljiva poput gustog pletera. Time micelij funkcionalnozamijeni korijenove dlačice. Gljive prodru u koru korijena (najviše do endoderme)i to na dva načina: a) gusto obavijaju korijen izvana, a u unutrašnjosti korijena intercelularno rastu – ektotrofna mikoriza. Znači, tu hife ulaze u intercelularne prostore, ali ne i u stanice. b) Hife ulaze u protoplaste stanica kore – to je tzv. endotrofna mikorizaEktotrofnu mikorizu ima mnogo naše šumsko drveće: bor, smreka, ariš, hrast...Drveće u mikorizi dobija dušik i fosfate pošto gljive učine humus pristupačnim,poboljšana je prehrana mineralnim solima i opskrba vodom. Gljive od domadaradobivaju ugljikohidrate.U gotovo svih vrsta orhideja srećemo endotrofne mikorize. Njihove sjemenkeimaju malo rezervnih tvari pa za klijanje i razvoj trebaju simbiotske gljive. Gljiveim dovode vodu i hranjive tvari, organski materijal. U odraslim orhidejamanalazimo u vanjskim stanicama kore korijena hife gljiva dok se u dubljimslojevima tkiva hife probavljaju ili puknu. Orhideje koje u izraslom stadiju nisusposobne za fotosintezu (npr. Neottia nidus avis – kokoška) moraju tadaparazitirati na gljivama.Karnivorne biljkeKarnivorne biljke hvataju životinje i imaju klorofil pa su sposobne za fotosintezu.Samo ako hranidbenih tvari nema dovoljno (što je često u njihovim prirodnimstaništima) one moraju hvatati životinje. U prvom redu one iz leševa kukacadobavljaju dušik i PO43-.Drosera rotundifolia (rosika) ima na okruglim listovima sa širokom peteljkom tzv.tentakule. Njihove žljezdane glavice luče blistave kapljice ljepljivog sekreta kojimami male životinje – one se zalijepe na žlijezde i dok se koprcaju dotiču se sveviše žlijezda – podraženi tentakuli savijaju se prema sredini lista i tentakuli takoobaviju insekta.Drosera kapensis ima duge listove sa lovkama. Središnji tentakul je radijalnegrađe i može se gibati u svim smjerovima (ovisno o tome gdje je kukac). To jeusmjereno kemotropno gibanje – ako se glavica tentakula otkine on će se i daljeokretati prema kukcu.Postoje i žlijezde koje luče sekrete kako bi se probavio kukac.Kako se tentakul giba?Kada se stanice tentakula uzbude okreću se prema kukcu. Vaukole u stanicamase smanjuju tako što ispuste vodu u plazmu. Tonoplast se fragmentira i tako sesačuva njegova površina. Voda omogućuje sol-stanje plazme, a time i aktivnostenzima.Saarracenia ima list poput tuljka koji je metamorfiran u cijev s poklopcem(sprječava ulazak kiše i privlači životinje). Stjenke cijevi su glatke pa kukac ne 65
  • 66. može izaći. Unutar cijevi je probavni sok u kojem se kukac udavi, a potom iprobavlja.Dionaea muscipula – venerina muholovka ima na liski jako središnje rebro te 3dlake poput čekinja. Kukac mora dva puta dotaknuti jednu od čekinja i ona ga uroku 0,02 sekundi zgnječi i ostane skupljena dok se kukac ne probavi. Kadakukac takne čekinju stvori se akcijski potencijal od +100mV (v=6-20cm/h). Tajpotencijal ide prema bazi dlake i epidermom plojke ka središnjem rebru koje imamotoričke stanice – njih podraži akcijski potencijal – voda i mineralne tvari izlazeiz motoričkih stanica u intercelulare – turgor u motoričkim stanicama padne.Turgor izgube motoričke stanice sa gornje strane. Stanice u tkivu ovisne su i oturgoru susjednih stanica.δ = π – (P + A)A – turgor susjednih stanicaGornje stanice se žele proširiti i utječu na to da se donje skupljaju. Kako jepeteljka dubokim urezom odijeljena od plojke, plojka se može brzo sklopiti.Nepenthes – vrčonoša ima plojku pretvorenu u šareni vrč. Gornji dio lista imadugačku peteljku (kojom se vješa na druge biljke). U vrču su medne žlijezde idlake koje strše prema unutra. One onemogućuju kukce da izađu vani.Mješinarke su prozirne i spljoštene, a lebde ispod površine vode. Tkivo im je pododređenom napetošću – kada kukac uznemiri čekinju poklopac se otvori premaunutra i struja vode unese kukca unutra. Voda se istisne vani (dobije se podtlakza hvatanje 2 račića). Kada cvatu, cvijet izbace vani u vodu, a u jesen stvarajuzelene pupove koji padaju na dno rijeke (da se ne zamrznu).KATABOLIČKI PROCESITo su oni procesi u kojima se organske tvari razgrađuju i pri tome se dio energijeugrađuje u stanični ATP, a dio se gubi kao toplina. Ovisno o konačnomakceptoru elektrona razlikujemo pri razgradnji dva glavna tipa disimilacije: 1. Aerobna disimilacija (disanje) – kisik je krajnji akceptor 2. Anaerobna disimilacija (vrenje) – organska molekula je akceptorOba reakcijska puta imaju neke identične stupnjeve. Zajednički reakcijski putvrenja i disanja vodi do piruvata (riječ je pritom o glukoznom vrenju i glukoznomdisanju).RAZGRADNJA GLUKOZE DO PIRUVATAEMBDEN-MAYERHOFOV PROCES ILI GLIKOLIZASlijed reakcija vodi kroz 11 enzimski kataliziranih stupnjeva od glukoze dopiruvata. Taj se slijed odvija u citoplazmi stanice. 1. prvi stupanj – fosforilacija glukoze – ona primi fosfat iz ATP-a uz pomoć heksokinaze i nastane glukoza-6-fosfat 2. drugi stupanj – pomoću fosfoheksokinaze glukoza-6-fosfat se prevede u fruktozu-6-fosfat 66
  • 67. 3. treći stupanj – fruktoza-6-fosfat se fosforilira pomoću fosfofruktokinaze do fruktoza-1,6-bisfosfata 4. četvrti stupanj – enzim aldolaza cijepa fruktozu-1,6-bisfosfat na dvije trioze: dihidroksiaceton-fosfat i gliceraldehid-fosfat 5. peti stupanj – gliceraldehid se fosforilira u 1,3-bisfosfoglicerinsku kiselinu. Enzim gliceraldehid-fosfat-dehidrogenaza uzima 2H+ i stvara se energijom bogata veza. Od 1,3-bisfosfoglicerinske kiseline nastaje 1,3- bisfosfogliceraldehid 6. šesti stupanj – 1,3-bisfosfogliceraldehid preko enzima fosfoglicerat-kinaze veže fosfat iz nekog supstrata i preda ga ADP-u. Nastane ATP i 3- fosfoglicerat 7. sedmi stupanj – 3-fosfogliceratu se pomoću mutaze premjesti fosfat na drugi C-atom i nastane 2-fosfoglicerinska kiselina. 8. osmi stupanj – enzim enolaza oduzima vodu 2-fosfoglicerinskoj kiselini i nastane 2-fosfoenolpiruvat 9. deveti stupanj – piruvat-kinaza skida i posljednji fosfat i veže ga na ADP pa nastane ATP. Kada je piruvat-kinaza odnijela fosfat ostao je enol- piruvat 10. desti stupanj – enol-piruvat prelati u keto oblik (pirogrožđana kiselina)Put razgradnje glukoze do piruvata sadrži dva identična oksidacijska stupnja, pojedan za svaku triozu. Pri ta dva stupnja svake trioze, dakle ukupno 4 reakcijenastaje ATP (postanak ATP-a prilikom razgradnje glukoze nazivamo fosforilacijasupstratnog lanca).U anaerobnim uvjetima piruvat ide u vrenje, a u aerobnim ide u mitohondrije gdjeće biti iskorišten u procesu disanja. 67
  • 68. DISANJEU aerobnim uvjetima se iskorištava energija koja je još sadržana u piruvatu, aregenerira se također i NAD+ iz NADH + H+ uz proizvodnju ATP-a. Kodeukariota se ti procesi odvijaju u matriksu mitohondrija.Pretvorba piruvata teče kroz tri stupnja: 1. nastajanje acetil-CoA 2. krebsov (citratni) ciklus 3. elektronski transport u dišnom lancuAd.1 Nastajanje acetil-CoANajprije se piruvat oksidativno dekarboksilira. Pri tome nastali acetat ne postoji uslobodnom obliku već kao acetilni ostatak vezan na CoA. Acetil-CoA predstavlja„aktiviranu HAc“ koja se preradi u citratnom ciklusu, ali služi i kao sastavni dio zabrojne sinteze. Do acetil-CoA razgrade se, osim šećera i masne kiseline.Ad. 2 Citratni ciklus (Krebs-Martius ciklus)Oksalna kiselina veže se sa acetil-CoA i pomoću citrat-sintaze nastane citronskakiselina. Pod utjecajem cis-akonitaze nastane izocitronska kiselina. Ona seoksidira pomoću dehidrogenaze koja ima NAD+ kao koenzima i uzima 2H+.Produkt je NADH+ + H+ te oksal-jantarna kiselina.Oksal-jantarna kiselina se dekarboksilira i nastane α-ketoglutarna kiselina koja sedekarboksilira i oksidira (tj. gubi 2H+ i CO2). Nastane sukcinil-CoA i NADH+ +H+. Sukcinil-CoA je tioesterska veza bogata energijom. Energija tioesterske vezekonzervira se u ATP-u. To stvaranje ATP-a nazivamo fosforilacija supstratnoglanca. Od sukcinil-CoA je nastao sukcinat koji se preko sukcinat-dehidrogenazepretvara u fumarat. Vodik pri oksidaciji sukcinata (jantarna kiselina) oduzima FADkoji prelazi u FADH2. Fumaratu se ugradi molekula vode i nastane malat. Malat(jabučna kiselina) se oksidira, a vodik oduzme NAD+ (postane NADH+ + H+), aod malata preostane oksaloctena kiselina. Time je krug zatvoren.U ciklusu se, dakle, razgradio acetilni ostatak, a ujedno se i elektronski paroviprenose na primaoce (elektroni su iz H+, a H+ je prihvaćao NAD+). Enzimsukcinat-dehidrogenaza sadrži kovalentno vezani koenzim flavin-adenin-dinukleotid (FAD) koji preuzima elektronski par i uključuje ga u dišni lanac.Ad. 3 Elektronski transport u dišnom lancuElektroni velikog negativnog redoks potencijala (-32V) koji su pomogli nastajanjepiruvata, oksidativne dekarboksilacije piruvata i u citratnom ciklusu preuzeli FAD iNAD+, prolaze sada kroz lanac zvan dišni lanac na čijem je kraju kisik.Energija koja se oslobodi pri tom toku elektrona ponovno se upotrebljava zaizgradnju ATP-a (oksidativna fosforilacija).Članovi dišnog lanca su oksidoreduktaze čiji je poredak u dišnom lancu ovisan onjihovom potencijalu i čiji su koenzimi: NAD+, flavoproteidi, kinon (koenzim Q),citokromi i membranski željezo-proteini. Apoenzimi su čvrsto vezani naunutrašnju mitohondrijsku membranu, a piridin-nukleotid dehidrogenaze ovdjeomogućuju prijelaz elektrona od otopljenih organskih spojeva na redoks sistemevezane za membranu.Citokromi prenose samo elektrone, a ostale redoks supstancije provode dalje 2e-i 2p+ po molekuli. 68
  • 69. Prijelaz elektrona od NADH + H+ na kisik je jako egzergoni proces. Energija zataj proces oslobađa se u dišnom lancu „dozirano“ u tri stupnja od kojih je svakidovoljno egzergon da dade energiju za 1 ATP. Dakle, od 1 NADH + H+ dobit ćese 3 ATP. Pri prijelazu elektrona od FADH2 do kisika biti će dva stupnja, pastoga dobijemo i 2 ATP-a.U prvom stupnju se 2H+ sa NADH + H+ predaju FMN-proteinu (flavin-mononukleotid) koji postane reducirani FMNH2. Potom se vodici prenose nakoenzim Q.U drugom stupnju sa koenzima Q odlaze 2H+ u međumembranski prostormitohondrija, a 2e- idu do citokroma b, a od citokroma b 2e- idu do citokroma c.U trećem stupnju 2e- sa citokroma c idu na citokrom a, a potom na citokrom a3.2e- sa citokroma a3 idu na molekularni kisik koji postaje negativan i sa H+ dajevodu. 1. NADH2 dehidrogenaza kompleks 2. citokrom b1c1 kompleks 3. citokrom-oksidaza kompleksNastanak ATP-a oksidativnom fosforilacijomPrema hemiosmotskoj hipotezi prilikom prijenosa elektrona na FMN (pa naFeNH) oslobađa se energija koja se koristi za transport protona umeđumembranski prostor. I energija oslobođena pri daljnjem toku elektronakoristi se za transport protona u međumembranski prostor. Stvara se protonskigradijent, stvori se jaki potencijal i tu je deponirana energija. Onda će protoni bitivučeni potencijalom i prolazit će kroz ATP-aze. Energija toka elektrona veže sena ADP i nastaje ATP – ovakav postanak ATP-a neki nazivaju i oksidativnafosforilacija.Vodici sa NADH + H+ se u mitohondrije ubacuju preko nosača gdje ih prihvaćaNAD+ ili FAD.Brzina elektrona može se regulirati jer na brzinu utječe protonski gradijent: što jeon veći, elektroni sporije teku duž dišnog lanca. Ako je protona malo, stvara semalo ATP-a, nužan je brz transport elektrona. U sjemenkama ricinusa seoslobađa HCN koji spriječi transport elektrona na kisik – ne stvara se ATP pa sesva energija oslobodi kao toplina (brzina elektrona je velika jer se protonski 69
  • 70. gradijent smanji, a zbog velike brzine elektrona energija se gubi kao toplina).Vidimo da je HCN otrovan za dišne procese. Osim HCN postoje i druge tvari kojeprekidaju ovu spregu. Zovemo ih prekidači, a to su amitol, antimicin(onemogućuje prijenos elektrona sa citokroma b1 na citokrom c1), sumpor,kobalt (onemogućuje prijenos elektrona sa citokroma c3 na kisik). Prekidačimapoput dinitrofenola, arsenata, oligomicina, NH4+ i detergenata se transportelektrona ne zaustavi ali se ATP ne sintetizira. Dinitrofenol može kaodeprotonirani oblik (u matriksu) ići u međumembranski prostor gdje se veže zaproton i vrati nazad; on ruši protonski gradijent (može prolaziti bilo kuda krozmembranu, a ne kroz ATP-aze).Iskorištenje ATP-a pri potpunoj biološkoj oksidaciji 1 molekule glukoze ETAPA KONAČNA OKSIDACIJARazgradnja glukoze do piruvata 2NADH + H+ 6ATP 1. 3-fosfogliceraldehid 1,3-dofosfoglicerat 2ATP–fosforilacija supstratnog lanca 2. 1,3-difosfoglicerat 3-fosfogliceratPostanak acetil-CoA 2NADH + H+ 6ATPCitratni ciklus 1. izocitrat α-ketoglutarat 2NADH + H+ 6ATP 2. α-ketoglutarat sukcinil-CoA 2NADH + H+ 6ATP 3. sukcinil-CoA sukcinat 2ATP–fosforilacija supstratnog lanca 4. sukcinat fumarat 2FADH2 4ATP 5. malat oksaloacetat 2NADH + H+ 6ATPRedukcijski ekvivalenti citoplazmatski nastalog Ukupno: 36ATP = 1368kJ = 324kcalNADPH + H+ prenose se u mitohondiju pomoćunosača i pri tome ih preuzima FADJedan mol glukoze pri potpunoj oksidativnoj razgradnji daje 36 mola ATP-a. Ustaničnim uvjetima to bi bilo 1368kJ ili 324kcal.Respiracijski (dišni) kvocjentRazličitim dišnim supstratima potrebne su za potpuno prevođenje CO2 različitekoličine O2. Odnos volumena imzmeđu nastalog CO2 i utrošenog O2 izražava sekao dišni kvocjent:RQ = CO2 / O2Ako u manometar stavimo sjemenke pšenice (imaju šećer) i začepimomanometar te napunimo vodom (ako su sjemenke proklijale obložimomanometar staniolom – sprečavamo fotosintezu). Razina vode ostat će ista jer jenCO2 : nO2 = 6 : 6 = 1 : 1.C6H12O6 6CO2 + 6H2ORQ = 6CO2 / 6O2 = 1Ako uzmemo sjemenku koja sadrži masti, a one imaju puno H2, manometar ćepokazati smanjeni volumen – više O2 se utroši nego se CO2 izluči.5O2 + CH3CH2CH2COOH 4CO2 + 4H2O 70
  • 71. RQ = 4CO2 / 5O2 < 1 (za masti RQ je 0,7)Za aminokiseline:RQ = izlučeni CO2 / utrošeni O2 > 1Može se dogoditi da dišni proces ne teče do kraja, da se na piruvat veže CO2 pase dobije oksaloacetat. Dolazi do vrenja, a ne do disanja jer ima previše H2O.VRENJEKao supstrati za vrenja služe redovito heksoze i to većinom glukoza. No, nekebakterije mogu vrenjem razgraditi pentoze, masne kiseline ili aminokiseline.Rekli smo da je zajednički put glukoznih vrenja i glukoznog disanja razgradnjaglukoze do piruvata. 1. alkoholno vrenje C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 - bruto jednadžba alkoholnog vrenja Kako se piruvat prevede u alkohol? 71
  • 72. Piruvat se dekarboksilira u acetaldehid koji se reducira u etilni alkohol. Stvore se samo 2 ATP-a. Etanol se kao konačni produkt razgradnje glukoze javlja kod kvaščevih gljivica, kod bakterije Pseudomonas lidneri, u tkivima nekih viših biljaka (npr. sjemenkama graška) ukoliko postoji manjak O2. Kvasci, da bi zadovoljili potrebe za ATP-om mogu preraditi velike količine šećera kako bi dobili dovoljno ATP-a. Osim etilnog alkohola postoje i međuprodukti: izopropanol, butanol, amilni alkohol.2. mliječno-kiselinsko vrenje C6H12O6 2CH3-CHOH-COOH - mliječna kiselina Ova anaerobna razgradnja javlja se u životinjski mišićima ali i kod Streptococcus lactis (upotrebljava se za pripremu jogurta), Lactobacillus delbrueckii. I ovdje se dobiju 2 mola ATP-a po molu glukoze. Kao međuprodukt može nastati i malo octene kiseline.3. octeno vrenje Ovo ustvari nije vrenje, ali se tako po tradiciji zove (nije vrenje jer zahtijeva kisik) C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O Polazna tvar je etanol, a produkt je octena kiselina. Kada se vrši oksidacija pomoću kisika, onda je energija jako velika (kao ovdje). Ovu reakciju provode npr. vrste roda Acetobacter (za proizvodnju vinskog octa). Ponekad se mogu naseliti bakterije koje koriste octenu kiselinu za anaboličke procese pa od HAc-a nastane voda. 72
  • 73. GLIOKSILATNI CIKLUSOvaj ciklus služi uglavnom za pretvorbu masti u ugljikohidrate. Masti se ucitoplazmi nalaze u vidu kuglica. Pod djelovanjem lipaza masti se razgrade naglicerol i masne kiseline. Glicerol se prevodi u dihidroksiaceton-fosfat.Masne kiseline moraju prije razgradnje biti aktivirane u reakciji kinazom, pri tomese acilni ostatak prenosi na Co-A. Za prvi sljedeći stupanj dehidratacije kojikatalizira enzim acil-dehidrogenaza potreban je FAD kao primalac vodika, a zadrugi stupanj NAD+ (koenzim enzima hidroksiacil-dehidrogenaze).U posljednjem stupnju tioklasičnim cijepanjem se odvoji acetil-CoA od masnekiseline – to je bila β-oksidacija masnih kiselina.Ova se β-oksidacija odvija u mitohondrijima, onda se acetilni ostatak potpunorazgradi u citratnom ciklusu. No, β-oksidacija u mitohondriju ima malo značenjeu usporedbi s onom u glioksisomima. U glioksisomima (mikrotjelešca sa jednomovojnicom) se masne kiseline razgrade do acetil-CoA kao i u mitohondrijima.Enzimi za taj proces lokalizirani su u membrani glioksisoma. Ti se acetilni ostacidovode do citratnog ciklusa u mitohondiju. Unutarnja membrana mitohondrijanepropusna je za acetil-CoA pa mora već u glioksisomima nastati transportnimetabolit, a to je sukcinat. On nastaje oksidativnom kondenzacijom dvajuacetilnih ostataka. Sukcinat napušta glioksisom i u mitohondriju se kroz nekolikostupnjeva citratnog ciklusa prevede u malat. Malat može proći krozmitohondrijsku membranu i ići u citoplazmu gdje tvori supstrat glukoneogeneze.Ciklus glioksilne kiseline služi, dakle, pretvorbi masti u ugljikohidrate: najprije seacetil-CoA veže za oksaloacetat i nastane citrat; citrat ide u izocitrat; poddjelovanjem izocitrat-lijaze nastane glioksilna kiselina; pod djelovanjem malat-sintetaze nastane malat (glioksilna kiselina veže se sa acetil-CoA); malat uzenzim malat-dehidrogenazu (ima koenzim NAD+) ide u oksaloacetat – time jekrug zatvoren.FADH2 nastao pri β-oksidaciji masnih kiselina oksidirao se, vjerojatno pomoćuO2 iz zraka, u H2O2 kojeg katalaza cijepa na H2O i 1/2O2. NADH + H*vjerojatno se premješta u mitohondrij gdje se koristi u glukoneogenezi ilioksidativnoj fosforilaciji. Glioksilatnim ciklusom koriste se i bakterije, gljive, algekako bi iz acetata kojeg su primile iz medija proizvele ugljikohidrate. 73
  • 74. GLUKONEOGENEZAIz malata ili oksalacetata nastaju heksoze. Prvi stupanj je nastajanje fosfoenol-piruvata iz oksalacetata (enzim koji omogućava tu reakciju je PEP-karboksilaza).Ne zna se je li taj enzim u biljkama lociran u mitohondriju ili u citoplazmi. Ako jelociran u mitohondriju, tada bi PEP napustio mitohondrije te se u citoplazmi daljeprerađivao. Ako je PEP-karboksilaza locirana u citoplazmi, tada bi iz mitohondrijau citoplazmu išao malat. Malat bi malat-dehidrogenaza pretvorila u oksalacetat ion bi išao u PEP.Kada je nastao, PEP se prevodi u fruktozu-1,6-.bisfosfat. Uz enzim fruktoza-bisfosfatazu, fruktoza-1,6-bisfosfat ide do fruktoze-6-fosfata.Fruktoza-6-fosfat pomoću fosfoglukoizomeraze ide u glukozu-6-fosfat koja sevećinom preradi dalje (npr. u OPPC-u). Glukoza-6-fosfat tako može prijeći u 6-fosfoglukonat pa u ribulozu-5-fosfat pa ribozu-5-fosfat te pomoću transketolaza itransaldolaza u razne šećere sa 3, 4, 5, 6 i 7 C-atoma pa do gliceraldehid-3-fosfata i fruktoza-6-fosfata.Mobilizacija pričuvnih ugljikohidrataPri razgradnji škroba sudjeluju ovi enzimi: 1. α-amilaza - cijepa α-1,4-vezu u unutrašnjosti poliglukona. U viših biljaka nalazi se u kloroplastima; imaju je i bakterije, gljive i životinje 2. β-amilaza - cijepa nereducirajući kraj poliglukana i svaku drugu α-1,4-vezu nakon nje te oslobađa maltozu. Imaju je samo biljke. 3. R-enzim - hidrolizira α-1,6-veze (mjesto račvanja) 4. fosforilaza škroba – prenosi glikozilni ostatak na anorganski fosfat uz istovremeno nastajanje α-glukoza-6-fosfataZajedničkim djelovanjem ovih enzima škrob se može prevesti u glukozu iglukozu-1-fosfat. I pri mobilizaciji glikogena (pričuvni ugljikohidrat gljiva) sudjelujejedna fosforilaza (glikogen-fosforilaza). Ona ne može cijepati ni zaobići α-1,6-veze pa mjesta razgranjenja hidrolizira u gljiva enzim amilo-1,6-glukozidaza.Mobilizacija pričuvnih proteinaMnoge sjemenke uskladištuju proteine kao rezervne tvari. Tako embrio u prvimfazama razvoja može biti neovisan o egzogenom dovodu dušika.Pričuvne proteine žitarica dijelimo na: 1. Prolamine – topivi u alkoholu 2. Gluteline – topivi u lužinama ili kiselinamaVećina pričuvnih proteina drugih biljaka pripada globulinima (netopivi su udestiliranoj vodi, topivi su u razrjeđenim otopinama soli); postoje i albumini (topiviu vodi bez soli).Biljni proteini u stanicama lokalizirani su vjerojatno u vlastitim proteinskimtjelešcima obavijenim membranama.Različiti enzimi cijepaju proteine: 1. Aminopeptidaze – napadaju N-terminalni kraj proteina 2. Karboksipeptidaze – napadaju C-terminalni kraj proteina 3. Endopeptidaze – cijepaju unutarnje molekule 74
  • 75. Krajnji produkt hidrolize proteina su aminokiseline koje mogu biti izgrađene kroznekoliko stupnjeva. Čini se da je kod biljaka važna α-ketoglutarnakiselina/glutaminska kiselina. Aminokiseline se kod bakterija i gljiva čestoprevode karboksilacijom u amine (rijetko kod viših biljaka).CVJETNI PIGMENTIRazlikujemo himokrome (u vakuolama), plazmokrome (u plastidima) temembranokrome (u membranama).HimokromiModre, ljubičaste i grimizno-crvene boje cvjetova i plodova potječu u pravilu odantocijana koji su topljivi u vodi. Žute boje mogu potjecati od blijedo-žutihantoksantina (topivi u vodi) ali i od plazmokroma (topivi u mastima). Ta, umastima topiva, bojila nazivamo još i lipokromi.Najvažniji antocijanidini su: 1. Pelargonidin – Pelargonium, Dahlia, Papaver rhoeas 2. Cijanidin – crvena boja – Rosa, Pulmonaria, Centaurea 3. Peonidin – Paeonia 4. Delfinidin – modra boja – Delphinium, sljez 5. Petunidin – Petunia, Primula 6. Enidin – ljubičasta boja – egzokarp boba grožđa 7. Malvidin – grimizno-crveni – Petunia, MalvaČesto u jednom cvijetu nalazimo nekoliko pigmenata. Tako, npr. mačuhice uepidermi nnose antocijane, u subepidermi karotene. Ponekad u biljkama u istimstanicama nalazimo nekoliko članova antocijanida s različitim stupnjevimaglukozilacije – bez šećera su antocijanidi, sa šećerom su antocijani. Antocijan jecrven u kiselini, a u pH=7 je crveno-ljubičast, a u lužini je plavi – do plavogobojenja dolazi ako se šećeri vežu na položaj 3 i 5 u molekuli antocijana. Toznači da je pH lužnat ako je boja cvijeta i ploda plava. To može bit posljedicavezanja Fe ili Mg. Često antocijani sa dvovalentnim ionima daju helatnekomplekse. Razaranjem kompleksa kiselinama oslobađaju se npr. crvenemolekule cijanida modrih cvijetova različka. Izdašnim gnojenjem aluminijskimsolima moguće je ružičasto-crvene cvijetove hortenzija obojiti modro.Žuti pigmenti antoksantini predstavljaju najčešće oksidacijske produkteantocijanidina. Žuta boja može potjecati i od karotena (Ranunculus). Da li žutaboja potječe od antoksantina možemo dokazati dimom cigarete (tj.amonijakalnim parama) – žuta boja posmeđi.Bijeli cvijetovi sadrže bezbojne leukoantocijanide koji katkad dodatkom kiselineposmeđe. Bijela boja može nastati i kao rezultat refleksije upadne svjetlosti.U jesen listovi pocrvene – to je zbog toga što list fotosintetizira i ne može se vršititransport šećera koji onda potiču stvaranje antocijana (rado se za njih vežu).Kopriva može biti crvena sa donje strane jer je, ako je tlo hladno, otežanoprimanje nitrata i fosfata – stvaraju se antocijani. U cikli se stvara β-cijanidin (β-nidin) koji požuti u lužini. To je spoj koji ima dušik, a antocijani nemaju dušik.Ovisno o radikalima koji se vežu na R položaj, dobivamo različite pigmente: β-nidin, amarantin, indoksantin. Postoji bijeli pigment betulin (u stanicama bijele 75
  • 76. brezine kore). Crvena boja listova crvene bukve, crvene lijeske potječe odcrvenog antocijana u kožnom tkivu i zelenog klorofila u onom tkivu koje je ispodkožnog.FIZIOLOGIJA RAZVOJAKormus kritosjemenjača može sadržavati više od 70 vrsta stanica koje možemorazlikovati. Sve one nastaju od embrionskih stanica meristema koje, prema tome,imaju gensku potenciju da ostvare mnogolike oblike s odgovarajuće različitimfunkcijama.Pri staničnoj diferencijaciji ne gubi se ni jedna genetska informacija, ne dobijajunikakve nove nasljedne osobine i ne nastaju nove kvalitativne promjene genoma.Stoga kao mogućnost tumačenja mnogolikih diferencijacija postoji pretpostavkada se prema specifičnim endogeno i egzogeno određenim uvjetima može raznedijelove svoje cjelokupne genetske informacije opozvati. Ako se pri diferencijacijineke meristemske stanice oslobodi neka određena grupa gena nastane članaksitaste cijevi ili, ako se transkribira neka druga grupa gena nastane npr.epidermska stanica.Glavni problem fiziologije razvoja je odgovor na pitanje: koji je uzrok aktiviranju iinaktiviranju gena i kako su oni pomoću unutarnjih i vanjskih čimbenika smišljenoregulirani da nastane funkcionalno sposoban organizam prilagođen okolišu idorastao selekcijskom pritisku?Postoje: 1. aktivni geni – aktivni su prije i poslije djelovanja čimbenika 2. pasivni (inaktivni) geni – inaktivni su djelovanjem čimbenika 3. potencionalno aktivni geni – prije djelovanja čimbenika su inaktivni, a nakon djelovanja postaju aktivni 4. potencionalno inaktivni geni – prije djelovanja čimbenika su aktivni, a nakon djelovanja postaju inaktivniFIZIOLOGIJA MIJENE OBLIKAINTERCELULARNA REGULACIJA RASTA I DIFERENCIJACIJE –FITOHORMONIKod biljaka ne postoji nervni sistem pa se koordinacija među stanicama zbivakemijskim putem i to hormonima. Oni su djelotvorni u neznatnim količinama, amjesta postanka i djelovanja su im različita. Kod fitohormona razlikujemo one kojipospješuju (auksini, giberelini, citokinini) i one koji koče (apscizinska kiselina,etilen).Auksini – su tvari koje u niskim koncentracijama (<0,001mol) pospješujuproduženo rastenej izdanka i koče rast korijena u dužinu. Oni nisu definirani postrukturi već po djelovanju. Najvažniji prirodni predstavnik je β-indoliloctenakiselina (IAA). Glavnim mjestima nastanka IAA u višim biljkama smatraju seembrionalna tkiva (vegetativni vršci, meristemi, embriji) te fotosintetizirajući 76
  • 77. organi (zeleni listovi). IAA može biti obilno prisutna u spremišnom tkivu (npr. uendospermu, supkama). U starim listovima je ima manje pa oni opadaju (iplodovi). IAA se transportira floemskim transportom. Djelovanje – inhibira rastbočnih ogranaka (apikalna dominacija – vrh dominira u odnosu na postranepupove). Osim floemom, IAA se može transportirati i parenhimom (tada jetransport polaran – potrebni su nosači energije). U izdancima se krećebazipetalno, a u korijenu akropetalno. IAA djeluje i na produženi rast.Sintetski auksini se koriste u poljoprivredi. Neke biljke pokazuju da IAA djelujesamo kao izazivač specifične reakcije, ali to ovisi o stanju diferencijacije stanica,tj. o uzorku aktivnih gena i gena koji se mogu aktivirati i inaktivirati.Giberelini – pripadaju diterpenima. Imaju karakteristični gibanski prsten umolekuli. Giberelin koji je posebno aktivan je giberelinska kiselina (GABA).Najčešće u nekoj biljci ima više raznih giberelina (u grahu ih ima 7). Giberelini uvišim biljkama nastaju u prvom redu u tkivima koja rastu, npr. u meristemimaizdanaka i korijena, u nezrelim sjemenkama i plodovima, mladim listovima.Osim slobodnih giberelina pojavljuju se i giberelinski glikozidi. Transportgiberelina kroz parenhim većinom je nepolaran (ukoliko je polaran potrebna jeenergija), a mogu se transportirati i floemski, ali i ksilemom. Imaju mnogostrukodjelovanje – najbolje je proučen njihov efekt na sintezu enzima koji metabolizirajupričuvne tvari u aleuronskom sloju zrna žitarica; pomoću njih se dobijupartenokarpni plodovi (rajčica, jabuka); mogu nadoknaditi djelovanje vanjskihfaktora (temperatura, svjetlost). Većina efekata giberelina svodi se napospješivanje stanične diobe ili produženog rasta stanice, pospješuje klijanjezrna žitarica, stvaranje cvijeta.Citokinini – kinetin, zeatin – induciraju staničnu diobu. Oni sadrže adenin na čijojse aminoskupini na poziciji 6 nalazi nepolarni lanac. Općenito pospješuju mijenutvari, u prvom redu sintezu DNA, RNA i proteina. Izvana primijenjen citokininspriječava starenje (senescenciju) odrezanih listova. Transportiraju se floemom iksilemom.U nekim slučajevima citokinini pospješuju produženo rastenje stanica (npr.listova) i klijanje sjemenke; često djeluju suprotno od IAA – pospješuju razvitakpostraničnih pupova.Apscizinska kiselina (ABA) – suprotno auksinima, giberelinima i citokininima,apscizinska kiselina većinom koči mijenu tvari i rastenje. Osim u slobodnomobliku, ABA se pojavljuje i kao glukozid koji je fiziološki neaktivan i predstavljapričuvni oblik ABA.U mnogim algama i petenjarkama ABA nije pronađena, ali je nađen drugiinhibitor – lunularna kiselina. Kod viših biljaka pojavljuje se ABA u pupoljcima,listovima, gomoljima, sjemenkama, plodovima. Najveća koncentracija ABA jepronađena u mezokarpu plodova avokada. ABA se transportira floemom iksilemom i kroz parenhim. Mladim lisnim peteljkama i internodijima transport krozparenhim je usmjeren prema dolje, ali se u starijima odvija akropetalno. ABAizaziva stadij mirovanja, pospješuje opadanje listova i plodova, u sjemenci ABAkoči klijanje. Pri pomanjkanju vode ili pod djelovanjem drugih stresova, ulistovima mnogih biljaka povisi se koncentracija ABA i izazove zatvaranje puči,povišenje sadržaja prolina i kočenje transpiracije. Visoke koncentracije ABA usočnom dijelu ploda povezuju se s regulacijom zriobe i opadanja ploda. 77
  • 78. Etilen – H2C=CH2 – plinoviti spoj, može djelovati i kao feromon - djeluje i nasusjedne biljke (iste ili druge vrste). Sintezu stimuliraju npr. ekstremnetemperature, infekcije, suša, ozljede. Transport etilene odvija se krozintercelulare, eventualno i kroz ksilem i floem. Izlučuje se u zrelim plodovima.Pospješuje opadanje listova, koči polarni transport IAA i sintezu IAA.Led – većinom nastaje u staničnim stjenkama ili u intercelularima. Iskristaliziraniled oduzima susjednim protoplastima vodu i djeluje kao isušenje. Preostalanesmrznuta voda sadrži visoke koncentracije osmotski aktivnih tvari te inaktiviramembranski vezane enzime ili dovodi do denaturacijeOštećenje vrućinom – nastaje zbog denaturacije proteina (ako nije riječ osušenju). Većina proteina denaturira se na 60 °C. Mnoge biljke mogu preživjetiekstremne temperature (temperaturna rezistencija) što zahtijeva prilagođenost:često je u pitanju sposobnost protoplazme da sadrži ekstremne vrijednostiposebnih tvari (aminokiselina, šećera, šećernih derivata) jer se čini da oni štitemembranske sisteme te spriječavaju ireverzibilni lom njihove strukture pridehidraciji. Od utjecaju koje izaziva temperatura a biljni razvitak osobito suznačajni prekid mirovanja sjemenki i pupova te indukcija stvaranja cvijeta.Klijanje sjemenki (stratifikacija) – pospješuje niska temperatura. Kod nizazeljastih i drvenastih biljaka niske temperature mogu sjemenku učinitipropustljivom, izazvati djelovanje hormona, sniziti sadržaj apscizinske kiseline.Indukciju cvijetova – djelovanjem određene temperature zovemo vernalizacija.Prilikom nastajanja cvijetova svjetlost i hladnoća igraju glavnu ulogu. Kod biljakakoje za indukciju cvijetova trebaju hladnoću mjesto primanja podražaja hladnoćemože biti apikalni meristem (kod olistalog stadija) ili embrij u sjemenci. Povišenjetemperature poništava vernalizaciju i to je tzv. devernalizacija.DJELOVANJE SVJETLOSTI NA RAST I RAZVITAKFotomorfoze – svjetlošću inducirane promjene oblika. Mogu se pojaviti i kodbiljaka i biljnih dijelova koji nisu fotoautotrofni. Kultiviramo li npr. biljke istegenetske konstitucije pod inače jednakim uvjetima i pri dostatnoj prehrani s jednestrane na svjetlosti, a s druge strane u tami, tada kod biljaka u tami nastajukarakteristične promjene koje nazivamo biljnim bljedilom ili etiolmanom. Koddvosupnica postaju internodiji, a često i lisne peteljke vrlo dugački, dok lisneplojke ostaju rudimentarne, a najčešće izostaje i sinteza pigmenta (klorofila,karotinoida, antocijana). Nježnost etioliranih izdanaka poznata je npr. kodšparoge. Kod nekih jednosupnica ne produžuju se toliko osi izdanka koliko listovi.Od fizioloških značajki kod proklijalih izdanaka treba spomenuti slabo izražennegativni geotropizam i jaku izraženost pozitivne fototropske osjetljivosti.Ekološka korisnost tih etiolmana je u tome što biljke u tami (npr. u tlu ipukotinama stijena) mobilizira sve raspoložive tvari da bi asimilacijske organedovele do svjetlosti. Već dnevno osvjetljenje od nekoliko minuta uzrokuje darazvitak krene u smjeru oblikovanja normalnog oblika (deetioliranje) i dolazi doredukcije rastenja internodija, rastenja lisnih plojki, sinteze bojila, odrvenjavanja,oblikovanja provodnih snopića itd... 78
  • 79. Među fotomorfizmima možemo razlikovati: - fotodiferencijacije – ireverzibilne promjene inducirane svjetlošću, npr. otvaranje hipkotilne kuke - fotomodulacije – potpuno reverzibilne promjene, nakon prestanka djelovanja svjetlosti vraća se biljka ili organ u početno stanjeFotomorfoze su ovisne o raznim usmjerujućim pigmentima. Kod svih zelenih ilipotencijalno zelenih biljaka fitokrom je općenito rasprostranjen te predstavljamjerodavan pigment za percepciju svjetlosnog podražaja i fotomorfogenezu kojaiz toga rezultira.Utvrđeno je da fitokrom postoji u dva relativno stabilna oblika koji u fitokemijskimreakcijama prvog reda (tj. kada je brzina reakcije proporcionalna koncentracijisamo jedne reagirajuće vrste) mogu reverzibilno prelaziti jedna u drugoga. Roznačava fiziološki neaktivan oblik fitokroma koji apsorbira svjetlocrvenusvjetlost (SC) i pojavljuje se isključivo u tami. F je fiziološki aktivan oblik pigmentakoji apsorbira tamnocrvenu svjetlost (TC). SC prevodi R u F, a TC F u R.Fitokrom je kemijski kromoprotein čija je kovalentno vezana kromoforna skupinaotvoreni lanac tetrapirola. Mnoga djelovanja fitokroma protumačena su njegovimdiferencijalnim aktiviranjem gena, npr. pokretanje čitavih lanaca sintezaindukcijom enzima koji u njima sudjeluju. Međutim, u nekim slučajevimadjelovanje fitokroma se ne može svesti na diferencijalno aktiviranje gena. Tovrijedi za npr. usmjeravanje gibanja listova ili za brže promjene membranskepermeabilnosti.Utjecaj svjetlosti na dorziventralnost – mnogi dorziventralni listovi bjelogoricepokazuju veliku ovisnost s obzirom na anatomsku građu o iskorištenju svjetlosti.Listovi sunca (vanjskog dijela krošnje) na sunčanoj južnoj strani obično imajuviše palisadne stanice (katkad čak i u više slojeva koji su jedni iznad drugih)nego listovi sjene u unutrašnjosti krošnje ili na sjevernoj strani.Svjetlost može utjecati i na oblik listova i izdanaka. Campanula rotundifoliarazvija npr. samo pri slaboj svjetlosti okruglaste, a pri jakoj svjetlosti uske listove.Djelovanje sile težeSila teža uvjetuje geomorfoze. Ona suodređuje polarnost i dorziventralnostmnogih organa. Pri tome istovremeni utjecaj većinom prekriva djelovanje sileteže. Pod djelovanjem sile teže nastaje npr. dorziventralnost grana tise i jele,dorziventralnost cvjetova sabljačice (Gladiolus) – ako njene pupove izoliramo odjednostranog djelovanja sile teže cvijetovi postaju radijalno simetrični.BIOLOŠKI RITMOVIMnoge aktivnosti organizma (mijena tvari, rastenje, razvitak, klijanje) odvijaju seritmički. Trajanje pojedinih perioda tih ritmova može iznositi sekunde ili minute.Takve kratkovremene ritmove redovno usmjeruju endogeni ciklički procesi. Dužiritmovi idu sinhrono sa periodičkim kolebanjima uvjeta okoline – ritmika plime ioseke mnogih morskih organizama, dnevna ritmika sinhrono sa 24-satnimokretanjem Zemlje, lunarna ritmika, mijena godišnjih doba – godišnja ritmika.Za biljke su najvažnije dnevna i godišnja ritmika. Za ritmike koje su sinhrone saokolinom ne možemo bez eksperimenta reći održavaju li se samo endogeno 79
  • 80. pomoću signala koji se ritmički izmjenjuju ili ih kontrolira unutarnji sistem kojimjeri vrijeme (biološki sat, endogeni ritmovi). Izravno egzoneno se usmjeravajufotonastijska i termonastijska gibanja, npr. latica (Bellis, Tulipa).Endogeni fenomeni dnevne ritmike u biljaka česti su s nekoliko karakteristika: - odvijaju se non-stop pri konstantnim vanjskim uvjetima tjednima do mjesecima - titrajna amplituda – s vremenom u nekim slučajevima opada dužina perioda tih titraja koji teku pri konstantnim uvjetima i ne iznosi uvijek točno 24 sata - budući da endogena ritmika samo približno odgovara dužini dana, takve periodične procese zovemo cirkadijalni ritmovi (23 – 28 sati) - ritmički proces može se pokrenuti jednim jedinim signalom. Cirkadijalni sistemi koji osciliraju mogu se prekrivanjem vanjskog titraja „poremetiti“ (povesti za njima)Od djelovanja fitokroma možemo mnoga pripisati diferencijalnim aktiviranjemgena (npr. pokretanje čitavih lanaca sinteza redukcijom enzima koji u njimasudjeluje). U nekim slučajevima se djelovanje fitokroma ne može svesti nadiferencijalno aktiviranje gena (npr. usmjeravanje gibanja listova, promjenamembranske permeabilnosti). Pretvorbom R F biljke mogu mjeriti rajanjesvjetlosti i tame. I cirkadijalni ritmovi slažu se sa oksidativnom tvarnom mijenom(zaustave se nakon što je nekoliko sati spriječen pristup O2). Endogeni oscilatorkoji se njiše stalno brzinom (fiziološki sat) sigurno nije neka tvar već slijedreakcija koje su nepoznate kao i njihova lokalizacija. Čini se da je oscilatorni satAcetabularia lokaliziran u citoplazmi. Pomoću fiziološkog sata organizmi mogumjeriti vrijeme kao dužinu dana, godišnjeg doba. Dnevni ritmovi u biljaka iznose23 – 28 sati.Cirkadijalni ritmovi a) kod fotosintetskih flagelata – luminiscencija, fotosinteza, disanje b) kod algi – fototaksije, fotosinteza, disanje, otvaranje spora c) kod gljiva – stvaranje ???, izbacivanje spora, rastenje d) kod papratnjača – oblik plastida e) kod sjemenjača – gibanje listova, gibanje latica, fiksacija CO2 u tamiFOTOPERIODIZAMReagiranje biljke na promjene dužine dana ili noći. Podrazumijeva one morfozekoje inducira i usmjerava trajanje svjetlosti kojom biljka dnevno raspolaže.Razlikujemo: a) biljke dugog dana (BDD) – cvatu, odnosno reagiraju samo onda ako trajanje dnevnog svjetla prelazi za tu vrstu specifično određeno minimalno vrijeme, tzv. kritičnu dužinu dana b) biljke kratkod dana (BKD) – reagiraju (cvatu) samo onda ako se njihova specifična kritična dužina dana ne prekorači c) dnevno neutralne biljke – mnoge biljke (osobito kozmopoliti) obično ne reagiraju na dnevnu dužinu osvjetljenja ili reagiraju jako malo tako da se (za sada) ubrajaju u dnevno neutralne biljke 80
  • 81. Kritična dužina dana reakcije kratkog dana može biti duža od reakcije dugogdana. Za indukciju cvatnje kod „klasične“ BKD Xanthium pennsylvanicum kritičnadužina dana je 15,5 sati (fotoperioda mora biti kraća da bi se izazvalo stvaranjecvijeta), dok kod BDD ta perioda iznosi 11 sati (za indukciju cvatnje treba jeprekoračiti). Ako dan traje 13 sati onda cvatu obje biljke.Dužina dana, tj. noći može utjecati i na početak i kraj razdoblja mirovanja,aktivnosti kambija, obrok rastenja i dužinu internodija, na razgranjenje, oblik isukulenciju lista, stvaranje spremišnih organa, opadanje listova i otpornost protivmraza.Danas postoji podjela na apsolutne (kvalitativne) BDD (BKD) i na kvantitativneBDD (BKD).Prvobitne, dnevno neutralne biljke cvatu kod svih mogućih fotoperioda, ali ihproduženje dnevnog svjetla lako potiče na cvatnju – kvantitativne BDD. Drugevrste koje također cvatu pri stalnom osvjetljenju na cvjetanje potiče skraćivanjetrajanja osvjetljenja – kvantitativne BKD.Postoje i biljke dugog-kratkog dana (Bryophyllum) i biljke kratkog-dugog dana(Campanula) koje trebaju uzastopno dvije različite fotoperiode da procvatu. Biljkedugog-kratkog dana kod nas cvatu za jesenskih kratkih dana, a ne za proljetnihkratkih dana.Stanje na ekvatoru – tamo je dužina dana jednaka čitave godine pa se biljke nemogu koristiti mjerenjem dužne dana da bi spoznale koje je godišnje doba.Porastom zemljopisne visine mijenja se i dužina dana.Postoji povezanost između domovine neke biljke i njezinih periodičnih odnosa –tropske biljke moraju biti BKD ili dnevno-neutralne (u tropima nema dugog dana).Biljke velikih zemljopisnih širina su BDD i često moraju cvasti ljeti da bi se zimirazvio plod i sjeme.Broj induktivnih ciklusa potrebnih za indukciju cvatnje različit je kod različitihvrsta. Tako je kod BKD (Xanthium pennsylvanicum i Xanthium pharbitis) dovoljanjedan kratki dan, a kod BDD (Lolium temulentum) jedan dugi dan. Salviaoccidentalis treba 17 kratkih dana, Plantago lanceolata 25 dugih dana.Fotoperiodična indukcija neovisna je o jakosti osvjetljenja ako nije prekoračenprag intenziteta (0,1 – 1luks). Prema tome, svjetlost punog mjeseca (0,5luksa)može biti fotoperiodički djelatna.FLORIGEN – HORMON CVATNJEFotoperiodičke uvjete u normalnim okolnostima percipiraju listovi. Često jedovoljan jedan list ili dio lista da preživi odgovarajuću dužinu dana da bi seizazvala cvatnja. Do formiranja cvijeta dolazi na vegetacijskom čunju izdanka nakojem umjesto zametka listova nastaju razni dijelovi cvijeta. Preusmjerenje odvegetativnog na generativno stanje prati stvaranje specifične RNA i specifičnihproteina. Očito je riječ o aktivaciji gena.Od lista koji percipira svjetlost do vegetacijskog čunja mora postojati transportstimulansa cvatnje – hormona cvatnje ili florigena.Florigen se može izmijeniti između dva partnera kalemljenjem. Pri tomeinducirana BKD može dovesti do cvatnje svog partnera BDD i obrnuto. Hormoncvatnje BKD i BDD očito je identičan (kao i u DNB). Kemijska priroda florigena 81
  • 82. još je nepoznata. Smatralo se da bi to mogao biti giberelin jer oni mogu kodniskih BDD nadomjestiti dugi dan. Kod BKD sadržaj giberelina ne ograničavastvaranje cvijeta. Giberelini nisu, dakle, identični s florigenom. Pretpostavlja seda florigen nije neka supstanca već mješavina tvari rastenja i kočenja koja uodređenom sustavu može inducirati cvatnju.FIZIOLOGIJA GIBANJARastenje i razvoj nužno su povezani s određenim, većinom vrlo polaganimgibanjima organa koji se razvijaju i oblikuju – to su gibanja rastenjem. Postoje ibrža gibanja – podražajna gibanja koja omogućuju organizmu da dopre dopovoljnih područja okoliša te izbjegne nepovoljna. Neke niže biljke (alge, gljive) ilidijelovi viših biljaka (spore, gamete) mogu slobodno mijenjati položaj u prostoru(one se kreću lokomotorno, aktivno plivajući ili puzeći). Viša biljka izvodi savijanjaili zaokretanja i slično.Podražaj je fizički ili kemijski signal koji u stanici izaziva niz reakcija čije potrebeza energijom podmiruje sam organizam, a ne podražaj. Većina podražaja dolazikroz okoliš – tada govorimo o invociranim (aitiomnim) procesima. Neke reakcijeuvjetuje unutarnji podražaj (nepoznat!) i to su autonomni (endogeni) procesi. Zaprimanje podražaja potreban je neki primalac – pigment za svjetlosni podražaj,akceptorska molekula za kemijski podražaj.Adekvatan podražaj, pošto je percipiran, uzrokuje promijenjeno fiziološko stanjepodražene stanice: 1. uzbuđenost – u podraženoj stanici pojavi se akcijski potencijal. Velike internodijske stanice porožina (Chara, Nitella) imaju potencijal mirovanja u iznosu od -190mV. Pri podražaju se javi akcijski potencijal (dolazi do obrata potencijala mirovanja) koji iznosi 228mV. Prilikom porasta akcijskog potencijala u stanicu ulaze Ca2+ pa se povećava + naboj. Istodobno K+ izlazi vani pa se ponovno uspostavi potencijal mirovanja. Zatim se aktivnim izlaženjem iona Ca2+, a ulaženjem K+ vraća stanica u prvobitno stanje. Nakon uzbuđenja slijedi: 2. restitucijska faza – za koju je potreban energija, u kojoj se opet uspostavlja prvobitno stanje. Za vrijeme restitucijske faze ponovni podražaj ne može izazvati akcijski potencijal (ili može ali ne potpuno). Stoga ne dolazi do nikakve reakcije ili se samo izazove smanjena uzbuđenost odnosno reakcija (apsolutni, odnosno relativni refraktni stadij).Da bi se mogla potaknuti neka reakcija mora podražaj prijeći vrijednost pragapodražaja. Minimalno vrijeme koje protekne dok podražaj određene jačine neizazove vidljivu reakciju zovemo prezentacijsko vrijeme. U blizini praga podražajavrijedi zakon o količini podražaja:R=ItR – efekt podražajaI – intenzitet podražajaT – trajanje podražaja 82
  • 83. Što je intenzitet veći, to je prezentacijsko vrijeme kraće. Vrijeme od početkapodražaja do vidljivog početka reakcije zovemo reakcijsko vrijeme, a vrijeme odzavršetka djelovanja podražaja do početka reakcije latentno vrijeme.Reakcije „sve ili ništa“ – neovisno intenzitetu i trajanju podražaja dolazi doreakcije.Slobodna lokomotorna gibanja – ako ne uzmemo u obzir gibanja kojima se klice ipodanci lagano kreću tako što na vrhu rastu, a na stražnjem kraju odumiru (npr.klice viline kose) onda na slobodna lokomotorna gibanja nailazimo i u nižihbiljaka (bakterije, alge, gljive). Njihove stanice aktivno plivaju pomoću bičeva,pužu ameboidno, izlučuju sluz...Taksije – ako smjer slobodnog lokomotornog gibanja određuje neki vanjskičinilac govorimo o taksiji. Ako je gibanje usmjereno prema izvoru podražajagovorimo o pozitivnoj taksiji, a obrnuto je negativna taksija. Ako organizam plivaprema izvoru podražaja to je tapotaksija. Nađe li slobodno pokretni organizamoptimalno područje unutar polja podražaja samo tako što daje prednost pravomsmjeru, a ne pogrešnom govorimo o fobotaksiji.Kemotaksija – omogućuje saprofitnim i parazitskim bakterijama i gljivama dapronađu izvor hrane ili domadara, te izbjegnu područja sa štetnim tvarima.Gametama omogućuje pronalaženje spolnog partnera. Tvar koja privlači većinomje specifična. To može biti pad koncentracije (kod spermatozoida mahovina ipaprati) ili vremenska razlika u koncentraciji (fobna reakcija kod npr. bakterija).Receptori za kemotaksijski djelujuće tvari su proteini lokalizirani u plazmamembrani ili periplazmatskom prostoru.Nastije – posljedice građe organa, a podražaja je samo signalKemonastija – dorziventralni rubni tentakuli rosike (Drosera) reagiraju napodražaj vlastite glavice savijanjem prema sredini lista. Pri tome reagiraju najjačena kemijske podražaje, a slabije na podražaje škakljanja kikca.Seizmonastije – su gibanja uzrokovana potresom; tu dolazi do turgorskihpromjena određenih stanica. Svaki udarac (kap kiše, vjetar) odmah dovodi doreakcije i to obično punom jačinom. Ova su gibanja najizraženija kod tropskihmimoza čije lisne peteljke imaju lisne zglobove koji brzo reagiraju. Mimosapudica (sramežljivica) ima na bazi primarne i na bazama 4 sekundarne lisnepeteljke po jedan zglob. Taj zglob čine odozdo čine parenhimske stanice tankihstjenki. Vijenac žila koji je u peteljci periferno raspoređen spaja se u središnjisnop i pri savijanju daje mnogo manji otpor. Podražaj izaziva sklapanje perastihliski koso prema gore, sekundarne lisne plojke se međusobno bočno približe ikonačno se lisna peteljka sklopi prema gore. Pri potresanju se naglo snizi turgoru zglobnom jastučiću zbog izlaska vode i osmotski aktivnih tvari iz parenhimskihstanica u stanične stjenke, intercelulare, te djelomično i u provodne žile. Lisnapeteljka se sklopi prema dolje, a liske prema gore.Razni prašnici se pri podražaju sklope prema unutra (tj. prema stigmi) ili vani.Ako je kukac izazvao to gibanje on može biti posut peludom.Tigmonastija – kod biljaka koje se penju pomoću vitica važna su tigmonastijskagibanja. One se mogu na taj način učvrstiti. Donje strane vitica graška osjetljivesu na dodir, one postaju konkavne. Ako gornje podražimo istovremeno s donjimaneće doći do svijanja.Nastijska gibanja puči-fotonastije-hidronastije 83
  • 84. Turgorom uvjetovana gibanja nastaju zbog promjene turgora u pojedinimsusjednim tkivima ili slojevima tkiva nekih plodova (kod plodova štrcalica).Razlikujemo turgorske mehanizme za izbacivanje (osnivaju se na tkivnimnapetostima) i turgorske mehanizme za štrcanje (izbacivanje spora iz askusa).Higroskopska gibanja – tu gibanja uzrokuju samo fizički procesi bubrenja,odnosno odbubravanja mrtvih staničnih stjenki. Stoga se mogu neograničenoponavljati. Pri paralelnom rasporedu mikrofibrila staničnih stjeni dolazi prilikombubrenja do rastezanja gotovo okomito na smjer mikrofibrila (anizotropijabubrenja). Higroskopska gibanja služe rasprostranjenju spora, peluda, sjemenki iplodova.Kohezijska gibanja – isušenje može biti mehanički djelotvorno tako da kohezijskesile koje vežu međusobno molekule vode u stanici uzrokuju savijanje mrtvih(rjeđe živih) dijelova tkiva.IZLUČEVINEDijele se na ekskrete i sekrete.Ekskreti nemaju više nikakvu funkciju, to je sve ono što biljka izbacuje, a što jenepotrebno (CaCO3, soli kod halofita)Sekreti su tvari koje se izlučuju, a imaju još nekakvu funkciju u biljci (nektar,antibiotici kod mikroorganizama)Ekskrecija je izbacivanje, a sekrecija izlučivanje.Vrste izlučivanjaIntracelularno lučenje ekskreta – produkti se odlažu izvana u citoplazmu iliorganele citoplazme. Primjer su čestice kaučuka u citoplamzi člankovitihmliječnih cijevi rodova Ficus, Papaver, Taraxacum. Kod mliječike sok se nalazi uvakuolama.Intercelularno izlučivanje ekskreta – tvari napuštaju protoplast, ali ne i stanicu.Tako se izlučuju eterična ulja kod Lauraceae i Piperiaceae.Granulokrino izlučivanje – sekret ili ekskret koji je nastao u citoplazmi iliorganelima prolazi kroz unutrašnju citoplazmatsku membranu uz tvari koje jestvorio Golgijev aparat ili endoplazmatski retikulum.Ekrano izlučivanje – tvari se izlučuju u staničnu stjenku ili napolje. Tako seizlučuje nektar iz žljezdanih stanica, soli, voda i lipofilni sekreti. Često turgorskitlak stanice potiskuje otopinu.Holokrino izlučivanje – dolazi do rastvaranja stanice i iz nje se izlučuje eteričnoulje u ekskretne prostore. To se događa kod citrusa, limuna, naranče i drugih. KRAJ 84