Wykład 1

21 lutego 2011

08:13

 

Wykładowca - Maria Drapikowska

 

Plan:

Cześć biologiczna:

• Komórkowa budowa organizmów; komórki Procaryota i Eucaryta

• Podziały komórkowe: mejoza i mitoza

• Czynności życiowe żywych organizmów (fotosynteza, oddychanie komórkowe)

• Biologia i znaczenie bakterii w przyrodzie

• Tkanki roślinne i zwierzęce

• Budowa i czynności organów roślin nasiennych

• Dziedziczenie cech i zmienność organizmów

• Podział systematyczny roślin i zwierząc

Część ekologiczna:

• Klasyfikacja ekologiczna organizmów i czynników ekologicznych

• Obieg materii i cykle biochemiczne (węgla, azotu)

• Ekologia populacji

• Struktura biocenozy

• Ekosystem

• Ekosystemy rolnicze i leśne

 

Literatura

• Szweykowska A., Szweykowski J., 2006, Botanika, PWN

• Polakowski B, Botanika, 1991, PWN, W-wa

• Solomon E.P., Berg L.R., Martin D.W, Vilee C.A, 1996, Biologia, MULTICO oficyna wydawnicza

• Krebs C.J., 2005, Ekologia, PWN, W-Wa WYKŁADY!!!

• Weiner J., 1999, Życie i ewolucja biosfery, PWN, W-Wa WYPOŻYCZYĆ

• Wiąckowski S., 1998, Ekologia Ogólna, BRATNA

• Podbielkowski, 1992, Przystosowanie roślin do środowiska, wyd szkolne i pedagogiczne

• Banaszak J., Wiśniewski H, 2003, Podstawy Ekologii, wyd Adam Marszałek Toruń PROSTSZY od KREBSA

• Klimiuk E., Łebkowska M., 2004, Biotechnologia w ochronie środowiska, PWN, Warszawa

 

Komórkowa budowa organizmów

 

• Komórka może przetrwać, rozwijać się i rozmnażać w środowisku materii nieożywionej, pobierać z niego pokarmy i syntetyzować własne nowe składniki

• Ta zdolność komórki wynika z posiadania przez nią informacji genetycznej zakodowanej w DNA zdolnego do samoodtwarzania się w procesie replikacji, syntezy RNA niezbędnego do syntezy pełnego zestawu białek enzymatycznych i strukturalnych żywego organizmu

 

Komórki eukariotyczne (jądrowe)

 

Budowa komórki roślinnej

• Ściana komórkowa - sztywna struktura, komórki roślinne i bakterie

• Protoplast (cytoplazma + zawarte w niej struktury (organelle komórkowe) + błona komórkowa)

Na rysunku: jądro komórkowe, wakuola, ściana komórkowa, chloroplasty, aparat Golgiego, mitochondrium, retikulum endoplazmatyczne, gładkie retikulum

 

Cytoplazma

• Cytoplazma stanowi główną masę komórki, ma fizyczne właściwości koloidu - składa się z cytoplazmy podstawowej (matrix) i siateczki śródplazmatycznej - retikulum endoplazmatycznego

• Jest bezbarwna, półpłynna, półprzezroczysta

• Składa się z wody, białek, lipidów, węglowodanów i innych związków organicznych i nieorganicznych

• Siateczka śródplazmatyczna zbudowana jest z błon cytoplazmatycznych tworzących system rurek i cystern. Część retikulum jest szorstka - pokryta rybosomami (ośrodki syntezy białek), część gładka - nie zawierająca rybosomów

Schemat błony cytoplazmatycznej: lipidy - część hydrofobowa mająca powinowactwo do tłuszczy, a część hydrofilowa - do wody, białka integralne (pomiędzy warstwą lipidową), glikoproteidy, białko.

 

Błona cytoplazmatyczna

• Występuje we wszystkich układach biologicznych zdolnych do samodzielnego życia

• Oddziela komórkę od środowiska zewnętrznego, a w komórkach eukariotycznych dzieli wnętrze komórki na obszary o zróżnicowanych funkcjach (kompartymenty)

• Uczestniczy w transporcie jonów i substancji niejonowych

• Uczestniczy w wydzielaniu produktów wytworzonych przez komórkę i pobieraniu makrocząsteczek ze środowiska zewnętrznego

• Przenosi sygnały do innych okolic komórki i do innych komórek

 

Mitochondria

Schemat mitochondrium: grzebienie, błona wewnętrzna, matriks, błona zewnętrzna

• Organelle obecne we wszystkich komórkach eukariotycznych

• Pełnią funkcje energetyczne i metaboliczne w komórce, w nich procesy utleniania metabolitów - oddychanie komórkowe

• Otoczone są dwiema błonami; błona wewnętrzna tworzy uwypuklenia - grzebienie mitochondrialne

• Wnętrze stanowi matriks - zawiera liczne białka enzymatyczne

• Posiadają własne DNA i RNA

• Są zdolne do podziałów niezależnych od podziału jądra

 

Aparat Golgiego

Schemat aparatu Golgiego: cysterny, pęcherzyki Golgiego

• Zbudowany jest z szeregu ułożonych równolegle cystern otoczonych pojedynczą błoną lipido - białkową oraz wakuoli o zróżnicowanym kształcie i wielkości

• Funkcją aparatu jest synteza i wydzielanie wielocukrowców, śluzów oraz przebudowa i różnicowanie błon przeznaczonych do wbudowania w plazmalemę (zakończenie glikozylacji białek błonowych)

 

Plastydy

• Proplastydy - występują w młodych komórkach, z nich rozwijają się inne, dojrzałe plastydy

• Leukoplasty - bezbarwne, zdolne do syntezy i gromadzenia skrobi i innych materiałów zapasowych. Wypełnione skrobią tworzą amyloplast

• Chromoplasty - zawierają barwniki karoteidowe; występują w dojrzałych kwiatach i owocach, starzejących się liściach

• Chloroplasty - zawierają zielony barwnik asymilacyjny - chlorofil oraz karoten i ksantofil

Budowa: błona zewnętrzna, błona wewnętrzna, tylakoidy, stroma, grana

• Błona cytoplazmatyczna zewnętrzna i wewnętrzna (tworzy tylakoidy)

• Tylakoidy u roślin wyższych tworzą grana

• Wnętrze jest wypełnione stromą

• Chlorofil jest wbudowany w błony, składa się z części hydrofilnej i części hydrofobowej

Schemat budowy chlorofilu

 

Ściana komórkowa

Budowa: ściana pierwotna, blaszka środkowa, zatyczka i jamka prosta

• Jest charakterystyczna dla komórki roślinnej

• Przepuszczalna dla wody i soli mineralnych

• Składa się z blaszki środkowej, ściany komórkowej pierwotnej zbudowanej z celulozy, hemiceluloz i pektyn. Ściana komórkowa rosnąc grubieje i przekształca się we wtórną ścianę komórkową

• Przestrzenie pomiędzy komórkami mogą być przesycone ligniną - następuje wówczas drewnienie ściany komórkowej i zamieranie protoplastu komórki

 

Wodniczka - wakuola

• Oddzielona od cytoplazmy tonoplastem - błoną półprzepuszczalną. Zawiera sok komórkowy będący roztworem wodnym związków organicznych i nieorganicznych (jonów K, Ca, Na, Mg)

• Gromadzi substancje zapasowe i produkty przemiany materii, zawiera enzymy hydrolityczne - spełniające funkcje lityczne

• Wakuole powstają z cystern retikulum endoplazmatycznego

• Stężenie soku komórkowego decyduje o potencjale osmotycznym komórki i pobieraniu wody

 

Jądro komórkowe

Schemat budowy jądra komórkowego: chromosomy, jąderko, błona jądrowa, błona wewnętrzna, błona zewnętrzna i pory

• Obtoczone jest błoną jądrową zbudowaną z dwóch błon cytoplazmatycznych, zewnętrzna tworzy uwypuklenia, które łączą się z retikulum endoplazmatycznym

• Wnętrze jest wypełnione kariolimfą

• W kariolimfie zanurzone jąderko i siateczka chromatynowa (chromatyna)

• W jąderku znajduje się RNA i białka, jest ono miejscem syntezy rRNA (rybosomowego kwasu rybonukleinowego)

 

Komórka roślinna: Plastydy Duża wakuola Ściana komórkowa Materiał zapasowy - skrobia, tłuszcze, białka

Komórka zwierzęca: Brak plastydów   Brak ściany komórkowej Materiał zapasowy: glikogen i tłuszcze

 

 

 

 

 

 

Królestwo prokariota

28 lutego 2011

08:17

 

Bakterie - nie posiadają jądra, są osobnym królestwem organizmów. Należą do najmniejszych komórek. Ich rozmiary z reguły zawierają się w zakresie 0,5 - 5 um, choć istnieją gatunki o rozmiarach dochodzących do 0,5 mm (bakterie siarkowe).

Schemat: rzęska, ściana komórkowa, błona cytoplazmatyczna, nukleoid, rybosomy, mezosom, substancje zapasowe.

Bardzo słabo rozwinięty system błon! Mezosom jest odpowiednikiem mitochondrium.

 

Kształty:

Bakterie o kształcie pałeczkowatym

• Pałeczki (dżumy)

• Laseczki (tężca, wąglika)

• Maczugowce (błonicy)

• Prątki

Bakterie o kształcie kulistym

• Ziarenkowce

• Gronkowce

• Paciorkowce

• Dwoinki (dwoinki zapalenia płuc)

• Pakietowce

Bakterie o kształcie spiralnym

• Śrubowce

• Przecinkowce

• Krętki (krętek blady - wywołuję kiłę)

 

Przetrwalniki

Niektóre bakterie są w stanie wytwarzać Endospory, które charakteryzują się znacznym stopniem odwodnienia zawartej w nich cytoplazmy, a także grubymi i wielowarstwowymi osłonami. Spory umożliwiają bakteriom przetrwanie w niekorzystnych warunkach, a następnie powrót do normalnych funkcji życiowych, kiedy warunki zmienią się na sprzyjające.

 

Bakterie - grupy

• Podział został ustalony na podstawie kształtu komórki, barwienia metodą Grama i stosunku do tlenu (tlenowce i beztlenowce)

• Budowy ściany komórkowej (Gram + i -). Gram (+) zbudowana jest z peptydoglikanu - mureiny, Gram (-) ściana z kilku warstw - najbliżej błony cytoplazmatycznej znajduje mureina, najbardziej zewnętrznie położona jest błona zewnętrzna zbudowana z białek i dwuwarstwowej warstwy lipidowej.

 

Podział ze względu na stosunek do tlenu: beztlenowce i tlenowce

 

Wytwarzanie ATP w zależności od tlenowych wymagań mikroorganizmów

 

Oddychanie tlenowe -> obligatoryjne tlenowce

 

Oddychanie tlenowe i fermentacje;

Oddychanie tlenowej i beztlenowe;

Oddychanie tlenowe i fotosynteza; -> fakultatywne beztlenowce

Fermentacje;

 

Oddychanie beztlenowe;

Fermentacje; -> obligatoryjne beztlenowce

 

Metabolizm bakterii

Układy generowania ATP

 

Fotosynteza

-> oddychanie tlenowe

Reakcje redoks -> oddychanie beztlenowe -> redukcja azotanów, siarczanów, węglanów i CO2

-> fermentacje

 

Oddychanie komórkowe

Oddychaniem są wszystkie procesy dostarczające komórkom ATP. Jego istotą jest wewnątrzkomórkowe utlenianie związków organicznych, będące odpowiednikiem ich spalania poza organizmem.

 

ATP - adenozyno trifosforan, nukleotyd -> zasada azotowa + ryboza + 3 reszty fosforanowe

 

Nukleotydy

Adenina - ryboza - PO4H x3

 

Cykl redoks

Reakcje redoks - polegają na oddawaniu elektronów przez jedną substancję (reduktor) i przyjmowaniu ich przez drugą (utleniacz).

2H2 = 4H+ + 4e

W tej reakcji wodór utlenia się ponieważ oddaje elektrony (jest donorem elektronów - reduktor). Rekcja zachodzi wtedy gdy jakaś substancja przyjmie te elektrony (akceptor - utleniacz) ulegając redukcji.

O2 + 4e = 2O2-

2H2 + O2 = 2H2O

 

Potencjał redoks

• Zdolność do przyjęcia lub oddania elektronów czyli wchodzenia w reakcje chemiczne

• Spotkanie się dwóch cząsteczek różniących się potencjałem redoks powoduje reakcję w której następuje przepływ elektronów od reduktora do utleniacza i wydziela się energia.

• Najwyższy potencjał ma wolny tlen w stosunku do tlenu w związkach (H2O), najniższy związki organiczne węgla w stosunku do węgla utlenionego (CO2)

 

Metabolizm bakterii

Zasada jedności w biochemii mówi że biochemia wszystkich żywych organizmów jest taka sama: uniwersalność ATP, uniwersalność kodu genetycznego, szlaku degradacji cukrów i łańcucha oddechowego.

 

Metabolizm glukozy

• Glukoza jest podstawową substancją dostarczającą w procesach oddechowych

• Bakterie beztlenowe zdolne do fermentacji czyli rozkładu biopolimerów w warunkach beztlenowych

• Fermentacja jest procesem metabolicznym służącym odtwarzaniu ATP (fosforylacja), w którym produkty rozkładu substratów służą jako donory i akceptory elektronów (C6H12O6 - 2C2H5OH + CO2) - alkohol jest związkiem bardziej zredukowanym, a CO2 bardziej utlenionym niż glukoza.

 

Oddychanie tlenowe!

 

Fermentacja

• W środowisku, w którym brakuje akceptora elektronów - utleniacza (tlenu)

• Substrat organiczny utlenia się częściowo bez osobnego akceptora elektronów

 

Fermentacja mleczanowa:

C6H12O6 - 2CH3-CH(OH)-COOH + 2ATP + 2H2O

 

Fermentacja alkoholowa:

C6H12O6 - C2H5OH + 2ATP +2CO2 + 2H2O

 

• Bakterie fermentujące inicjują rozkład polimerów związków organicznych (substrat organiczny) w warunkach beztlenowych

• Celuloza występująca w strefach beztlenowych osadów dennych ulega degradacji do związków z H2.

• W osadach wód słodkich wodór przekształca się do metanu a w beztlenowych ekosystemach morskich wodór i siarczan są przetwarzane w H2S przez bakterie redukujące siarczan

 

W żwaczu przeżuwaczy celuloza fermentowa jest do kwasów tłuszczowych (kwasu octowego, masłowego, propionowego) łatwo przyswajalnych przez przeżuwacze.

 

Escherichia coli

Miano coli - to określenie najmniejszej objętości wody (w cm3), w której poprzez zastosowanie testów fermentacyjnych można wykazać obecność bakterii Escherichia coli. Jej obecność świadczy o zanieczyszczeniu wody ściekami i sugeruje możliwość istnienia w wodzie bakterii chorobotwórczych. Obniżenie miana coli poniżej dopuszczalnego poziomu jest sygnałem zagrożenia epidemiologicznego.

 

Oddychanie beztlenowe

• Bakterie na końcu beztlenowego łańcucha pokarmowego

• Energię uzyskują z utleniania związków pozostawionych przez bakterie fermentacyjne

• Jako akceptory wodoru wykorzystują: azotan (redukują do N2 i NO2 - denitryfikacja), siarczan, siarkę, itd.

• Denitryfikacja - azotan ulega redukcji do N2O i N2 w warunkach beztlenowych

• Oddychanie siarczanowe - SO2 ulega redukcji do S2-

• Oddychanie żelazowe - redukują Fe3+ do Fe2+ uruchamiają nierozpuszczalne związki żelaza ("ruda darniowa")

• Metanogeneza - metanogeny (bagna, osady denne) - wykorzystują CO2 jako akceptor elektronów (utleniacz)

 

 

 

 

 

 

 

 

Wykład 3

7 marca 2011

08:17

 

1. Typy odżywania bakterii

Źródło energii

1. Fototrofy (organizmy fotosyntetyzuące)

2. Chemotrofy (energia uzyskiwana na drodze reakcji redoks - oddychanie tlenowe lub beztlenowe

 

2. Donor wodoru

1. Organizmy wykorzystujące związki organiczne jako donory lub elektronów - organotrofy

2. Wykorzystujące nieograniczone źródło elektronów - utotrofy (np. H20, H2S)

 

3. Źródło węgla

Autotrofy - zdobywające węgiel przez asymilację CO2

Heterotrofy - ze związków organicznych

 

4. Obligatoryjne fototrofy

• Bakterie purporowe i zielone donorem H2 przy procesie fotosyntezy (beztlenowy) jest H2S lub H2 (zamiast H2O) fotosynteza przebiega bez uwalniania tlenu (chromatium wamingum)

• Sinice używają H2O jako donoru H2 i wydzielają tlen

 

• Bakterie samożywne

Bakterie chemoautotroficzne - uzyskują energię na drodze reakcji redoks przeprowadzonej na substracie odżywczym

 

• Strategie metaboliczne chemoatotrofów

Chemolitoautotrofy - wykorzystują nieograniczone donory elektronów jako źródła energii i potencjału redukującego. Wszystkie redukują CO2.

 

• Bakterie chemolitoautotroficzne (samożywne)

Nitryfikacja - I etap utleniania amoniaku do azotynu (nitroamonas). NH4 + + 1,5O2 - NO2 - + RH+

II etap - utlenianie azotynu do azotanu (Nitrobiactor) NO2 - + 0,5O2 - NO3 -

Do budowy biomasy bakterie te czerpią węgiel z CO2 lub węglanów.

 

• Znaczenie bakterii nitryfikujących

• W procesie oczyszczania biologicznego ścieków

• utlenianie amonu w glebach. Związki azotowe dostępne dla roślin wytwarzają się podczas mineralizacji prowadzonej przez b. nitryfikacyjne

• Niszczenie wapienia i cementu na nawierzchniach dróg i budynków - gdyż utleniają amoniak z atmosfery lub odchody zalegające do kwasu azotowego.

 

• Oddychanie azotanowe - redukcja azotanu - dysymilacja redukcja azotanu (oddychanie beztlenowe)

• Denitryfikacja - azotan ulega redukcji do N2O i N2 w warunkach beztlenowych (Pseudomozas denitryfikuje bakterie tetroficzne źródło węgla)

• Bakterie te oddychają wykorzystując NO3 = zamiast O2

 

W Denitryfikacja

• 2NO3- + 2HS - N2 + 6H2O + E (ATP) 1112 kJ

Denitryfikację prowadzą bakterie chemohoterotroficzne dla których źródłem węgla jest węgiel organiczny (metanol, kwas octowy, glicerol)

 

Znaczenie denitryfikacji w przyrodzie:

• Przeprowadzenie N do formy cząsteczkowej N2

 

Amonifikacja azotanów

Fakultatywne beztlenowce (E.Coli) uzyskują energię redukując azotyn, do amoniaku w formie amonu NH4 - nie prowadzi do uwodnienia N2.

 

Wiązanie azotu cząsteczkowego

• Jest to proces reduktywny - wymaga energii

• Nitrogeneza - aktywna w obecności ATP i Mg 2+

• Związanie 1 mola N2 wymaga 25 moli ATP

• Bakterie beztlenowe costiodium i rhodobacter

• Symbioza bakterii Rhisobium z roślinami motylkowymi

• Symbioza sinic z roślinami wyższymi

• Bakterie tlenowe wolno żyjące wiążące azot - Azotobacter

 

Wiązanie azotu atmosferycznego

Sinice, które wytwarzają heterocysty są zdolne do związania azotu atmosferycznego. Nitrogeneza jest nieaktywna w obecności tlenu.

 

Procesy oczyszczania ścieków:

• Ciała stałe

• Substancje nieorganiczne

• Materia organiczna

• Drobnoustroje

 

Stopnie oczyszczania

• Oczyszczanie I stopnia - wstępne (najczęściej fizyczne)

• Oczyszczanie II stopnia - biologiczne lub równorzędne chemicznie

• Oczyszczanie III stopnia - doczyszczanie ścieków z usuwaniem substancji biogennych

• Oczyszczanie IV stopnia - odnowa wody

 

Pod względem ilościowym najważniejszymi składnikami ścieków są oprócz węgla, azot i fosfor

• Azot: amonowy występuje w postaci zdysocjonowanej NH4 + oraz NH3 + (białka, mocznik, kwas moczowy), natomiast azotyny i azotany w ściekach miejskich są w niewielkich ilościach

• Fosfor: orto i polifosforany (detergenty) oraz organicznie związane fosforany - fosfoliprozy, fosfoamidy, nukleotydy itp.

 

• Usuwanie związków organicznych za pomocą osadu czynnego.

Osad czynny - stanowi zespół mikroorganizmów (biocenoza) złożony z bakterii, grzybów mikroskopowych, pierwotniaków. Mikroflora osadu (bakterie i grzyby) rozkłada zw. Organiczne występujące w ściekach na substancje proste, min dwutlenek węgla, wodę i amoniak, który zostaje utleniony do azotanów (nitryfikacja); mikrofauna zaś, odżywiając się bakteriami…

 

Oczyszczanie II stopnia

• Mechanizm usuwania azotu amonowego - nitryfikacja

• Bakterie chemolitotroficzne z rodzaju nitrosomaras utleniają NH3 do azotynów

• Bakterie nitrobacter utleniają azotyny do azotanów

 

W wyniku nitryfikacji nie uzyskuje się usunięcia azotu a jedynie zmianę jego stopnia utlenienia z (-III) do (+v) nitryfikacja jest procesem poprzedzającym denitryfikację. Do budowy biomasy…

 

Denitryfikacja - w komorze niedotlenianie

• Dysymilacja redukcja azotanów w warunkach beztlenowych jest nazwana denitryfikacja

• Reakcję przeprowadzają grzyby i liczne bakterie z rodzajów min pseudomonów, achromobacter, chomobacterium, bacillus

• Produktem końcowym jest azot cząsteczkowy i tlenki azotu

• Źródłem węgla organicznego w procesach denitryfikacji z osadem czynnym są: metanol, kwas octowy, kwas organiczny i inne substancje organiczne występujące w ściekach

 

• Kumulacja polifosforanów

Wiązanie fosforu w osadzie czynnym przebiega w warunkach beztlenowo - tlenowych

• W beztlenowych osadach jest mieszany ze ściekami, bakterie kumulujące polifosforany Acinetobacter pobierają ze ścieków proste zw org i syntetyzują PHB (kw poli-beta-hydroksymasłowy).

Energię od tego uzyskują z hydrolizy wewnątrz komórkowych polifosforanów, a do ścieków uwalniają fosforany.

• W tlenowych PHB jest źródłem energii do pobierania ze ścieków fosforanów i ich kumulacji w komórce w postaci polifosforanów

 

• Przeróbka osadów ściekowych

• Osady surowe wymagają stabilizacji składu chemicznego. Stabilizacja ta obejmuje procesy: chemiczne, biologiczne i termiczne

• W czasie stabilizacji osadów następują zmiany w zawartości wody, po czym następuje hydroliza i rozkład ciał stałych, zmiany w zawartości i właściwościach ciał stałych (cząstek osadu) oraz zmiany w ilości rozpuszczalnych

 

Zagęszczanie osadów:

• Usuwanie wody

 

• Stabilizacja biologiczna

Organiczne cząstki osadów mogą być rozkładane (biodegradowalne) przez mikroorganizmy w warunkach beztlenowych (fermentacja metanowa) lub tlenowych (stabilizacja tlenowa).

 

Fermentacja metanowa

Jest to proces wielofazowy, w którym w fazie I bakterie hydrolityczne za pomocą enzymów zewnątrz komórkowych rozkładają nierozpuszczalne związki organiczne osadów (celuloza, ligniny, białka, tłuszcze, do związków rozpuszczalnych, w wodzie, takich jak kw tłuszczowe, alkoholowe, amoniak itd.)

 

W fazie III - bakterie kwasowe rozkładają te zw rozpuszczalne do prostych kw organicznych takich jak: kw octowy, kw propionowy, wodór i dwutlenek węgla. Jest to tzw fermentacja kwaśna. Metabolity fermentacji kwaśnej są substratem fazy III - dla bakterii hetero - troficznych (kw octowy) oraz dla bakterii metanowych autotroficznych (wodór i dwutlenek węgla). Produktem metabolizmu bakterii metanowych jest metan, dwutlenek węgla i woda.

 

 

 

 

 

Wykład 4

14 marca 2011

08:17

 

Podstawowe procesy fizjologiczne żywych organizmów

 

1. Fotosynteza

 

Metabolizm - przemiana materii i energii

Wszystkie procesy chemiczne i towarzyszące im przemiany energetyczne zachodzące w komórkach żywych organizmów a związane z procesami życiowymi. Metabolizm obejmuje dwa typy procesów: anabolizm i katabolizm.

 

• Anabolizm - reakcje syntezy związków złożonych ze związków prostych którym towarzyszy pochłanianie energii

• A + B + energia = AB

 

• Reakcje anaboliczne (np. fotosynteza, biosynteza białek, cukrów, tłuszczów i innych związków chemicznych) polegają na redukowaniu substratów i kumulowaniu energii w produktach

 

• Katabolizm - reakcje rozkładu złożonych związków na proste, którym towarzyszy wyzwalanie energii i częściowa jej akumulacja w nośnikach

• AB = A + B + energia

 

2. Nośniki energii w komórce

Są to związki zawierające wiązania wysokoenergetyczne uczestniczące w rekacjach anabolicznych i katabolicznych. Są nimi: trifosforany rybonukleozydów - ATP (adenozynotrifosforan), GTP (guanozynotrifosforan), UTP (urydynozynotrifosforan) i ...

 

3. ATP to główny nośnik energii, zawierający dwa wysokoenergetyczne wiązania bezwodnikowe między resztami fosforanowymi. Podczas hydrolizowania ATP do ADP i P następuje uwolnienie energii z nośnika.

 

ATP + H2O -> ADP + Pi + H + (Pi - ortofosforan)

 

Uwolniona energia jest wykorzystywana do "napędzania" procesów anabolicznych, ruchów komórek i cytoplazmy, transportu związków przez błony itp.

 

4. Fosforylacja - powstawanie związków wysokoenergetycznych nosi nazwę fosforylacji. Schematycznie można ją zapisać: ADP + Pi = ATP. Energia niezbędna do fosforylacji pochodzi z procesów katabolicznych (fosforylacja oksydacyjna, fosforylacja substratowa) lub przetworzenia energii świetlnej (fosforylacja fotosyntetyczna).

 

• Fosforylacja fotosyntetyczna to proces syntezy ATP z ADP i reszty kwasu ortofosforowego wykorzystujący energię świetlną

• Fosforylacja oksydacyjna to synteza ATP z ADP i reszty ortofosforowego towarzysząca transportowi elektronów przez łańcuch oddechowy na tlen; stanowi u organizmów tlenowych główny sposób uzyskiwania energii zgromadzonej w związkach organicznych

• Fosforylacja substratowa - synteza ATP z ADP wykorzystująca energię wyzwoloną w procesach utleniania związków organicznych i przejściowo związaną w postaci wiązania wysokoenergetycznego w utlenionym związku, ma miejsce w glikolizie i cyklu Krebsa.

 

• Fotosynteza jest to zachodzący w roślinach zielonych proces syntezy związków organicznych z CO2 i najczęściej wody pod wpływem energii świetlnej (fotosynteza oksygeniczna, a w przypadku fotoautotrofów bakteryjnych wodę zastępuje np. H2S, związek też łatwo oddający cząsteczkę H2 który redukuje CO2)

 

Zachodzi w chloroplastach roślin i ciałkach chromatoforowych bakterii, dzięki występowaniu w nich barwników: chlorofilu, karotenoidów i bakteriochlorofilu. Barwniki te absorbują energię świetlną i przekształcają ją w energię chemiczną magazynowaną w cząsteczkach cukrów prostych, a następnie złożonych związków chemicznych. H2O i H2S są donorami wodoru dla redukcji CO2.

 

• CO₂ + 2H₂O + energia (472,8) kJ - [CH₂O] + O₂ + H₂O

• CO₂ + 2H₂S + Energia - [CH₂O] + 2S + H₂O (bakterie siarkowe)

 

• Faza świetlna - zależna od światła ! (również ciemna jest zależna od światła)

Przebiega w lamellach chloroplastów. Oprócz barwników są tam związki uczestniczące w transporcie elektronów wybijanych z chlorofilu, jest to kompleks barwnikowo - lipidowo - białkowy PSI (fotosystem I) i PSII.

Schemat fazy świetlnej fotosyntezy; kulkami zaznaczono przenośniki elektronów rys. 4.15

 

PSI (z centrum reakcji fotochemicznej - chlorofil a P700nm)

Katalizuje zależną od światła reakcję przeniesienia elektronu ze zredukowanej plastocjaniny zlokalizowanej po wewnętrznej powierzchni błony tylakoidów, na ferredoksynę związaną po przeciwnej stronie błony. PSI absorbując więc promienie świetlne (kwant energii) powoduje wzbudzenie elektronu, osiągniecie przez niego wyższego poziomu energetycznego i wybicie go z cząsteczki chlorofilu.

 

Elektron ten jest wychwytywany przez akceptory elektronów. Energia elektronu stopniowo powracającego na niższy poziom energetyczny jest przekształcana w energię wiązań chemicznych. Po wybiciu elektronu powstaje w chlorofilu dziura przyciągająca elektrony z sąsiednich związków.

 

PSII (z centrum reakcji - para cząsteczek chlorofilu a P680 nm) w podobny sposób absorbuje foton, wybity elektron przechodzi w kierunku PSI. Aby uzupełnić dziurę po elektronie w PSII - donorem elektronu jest woda, dysocjuje ona na jony wodorowe (protony) i jony wodorotlenowe. Jony OH- przekazują elektrony na chlorofil w PSII, a do atmosfery wydziela się tlen.

 

• Faza niezależna od światła

 

Cykl Calvina - wiązanie CO2

 

Asymilacja odbywa się w stromie chloroplastów. CO2 przyłączany jest do związków organicznych i tworzy grupę karboksylową (kwasową). U roślin C3 akceptorem jest cukier 5-węglowy połączony estrowo z dwoma cząsteczkami kwasu fosforowego (rybulozobifosforan, RuBP), po przyłączeniu CO2 związek rozpada się na dwa fragmenty trójwęglowe (2 cz. Kw. Fosforoglicerolowego), grupy COOH redukowane są następnie do aldehydowych, w wyniku czego powstają dwie cząsteczki cukru (aldozy - zawierające 3 węgle). Do redukcji grup COOH potrzebna jest energia, dostarczana przez ATP i donor wodoru NADPH2.

 

Asymilacja CO2 - cykl Calvina

Mechanizm wiązania CO2 do związków organicznych nie jest jednorodny dla wszystkich roślin. Różnią się zarówno akceptorem CO2, jak również produktami tej asymilacji, a niekiedy porą w której zachodzi asymilacja.

 

Regenracja RuBP - cykl Calvina. W ciągu 3 cykli (przyłączenie 3CO2) powstaje 6 cząsteczek triozy, z których pięć roślina przeznacza na regenerację 3RuBP, a jedna jest do dyspozycji komórki jako produkt fotosyntezy.

 

Asymilacja dwutlenku węgla u roślin typu C4

Roślinami C4 nazywa się takie gatunki, u których pierwotnymi produktami wiązania CO2 są związki czterowęglowe (szczawiooctan, asparaginian i jabłczan). Są to rośliny strefy zwrotnikowej u których aparaty szparkowe są w ciągu dnia zamknięte (kukurydza, trzcina cukrowa, proso zwyczajne). U roślin typu C4 asymilacja CO2 odbywa się w dwóch etapach rozdzielonych przestrzennie.

 

Rys 4.17 schemat asymilacj CO2 u roślin C4

 

 

 

 

Wykład 5

21 marca 2011

08:16

 

I etap jest zlokalizowany w chloroplastach mezofilu. Następuje karboksylacja fosfoenolopirogronianu (PEP) do szczawiooctanu, który może ulegać enzymatycznej przemianie do asparaginianiu lub jabłczanu. Powstałe kwasy czterowęglowe są transportowane do chloroplastów komórek pochwy wokółwiązkowej, gdzie ulegają dekarboksylacji. Uwolniony CO2 rozpoczyna II etap który przebiega jak u roślin typu C3 (cykl Calvina - Bensona)

 

Asymilacja CO2 u roślin kwasowych

Fizjologia jest taka sama, rośliny kwasowe - sok wakuoli wykazuje drobne zmiany kwasowości: w godzinach nocnych zwiększa się zawartość kwasów (spadek wartości pH do ok. 2). Sukuleny - kaktusy (kserofity), epifity (storczyki np. wanilia).

 

Dwa etapy asymilacji CO2 są rozdzielne czasowo: I etap przebiega w nocy, natomiast II etap - w dzień. Jest to wynik ewolucyjnego przystosowania się roślin gruboszowatych do kserotermicznych warunków.

 

Katabolizm - reakcje które dostarczają komórce energii min ATP.

 

Oddychanie komórkowe - są to wszystkie procesy dostarczające komórkom ATP. Jego istotą jest wewnątrzkomórkowe utlenianie związków organicznych, będące odpowiednikiem ich spalania poza organizmem.

 

Węglowodany, tłuszcze są zużywane jako źródło energii niezbędnej do przebiegu wszystkich procesów życiowych. Część substratów energetycznych zostaje zmagazynowana w postaci materiałów zapasowych (glikogenu, skrobi i tłuszczu).

 

Procesy wytwarzania energii - siły napędowej wszystkich procesów życiowych mają charakter uniwersalny, czyli przebiegają tak samo we wszystkich komórkach roślinnych i zwierzęcych. Uniwersalna jest także forma magazynowania energii.

 

• Wśród organizmmów żywych najpopularniejszy proces oddychania polega na utlenianiu glukozy w warunkach tlenowych i beztlenowych:

• Tlenowe: C6H12O6 + 6O2 + 36ADP + 36Pi -> 6CO2 + 6H2O + 36ATP

• Beztlenowe: C6H12O6 + 2ADP + 2Pi -> 2C3H6O3 (kw mlekowy) + 2ATP

 

• Proces utleniania glukozy odbywa się wieloetapowo. Energia uzyskana z utleniania najczęściej zostaje uwięziona w postaci (ATP).

 

Glikoliza

• W pierwszym etapie następuje fosforylacja (kosztem 2 ATP) różnych sacharydów: heksoz, glikogenu, skrobi i ich rozkład z wytworzeniem aldehydu - 3 - fosfoglicerynowego (triozy)

• W drugim etapie zachodzą reakcje oksydoredukcyjne i następuje wytworzenie kwasu pirogronowego

• Przebieg I i II etapu glikolizy jest identyczny jak w fermentacji alkoholowej. Powstały kwas pirogronowy może ulegać różnym przemianom

 

W warunkach beztlenowych

1. Podczas pracy mięśni, gdy następuje spadek stężenia tlenu w tkankach, zachodzi trzeci etap glikolizy: kwas pirogronowy ulega redukcji (przy udziale NADH) do kwasu mlekowego (C3H6O3)

2. W warunkach beztlenowych i w obecności enzymów, np. zawartych w drożdżach, kwas pirogronowy jest przemieniany w alkohol etylowy i dwutlenek węgla.

 

Cykl kwasów trójkarboksylowych

Jeżeli komórki mają pod dostatkiem tlenu to przeprowadzają wydatniejszy proces oddychania. Kwas pirogronowy w złożonym procesie po odłączeniu CO2 daje kwas octowy. Ten łączy się z uniwersalnym przenośnikiem koenzymem A i tworzy jego estrową pochodną acetylokoenzym A. Przechodzi on przemiany - CYKL KREBSA - cykl kwasów trójkarboksylowych (sześciowęglowe kwasy organiczne z trzema grupami karboksylowymi).

 

Cykl kwasu cytrynowego przebiega w macierzy (matrix) mitochondrialnej eukariontów i w cytoplazmie prokariontów. Substratem cyklu jest (acetylo - CoA), któy po połączeniu ze szczawiooctanem daje cytrynian (koenzym A odłącza się), a następnie w wyniku kolejnych reakcji zostaje utleniony do 2CO2. jednocześnie regeneruje się cząsteczka szczawiooctanu. W wyniku utleniania z jednej reszty octanu powstają 3 NADH2 i 1 FADH2, powstaje tez GTP (Równoważnik ATP), sumarycznie daje to 12 cząsteczek ATP zysku z jednej cząsteczki Acetylo - CoA.

 

!! Drugim substratem, do którego przyłączany jest acetylo - Co A na początku cyklu Krebsa, jest szczawiooctan. Cały proces jest cykliczny, czyli szczawiooctan jest także jednym z produktów końcowych. Cały cykl bierze zatem udział w utlenianiu acetylokoenzymu A.

 

Łańcuch oddechowy

Reakcja wodoru z tlenem jest wysokoenergetyczna. W komórce przeniesienie wodoru na tlen odbywa się przy pomocy przenośników ulegających kolejno utlenieniu i redukcji. Przenośniki te tworzą łańcuch oddechowy.

 

Podczas przenoszenia wodoru uwalniana jest energia magazynowana w ATP (ok. 40%). Reszta zostaje rozproszona w postaci ciepła. Przeniesienie 2H i wytworzenie jednej cząsteczki wody powoduje powstanie 2 lub 3 ATP. Enzymy cyklu Crebsa oraz przenośniki protonów i elektronów tworzące łańcuch oddechowy zlokalizowane są w mitochondriach. Utlenienie cząsteczki glukozy dostarcza 38 ATP, 6CO2 i 6H2O.

 

Biosynteza

Cukry wytworzone w fotosyntezie są przetworzone w chloroplastach w skrobię asymilacyjną lub w cytozolu przekształcane do sacharozy (forma transportowa) i celulozy.

 

Transport substancji pokarmowych w roślinach

Transport asymilatów poprzez rurki sitowe (floem)

 

Aktywny transport asymilatów z donorów (liści) do akceptorów

Sprawność transportu uzależniona jest od następujących czynników:

• Energii pochodzące z oddychania

• Transport przebiega bardzo wolno gdy oddychanie jest zahamowane z powodu CO2, niskiej temp, czy niedostatku tlenu

 

 

 

 

 

 

 

Wykład 6 ?

28 marca 2011

08:00

---