FIZJOLOGIA ROŚLIN WYKŁAD 6 23.03.2009

• 2 etap redukcji jest katalizowany przez reduktazę azotynową (NiR, oksydoreduktaza ferredoksyny, NO₂^- EC 1.7.7.1) (6e^-)

NO₂^- + 6Fd_red +8H⁺ NH₄⁺ + 6Fd_ox +2H₂O

• NiR ma znacznie wyższą aktywność niż NR i duże powinowadztwo do substratu, dlatego reakcja przebiega szybko

• NO₂^- ulega szybkiej przemianie - jest toksyczny dla komórek (reakcja z hemem)

Główne drogi asymilacji jonów amonowych:

• Początkowo sądzono, że głównym mechanizmem asymilacji NH₄⁺ jest asymilacja kwasu α- ketoglutarowego (powstaje w mitochondriach) połaczona z jego redukcją (dehydrogenaza lutaminianowa, GDH)

NH₄⁺ + kwas α- ketoglutarowy + NADH + H⁺ glutamina + NAD⁺

Głównym mechanizmem asymilacji azotu okazał się:

Cykl syntetazy glutaminowej - syntazy glutaminianowej (GS-GOGAT)

• GS (syntetaza glutaminowa) Mg²⁺

kwas glutaminowy + NH₄⁺ + ATP glutamina + ADP + P_i

• GOGAT (synteza glutaminianowi)

glutamina + 2kwas α- ketoglutarowy + NADPH + H⁺ / (Folder) -> 2kwas glutaminowy + NADP⁺

• -NH₂ kwasu glutaminowego może zostać przeniesiona na inne oksokwasy powstające w czasie glikolizy lub cyklu kwasów trójkarboksylowych, np. pirogronian, szczawiooctan…

• Reakcje są katalizowane przez aminotransferazy i w ich rezultacie powstają aminokwasy

Glutamina jest centralnym metabolitem w asymilacji N

• Jest ona magazynem grup aminowych wykorzystywanym do syntezy innych aminokwasów, pośrednio białek, kwasów nukleinowych, a także innych związków posiadających N

Organizmy wiążące N atmosferyczny:

• Organizmy symbiotyczne

- Rhizobium, Bradyrhizobium

- Frankia (Actinomyces)

- Azospirillum (Actinomyces)

Roślina - gospodarz:

motylkowe (łubin, wyka, soja, groch..)

ocha, trawy tropikalne

- Cyanobakterie: Nostoc, Anabena, Oscillatoria

Roślina gospodarz - Azolla, Cykas, Gunnera manikata

Asymilacja jest możliwa dzięki heterocystom, tj. komórkom otoczonym grubą ścianą komórkową i posiadającym uwsteczniony aparat fotosyntetyczny (brak produkcji tlenu)

W takich warunkach nitrogenaza może działać poprawnie

Związany azot przesyłany jest przez plazmodesmy (łaczenieheterocysty z protoplastami sąsiadujących komórek)

• Organizmy niesymbiotyczne

- niefotosyntetyzujące:

Azotobakter

Klebsiella

Clostridium - bezwzględny tlenowiec

- fotosyntetyzujące:

Rhodobacter - względny tlenowiec

Chlorobium - bezwzględny tlenowiec

Chromatium - bezwzględny tlenowiec

Asymilacja N₂

W ryzosferze bakterie typu Rhizobium są saprofitami ( nie mają zdolności do wiązania N₂)

Zdolność tę osiągają dopiro po wniknięciu do korzeni

• Nić infekcyjna dociera do kory pierwotnej

• Bakterie intensywnie dzielą się w wyniku czego powstaje brodawka korzeniowa - sygnałem dal jej powstania są bakteryjne lipochityno - oligosacharydy (NOD)

W komórkach brodawek bakterie uwalniają się do obłonionych wakuol - symbiosomów i przekształcają się z pałeczek w formy nieregularne rozgałęzione (bakteroidy)

• W brodawkach pojawiają się nowe białka, m.in. zwane nodulinami, które są produktami późnych genów nodulinowych NOD, wiążą się one z gr. hemową i tworzą z nią barwnik leghemoglobinę.

Rola leghemoglobiny

• kontrola stężenia O₂ (ochrona nitrogenazy)

• związany z O₂ jest dostarczany bakteroidom do syntezy ATP

Przykład rośliny, u której są brodawki na korzeniach, ale też na łodygach: Sesbania kastrata

Symbioza:

• roślina

- produkty fotosyntezy

- nisza ekologiczna

• bakteria

- związki azotu

Reakcja (redukcja azotu) wymaga dużej ilośći energii (ATP) i reduktora (ferredoksyny), w reakcji tej ważną rolę odgrywają Mg²⁺

Nitrogenaza

• Małe białko zawierające Fe (reduktaza dinitrogenazy) jest cały czas redukowane i przekazuje elektrony białku dużemu dinitrogenazie (Mo, Fe), gdzie odbywa się proces redukcji N₂ do NH₄⁺

Grupa aminowa wbudowywana jest w szkielety węglowe keto - kwasów (cykl Krebsa) i powstają aminokwasy.

• Największe nasilenie wiązania N₂ następuje w okresie poprzedzającym kwitnienie rośliny - gospodarza

• Po przekwitnieniu rośliny proces ten słabnie, a w brodawkach pojawia się barwnik zielony podobny do biliwerdyny (produkt rozpadu hemu)

• W tym czasie symbioza między bakteriami i rośliną zaczyna się zmieniać w pasożytnictwo, którego ofiarą padają bakterie

• W okresie rozwoju nasion w strąkach, dopływ węglowodanów ulega drastycznemu ograniczeniu

• Następuje degeneracja bakterii i ich hydroliza, która jest przeprowadzana przez enzymy rośliny wyższej

• Brodawki ulegają w tym okresie rozpadowi, a azot przechodzi do gleby

Przemiany azotu glebie

• Humifikacja - przekształcenie związków trudno rozkładających się (lignin, celulozy) na substancje humusowe (próchniczne) - N niedostępny dla roślin

• Amonifikacja - azot aminowy przekształca się w jony amonowe

• Proteoliza - uwalnianie grup aminowych

• Nitryfikacja - NH₄⁺ się do NO₃^-

• Denitryfikacja - NO₃^- mogą być wykorzystywane jako źródło tlenu (zalanie, zdeptanie) - prowadzi do ubytku N mineralnego; jest niekorzystne dla roślin

• Autotroficzne bakterie z grupy Nitrosomonas uczestniczą w przekształceniu NH₄⁺ do NO₂^-

NH₄⁺ + 3/2 O₂ NO₂^- + H₂O + 2H⁺

• Następnie bakterie z grupy Nitrobacter uczestniczą w przekształceniu NO₂^- do NO₃^-

• NO₂^- + ½ O₂ NO₃^-

FOTOSYNTEZA

6CO₂ + 6 H₂O + energia C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

• W wyniku rewolucji przemysłowej w XIX wieku zawartość CO₂ wzrosła o ok. 27% - efekt cieplarniany

Promienie słoneczne są przepuszczane przez atmosferę ziemską i pochłaniane przez powierzchnię ziemi, co powoduje jej ogrzanie.

Ogrzanie ziemi powoduje emisję promieniowania podczerwonego:

- CO₂ - 50%

- metan - 18%

- freony - 14%

- ozon - 6%

Średni współczynnik wykorzystania PAR przez florę Ziemi wynosi 0,27%.

Światło fotosyntetycznie czynne - PAR (photosynthetic active radiation) - 400 - 700 nm.

Wszystkie organy z chloroplastami przeprowadzają fotosyntezę.

Szczególną rolę odgrywają liście:

- kształt i budowa anatomiczna

- duża powierzchnia….. w porównaniu z jej objętością, umożliwia absorpcję promieniowania świetlnego i CO₂

- komórki epidermy są bezbarwne (światło wpada do miękiszu zawierającego chloroplasty)

- droga CO₂ z atmosfery do komórek miękiszowych jest…..

- aparaty szparkowe

- gęsta sieć wiązek przewodzących umożliwia sprawne doprowadzenie wody i składników mineralnych a odprowadzenie asymilatów

- wiązki przewodzące są otoczone dużymi komórkami

LEUKOPLAST CHROMOPLAST

CHLOROPLAST

PROTOPLAST

Biogeneza chloroplastów

Deetiolacja

• Produkty genów jądrowych

- cab koduje białko wiążące chlorofil LHCP

- rbc (małe podj. SSU - RUBISCO) - białka te w formie prekursorowej są transportowane do chloroplastów

RUBISCO - karboksylaza / oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforan

• Chloroplast - synteza chlorofilu a Ib z prekursorów:

- kwasu aminolewulinowego:

~ protochlorofilidu

~ chlorofilidu

W chloroplastach synteza dużej podjednostki LSU: 8LSU +8SSU = RUBISCO

duże małe

podj. podj.

Pochłanianie światła przez chlorofil a i b

• chlorofil a: 420 - 660 nm

• chlorofil b: 435 - 645 nm

Oprócz chlorofilu w fotosyntezie uczestniczą jeszcze inne barwniki.

Chlorofil wykazuje fluorescencję.

U sinic i krasnorostów w fotosyntezie uczestniczą:

• Fikobiliny

- fikocyjanina (niebieskie)

- fikoerytryna (czerwone)

Zbudowane z 4 pierścieni pirolowych ułożonych liniowo.

Budowa fikobilisomu

• Barwniki są zlokalizowane z białkami antenowymi w strukturach występujących w cytoplazmie zwanych fikobilisomami.

• W fotosyntezie uczestniczą też barwniki towarzyszące , które chronią chloroplast przed fotoutlenianiem:

- pochłaniają światło i przekazują na chlorofil

- są to karotenoidy:

~ karoteny: β- karoten (425, 450, 480 nm)

likopen (pomidor, arbuz)

~ ksantofile: utlenione karoteny

luteina

zeaksantyna

Ważną rolę w ochronie aparatu fotosyntezy przed nadmiarem energii odgrywa zeaksantyna, która powstaje w cyklu ksantofilowym.

Niekiedy elektron może przemieszczać się w towarzystwie protonu (jako nić H). Utlenianie będzie więc poleć na utlenieniu H⁺, a redukcja na jegomprzyjęciu, np. NADP/NADPH₂…