Fotosynteza i jej produkty. PDF

Preview

Summary

Wykładowca: prof. dr hab. Zbigniew Tukaj; mgr Kamila Błażejewska; mgr Adam Żak; dr Agnieszka Baścik-Remisiewicz; dr Anna Aksmann; drWojciech Pokora; dr Izabela Chincinska; dr Krzysztof Grabski; dr Magdalena Miklaszewska (Katedra Fizjologii i Biotechnologii Roślin). Punkty ECTS: 3. Spis treści: Oznac...

Description

Fizjologia roślin Ćwiczenie 4. Fotosynteza i jej produkty. 1. Oznaczanie intensywności fotosyntezy rośliny wodnej. Pomiaru intensywności fotosyntezy rośliny wodnej można dokonać przy użyciu mikrobiurety Audusa. W metodzie tej oznacza się objętość gazu wydzielanego w postaci pęcherzyków uchodzących z przekroju asymilującego pędu rośliny wyższej zanurzonej w wodzie np. moczarki (Elodea), wywłócznika (Myriophyllum) czy zdrojka (Fontinalis). Wytworzony w chloroplastach tlen uchodzi częściowo do przestworów międzykomórkowych i powoduje w nich wzrost ciśnienia, który z kolei prowadzi do wydzielenia nadmiaru gazu z przekroju łodygi, w postaci drobnych pęcherzyków. Analizy chemiczne wykazały jednak, że ich głównym składnikiem jest azot. Jego źródłem jest N2 atmosferyczny rozpuszczony w wodzie, który razem z tlenem asymilacyjnym wnika do przestworów. Znaczne ilości azotu w pęcherzykach mają swoje źródło w około 2-krotnie większej rozpuszczalności tego gazu w wodzie niż tlenu, którego procentowy udział wzrasta wraz z zwiększeniem natężenia światła i fotosyntezy. W wodzie, pozostającej w równowadze z atmosferą, względna zawartość tlenu w pęcherzykach ledwo przekracza 50%, nawet w optymalnych warunkach asymilacyjnych. W ciemności rozkład tych gazów niewiele się różni od składu powietrza. Zalety tej metody badawczej: niewielkie koszty, łatwość wykonania oraz krótki czas przeprowadzania eksperymentu. 2. Wydzielanie tlenu przez rośliny wodne. Tlen asymilacyjny wydzielany przez nieuszkodzoną roślinę w warunkach in situ rozpuszcza się prawie całkowicie w otaczającej wodzie. Szybkość dyfuzji tlenu zależy przede wszystkim od aktualnego stężenia tego gazu w wodzie oraz grubości warstwy „wody przylegającej” do powierzchni liścia. Wzrost zawartości tlenu w wodzie otaczającej roślinę, w zakresie naturalnie notowanych stężeń (30530 µM), proporcjonalnie ogranicza intensywność procesu fotosyntezy u roślin całkowicie zanurzonych. Z kolei grubość „przylegającej” i nie mieszającej się warstwy jest odwrotnie proporcjonalna do szybkości przepływu wody omywającej liść. Wyznaczona grubość tej warstwy dla liści różnych makrofitów w wodach płynących oraz intensywnie mieszanych w laboratorium jest rzędu setek mikrometrów. Obecność tej warstwy jest także głównym czynnikiem ograniczającym dyfuzję CO2 do mezofilu liści wodnych. 3. Produkty fotosyntezy. Skrobia – asymilacyjna jest wytwarzania w stromie chloroplastów. To polimer powstający w wyniku przyłączenia kolejnych, uprzednio aktywowanych cząsteczek glukozy. Difosfoadenozynoglukoza (ADP-glukoza, aktywowana glukoza), wytwarzana jest z adenozynotrifosforanu (ATP) oraz glukozo1-fosforanu, wywodzącego się z aldehydu 3-fosfoglicerynowego (fosfotriozy). Powstająca w chloroplastach fosfotrioza transportowana jest również do cytozolu, gdzie stanowi substrat w reakcji biosyntezy difosfourydynoglukozy (UDP-glukozy), formy aktywnej w procesie wytwarzania

sacharozy. W ciemności następuje mobilizacja nagromadzonej w chloroplastach skrobi, a przebieg tego procesu zależny jest od stężenia jonów ortofosforanowych (V) (Pi). Przy wyższym ich stężeniu następuje degradacja fosforolityczna, prowadząca do utworzenia w stromie fosforanów heksoz, a później fosfotriozy i 3-fosfoglicerynianu. Przy niższym stężeniu nieorganicznego fosforanu dominuje rozpad hydrolityczny, prowadzący do glukozy i maltozy. W każdym przypadku degradacji skrobi transportowane są do cytozolu, a następnie metabolizowane. Niektóre z nich zużywane są w procesach oddechowych, pozostałe przekształcane w sacharozę. Zawartość skrobi w komórkach miękiszowych u większości roślin zmienia się w cyklu dobowym, natomiast szybkość transportu sacharozy do floemu utrzymuje się na względnie stałym poziomie. Skrobia składa się z dwóch polimerów: amylozy oraz amylopektyny. Oba zbudowane są z reszt glukozy połączonych wiązaniami typu α-1→4. Amyloza ma strukturę liniową z niewielką ilością rozgałęzień, a amylopektyna charakteryzuje się występowaniem rozgałęzień typu α1→6. Amyloza i amylopektyna różnią się właściwościami fizyczno-chemicznymi, w tym barwą kompleksu tworzonego w charakterystycznej reakcji z jodem: amylopektyna tworzy kompleks o barwie fioletowoczerwonej (brunatnej), a amyloza – o specyficznej barwie niebieskiej. Fruktany – są, oprócz skrobi, najczęściej występującą grupą polimerycznych cukrów zapasowych. Powszechnie wytwarzane są przez rośliny zaliczane do rodzin Astaraceae i Poaceae. Z reguły niewielkie ilości występują w liściach, znacznie większe natomiast w bulwach i kłączach oraz w dolnych częściach łodyg. U niektórych traw mogą one stanowić nawet do 50% suchej masy łodygi i około 35% suchej masy liści. Fruktany są cukrami zbudowanymi z cząsteczek D-fruktofuranozy połączonych wiązaniem βglikozydowym. Znane są obecnie dwie główne grupy strukturalne tych substancji, których najważniejszymi przedstawicielami są: inuliny – w znacznych ilościach występujące np. u dalii, w których cząsteczki fruktozy (od 2 do ponad 30) powiązane są wiązaniami glikozydowymi typu 2→1 jak u 1-kestozy (izokestozy) lewany – występujące np. w życie, w których cząsteczki fruktozy (w ilości nawet do ponad 300) połączone są wiązaniami typu 2→6, jak u 6-kestozy (kestozy) czy neokestozy

Występuje także typ mieszany (graminan), w którym są oba rodzaje wiązań jak np. 6,6 i 1kestopentaozy. Wszystkie fruktany dwuliściennych, ale także niektórych jednoliściennych, są typu inuliny. Fruktany typu lewanu są charakterystyczne dla znacznej części jednoliściennych, a rozgałęzione fruktany typu graminanu znaleziono u traw. Wszystkie one wywodzą się z sacharozy, która jest zarówno pierwszym akceptorem jak i dawcą reszt fruktozylowych.

Fruktany są cukrami rozpuszczalnymi w wodzie, występującymi przede wszystkim w wakuolach roślin obszarów subtropikalnych. Przypuszcza się, iż cukry te stanowią element adaptacyjny roślin do warunków suszy. Poprzez zmianę stopnia polimeryzacji fruktanów, rośliny mogą szybko zmieniać ciśnienie osmotyczne przy niezmienionej całkowitej ilości węglowodanów. Występowanie osmotyczne czynnych fruktanów jest również wiązane z adaptacją do stresu chłodnego. Badania fruktanów izolowanych z liści spichrzowych cebuli (Allium cepa) wykazały, że są one mieszaniną substancji składających się z 3-12 reszty monosacharydowych. U rośliny tej występuje izokestoza i neokestoza, nie wykryto natomiast kestozy. W uzyskanym hydrolizacie występują także duże ilości sacharozy, glukozy i fruktozy. Wpływ czynników środowiskowych na tempo fotosyntezy: Światło – zakres widma światła słonecznego, które może zostać wykorzystane do procesu fotosyntezy mieści się między 400 a 700 nm (stanowi to ok. 4,5-5% energii słonecznej) i określane jest jako promieniowanie fotosyntetycznie czynne (PhAR). Jest on czynnikiem bardzo zmiennym, podlega wielu wahaniom (pora dnia, zachmurzenie, miejsce, strefa klimatyczna). Wzrost intensywności oświetlenia ma znaczenie tylko w początkowych fazach jego dystrybucji. Szybkość fotosyntezy rośnie wraz ze wzrostem ilości światła, ale w pewnym momencie osiąga plateau, czyli efekt wysycenia światłem – dalsze zwiększanie jego intensywności nie zwiększa natężenia fotosyntezy (wtedy inne czynniki ograniczające mogą odgrywać rolę, które również odgrywają dużą rolę: gatunek rośliny, podłoże, woda itp.). Świetlny punkt kompensacji – dla natężeń światła mniejszych niż w tym punkcie wydzielanie CO2 przez roślinę przewyższa intensywnością jego wiązanie w procesie fotosyntezy. Dwutlenek węgla – główne znaczenie ma jego stężenie w stromie chloroplastu (tu zachodzi proces karboksylacji), a nie atmosferze. W krzywej zależności intensywności fotosyntezy od stężenia dwutlenku węgla można, analogicznie do krzywej światła, wyznaczyć punkt kompensacyjny stężenia CO2, czyli takie stężenie, w którym asymilacja CO2 równoważy jego utratę w procesach oddechowych. W tym przypadku również dochodzi do ustalenia plateau. Temperatura – rośliny mogą prowadzić fotosyntezę w zakresach temperatur bliskich zeru do około 50°C. Wpływ temperatury na ten proces ma charakter kompleksowy i zależy od wielu czynników. Jednak może ona zmieniać powinowactwo karboksylazy 1,5-bifosforybulazy do dwutlenku węgla. Wzrost temperatury przyspiesza reakcję karboksylacji, ale zmniejsza powinowactwo enzymu do CO 2. Rośliny różnią się optimum temperaturowym, które najczęściej odpowiada strefie klimatycznej, w której naturalnie występują. Wysoka temperatura uszkadza aparat fotosyntetyczny, natomiast w zakresie niskich temperatur czynnikiem ograniczającym jest zredukowana dostępność fosforanów w chloroplastach i zmniejszona płynność błon. Woda – wiąże się głównie z procesem transpiracji i nie jest bezpośrednim czynnikiem uczestniczącym w regulacji fotosyntezy. W momencie obfitości wody rośliny nie muszą zamykać szparek, a transpiracja wykorzystywana jest jako jeden z mechanizm obniżenia temperatury liścia. W klimacie suchym i gorącym rośliny prowadzą oszczędną gospodarkę wodną, a wnikanie CO2 jest utrudnione przez zamknięte aparaty szparkowe. Podczas niedoboru wody rośliny tracą turgor, a zakłóceniom ulegają podstawowe procesy metaboliczne, jak również fotosynteza.

Cykl Calvina-Bensona (cykl C3): Produkty świetlnej fazy fotosyntezy (ATP i NADPH) są zużywane do wbudowania dwutlenku węgla w związki organiczne w ciemnej fazie fotosyntezy, która zachodzi w stromie chloroplastu (tam znajdują się wszystkie enzymy wymagane w tym procesie). Pierwszym produktem asymilacji CO2 jest kwas 3fosfoglicerynowy dlatego rośliny, u których on występuje nazywa się roślinami typu C3. Akceptorem dwutlenku węgla jest 1,5-bifosforybuloza, a enzymem katalizującym – karboksylaza 1,5bifosforybulozy (karboksydysmutaza lub rubisco). Jest ona kluczowym enzymem tego cyklu. Przyłącza ona CO2 do 1,5-bifosforybulozy dając nietrwały związek 6-węglowy, który natychmiast rozpada się na dwie cząsteczki kwasu 3-fosfoglicerynowego, a związany dwutlenek węgla stanowi grupę karboksylową jednej z nich. Kwas jest fosforylowany na koszt ATP do kwasu 1,3bifosfoglicerynowego, który z udziałem NADPH ulega redukcji do poziomu cukrów (aldehydu 3-fosfoglicerynowego). Na 6 związanych cząsteczek dwutlenku węgla można wyprowadzić z cyklu 2 cząsteczki trioz lub 1 cząsteczkę heksozy. W tym cyklu wyróżnia się 3 fazy: karboksylacyjną, redukcyjną oraz regeneracyjną. Ø karboksylacyjna – związana z aktywnością karboksylazy 1,5-bifosforybulozy i utworzeniem dwóch cząsteczek kwasu 3-fosfoglicerynowego. Jest to reakcja nieodwracalna, nawet gdy stężenie CO2 jest małe. Ø redukująca – polega na wytworzeniu fosfotriozy (aldehydu 3-fosfoglicerynowego) z uczestnictwem enzymów kinazy fosfoglicerynowej lub dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Ø regeneracyjna – odtworzenie 1,5-bifosforybulozy, które wymaga odpowiednich enzymów (aldolaz, transketolaz, fosfataz itp.) RuBisCO – stanowi około 50% wszystkich rozpuszczalnych białek liścia, jest on najbardziej rozpowszechnionym białkiem w biosferze, a jego zasoby szacowane są na około 10 milionów ton. Cykl Calvina-Bensona jest regulowany przez wiele czynników: Ø ilość jonów magnezu – warunkujący transport protonów; Ø światło stymulujące enzymy – utrzymywanie w stanie zredukowanych grup sulfhydrylowych; Ø ilość metabolitów pośrednich; Ø dostępność nieorganicznego fosforanu – niezbędny do wytwarzania ATP. Szlak Kortschacka, Hatcha i Slacka (cykl C4): Jest on charakterystyczny dla roślin wywodzących się ze strefy zwrotnikowej (kukurydza, trzcina cukrowa) i poprzedza on cykl Calvina-Bensona. Liście tych roślin mają odmienną budowę, w komórkach miękiszu znajduje się enzym karboksylaza fosfoenylopirogronianowa, a także wykształciły one pochwę okołowiązkową. Pierwszym produktem łączenia CO2 jest związek czterowęglowy – szczawiooctan (C4). Ulega on przemianie w jabłczan i w obecności enzymu jabłczanowego następuje dekarboksylacja. Uwolniony dwutlenek węgla jest ponownie wiązany, przez obecną w chloroplastach komórek pochwy okołowiązkowej, karboksylazę 1,5-

bifosforybulozy i następnie przekształcany zgodnie z reakcjami cyklu Calvina. Tworzący się w procesie dekarboksylacji pirogronian przemieszcza się z powrotem do komórek mezofilu, gdzie ulega fosforylacji do fosfoenolopirogronianu. Metabolizm kwasowy gruboszowatych (CAM): Do grupy roślin określanych jako CAM należą niektóre gatunki rosnące w klimacie półpustynnym i pustynnym. Muszą one prowadzić oszczędną gospodarkę wodną, dlatego otwierają szparki tylko w nocy, kiedy obniża się temperatura środowiska. Otwarcie szparek umożliwia dopływ dwutlenku węgla, ale z powodu braku światła nie zachodzi fotosynteza. CO2 jest więc przyłączany do fosfoenolopirogronianu z utworzeniem szczawiooctanu, następnie ten ulega redukcji do jabłczanu transportowanego do wakuoli i tam gromadzony w dużych ilościach. W czasie dnia, kiedy szparki są zamknięte, jabłczan jest przenoszony do cytozolu i tam ulega dekarboksylacji, dostarczając dwutlenek węgla. Końcowe produkty fotosyntezy – sacharoza i skrobia: Fosfotrioza powstała z trzech cząsteczek CO2 jest zużywana do syntezy skrobi wewnątrz chloroplastów lub do syntezy sacharozy w cytozolu. Synteza sacharozy wymaga udziału urydynofosforanu (UDP), gdzie istnieją dwa możliwe szlaki przekształcania UDP-glukozy w sacharozę, w zależności od rośliny. Gdy szybkość włączania CO2 w chloroplastach przekracza szybkość z jaką fosfotriozy są przekształcane w sacharozę w cytoplazmie, wówczas rozpoczyna się w stromie chloroplastów synteza skrobi. Fosfotriozy są przekształcane do glukozo-1-fosforanu, który reaguje z ATP. Skrobia syntetyzowana w chloroplastach jest rozkładana do cukrów lub fosforanów cukrów i zużywana przez rośliny w okresie ciemności lub przy ograniczonej intensywności fotosyntezy. Transport substancji między chloroplastem a cytozolem: Substancjami, które uczestniczą w wymianie są zarówno związki małocząsteczkowe (CO2, O2), jony, zredukowane związki węgla jak i związki organiczne oraz makromolekuły. Transport ten jest możliwy dzięki zawartym z błonie zewnętrznej chloroplastu białek – poryn. Barierę błony wewnętrznej cząsteczki muszą pokonać na zasadzie dyfuzji lub transportu przez białka przenośnikowe. Z chloroplastu do cytozolu głównie są transportowane fosforany trioz (aldehyd 3-fosfoglicerynowy, 3-fosfoglicerynian) za pomocą białkowego przenośnika fosforanowego, który oprócz przerzucania wymienionych związków do cytoplazmy – transportuje fosforan nieorganiczny do chloroplastu. Pozostały transport: - przenoszony do plastydów fosfoenylopirogronian; - przenośnik heksoz, pentoz oraz maltozy do cytozolu; - ufosforylowane reszty glukozy przenoszone do niefotosyntetyzujących plastydów; - przenośnik kwasów dikarboksylowych (jabłczan, asparaginian itp.); - przenośnik ATP i ADP (AATP), który dostarcza te związki do chloroplastów w ciemności; - jony fosforanowe, potasowe, magnezowe, chlorkowe; - białka, co związane jest z ograniczoną pojemnością kodującą chloroplastowego DNA....