CIKLUS AZOTA I SUMPORA U PRIRODI

Transcript

1 CIKLUS AZOTA I SUMPORA U PRIRODI Asimilacija azota i sumpora zahtevaju niz biohemijskih reakcija koje spadaju u reakcije sa velikim energetskim zahtevima. Za asimilaciju azota iz nitrata (NO 3- ) potrebna je energija ekvivalentna onoj koju sadrži 12 molekula ATP po jednom atomu azota koji se asimiluje. Za proces biološke fiksacije azota (konverzija N 2 u NH 3 ), zajedno sa potonjom asimilacijom amonijaka u aminokiseline potreban je utrošak energije ekvivalentne onoj koju sadrži 16 molekula ATP, po svakom atomu azota koji se asimiluje. Za asimilaciju sulfata (SO 4 2- ) u aminokiselinu cistein troši se ekvivalent energije koji sadrži 14 molekula ATP.

2 Azot se u prirodi nalazi u više različitih oblika: kao gas N 2 (oko 78% atmosferskog vazduha) u obliku neorganskih jona NO 3- i NH 4+ ulazi u sastav zemljišta kao sastojak mnogih organskih jedinjenja rasprostranjen je u celom živom svetu.

3 Svi oblici azota se u prirodi neprekidno transformišu jedan u drugi i te promene su povezane u ciklus azota.. Ciklus započinje konverzijom atmosferskog N 2 u NH 4+ u procesu biološke fiksacije azota, pod dejstvom azotofiksatora. NH 4+ joni se se mogu usvojiti od strane korenova ili u procesu biološke oksidacije (nitrifikacije) oksidovati u NO 3-. U procesu denitrifikacije N 2 se vraća u atmosferu. U procesu amonifikacije ostaci biljaka i životinja se razlažu i oslobađa se NH 4+.

4 Snabdevanje azotom iz atmosfere podrazumeva raskidanje izuzetno stabilne trostruke kovalentne veze između dva atoma azota u molekulu gasovitog azota, kako bi nastali amonijum (NH 4+ ) i nitratni (NO 3- ) joni. Te hemijske reakcije su poznate pod nazivom fiksacija azota i mogu da se odvijaju i industrijskim (Haber-Bosch-ov proces proizvodnje amonijaka) i prirodnim (električna pražnjenja u atmosferi, fotohemijske reakcije i biološka fiksacija) putem.

5 Više biljke dobijaju azot isključivo iz zemljišta na kome žive. Blizu 90% azota u zemljištu se nalazi u obliku organskih azotnih jedinjenja, koja u procesu mineralizacije (amonifikacije) različite bakterije i gljivice razlažu, pri čemu se obrazuje amonijak. Amonijumovi joni su vezani za anjone na površini zemljišnjih koloida. Amonijumovi joni su podložni hemosintetičkoj oksidaciji ili nitrifikaciji koju obavljaju bakterije : Nitrosomonas oksiduje NH 4+ u NO 2 - Nitrobacter oksiduje NO 2- u NO 3 -

6 Nitrat koji na taj način nastaje, sa nitratom koji potiče iz drugih izvora (veštačka đubriva i dr.), pretstavlja najvažniji oblik azota koji biljke primaju. Količina nitrata (NO 3- ) nije stabilna. Nitratni joni nisu vezani za koloide zemljišta, pa ih voda lako odnosi u dublje slojeve. Nitrat je podložan i denitrifikaciji (Micrococcus denitrificans - N 2 ) pri čemu se oslobađa u atmosferu dinitrogen (N 2 ).

7 Biološka redukcija nitrata i nitrita Azot u obliku gasa je najobilnija vrsta azota u prirodi, ali više biljke ne mogu da ga koriste. Molekul azota je veoma inertan (tri veze među atomoma) i ne stupa lako u reakciju sa drugim elementima. Ako biljka primi azot u obliku NH 4+ jona odmah ga ugrađuje u organska jedinjenja. NO 3- mora da se redukuje, a redukcija se u dva stupnja: 1. nitrat se najpre redukuje u nitrit, 2. nitrit redukuje u amonijumov jon Ove procese, koji pretstavljaju prvi korak u asimilaciji azota, obavljaju dva enzima, nitratna i nitritna reduktaza.

8 GDE SE VRŠI REDUKCIJA?

9 Redukcija nitrata može da se obavi u korenu, gde se izgrađuju aminokiseline i amidi, koji se u stablo transportuju putem ksilema. Nitratni jon može i da bude transportovan u listove, u kojima se onda obavlja redukcija i sinteza organskih jedinjenja. Pri niskoj koncentraciji nitrata (oko 1 mol m -3 ), asimilacija u korenu je znatna u odnosu na stablo. Pri većoj koncentraciji nitrata (oko 20 mol m -3 ), koja se postiže primenom đubriva, asimilacija u listovima se značajno povećava i može da prevaziđe onu u korenu.

10 Lupinus albus više od 90% apsorbovanog nitrata redukuje se u korenu. Xanthium strumarium - nitrat se transportuje u listove.

11 Redukcija nitrata u nitrit U kom ćelijskom kompartmentu se to obavlja? Koji enzim vrši redukciju?

12 Redukcija nitrata se obavlja uvek u citosolu ćelija korena i lista. Enzim nitratna reduktaza (NR). Prvi stupanj u redukciji je prenos dva elektrona na nitrat, pri čemu se dobija nitrit. Donor elektrona za redukciju nitrata može biti redukovani NADPH ili NADH.

13 Pošto je nitratna reduktaza prvi enzim u asimilaciji nitrata, ona svojom aktivnošću određuje brzinu celog procesa. Izoforme NR se razlikuju po tome da li elektrone primaju samo od NADH ili i od NADH i od NADPH (ove druge su zastupljene u tkivima koja nisu zelena, tkivima korena napr.) Sekundarni aktivni transport (kotransporteri obavljaju simport protona i nitrata iz apoplasta u citoplazmu)

14 To je dimer, sastavljen od dva identična polipeptida, od kojih svaki ima masu od kd. Obe subjedinice nose po 3 različite prostetične grupe: flavin-adenindinukleotid (FAD), citohrom b557 (hemsko gvožđe) i molibdenski kofaktor (MoCo). Molibden vezan za pterin, jedno heterociklično jedinjenje, slično vitaminu folnoj kiselini.

15 Nitratna reduktaza se može pretstaviti kao kratak, rastvorljiv polipeptid, koji funkcioniše kao elektrontransportni lanac: NAD(P)H 2 elektrona FAD-citohrom b557 molibdopterin Redukciju nitrata inhibiraju cijanid i azid. nitrat

16 Redukcija nitrita u amonijum Redukciju nitrita obavlja enzim nitritna reduktaza (NiR). Ovaj enzim se nalazi isključivo u plastidima, i to u hloroplastima ćelija lista i u proplastidima ćelija korena. Nitrit uvek nastaje redukcijom nitrata u citoplazmi. Donor elektrona za ovu reakciju u hloroplastima je redukovani feredoksin, koji nastaje u fotosintezi svetloj fazi. U korenu elektroni potiču iz procesa disanja, pa su njihovi nosioci NADH ili NADPH.

17 Nitritna reduktaza obavlja prenos 6 elektrona na nitrit, pri čemu se ne pojavljuju međuprodukti, nego se odmah dobija amonijumov jon. NO e - + 8H + NH H 2 O Nitritna reduktaza je monomerni polipeptid od kd, čije su prostetične grupe 4Fe-4S centar i sirohem, jedno porfirinsko jedinjenje koje u centru sadrži atom gvožđa.

18 Regulacija nitratne i nitritne reduktaze Nitratna reduktaza se brzo degraduje - labilan enzim. Nitratna reduktaza je inducibilan enzim, čija aktivnost se javlja tek u prisustvu nitrata. Nitrat indukuje transkripciju gena koji kodiraju NR. Istovremeno se aktivira i sinteza drugih enzima kao NiR. Nitritna reduktaza, osim nitratom indukuje se i nitritom, koji nastaje u prvom stupnju procesa. Osim nitrata, koji je primarni signal za transkripciju gena ima i drugih faktora koji deluju na sam proces: svetlost, hormoni iz grupe citokinina, neki metaboliti.

19 Asimilacija amonijumovih jona Azot se ugrađuje u organska jedinjenja samo u obliku amonijumovih jona. Biljka može da primi amonijumov jon iz spoljašnje sredine. On takođe nastaje redukcijom nitrata u korenu ili listu. Fotorespiracija u listu C-3 biljaka je takđe izvor ovih jona. Amonijumov jona se u organska jedinjenja uvek ugrađuje preko aminokiselina. Za sintezu aminokiselina potrebno je: ketokiseline koje primaju NH 4 +, ATP i reduktanti.

20 U aminokseline NH 4+ ulazi preko cikličnog procesa u kome učestvuju glutaminska kiselina (glutamat) i glutamin. Amonijum grupa vezuje za glutaminsku kiselinu pri čemu nastaje glutamin, koji transaminacijom (uz prisustvo α keto glutarne kiseline) može da da dve glutaminske kiseline. Za proces su potrebni ATP i dva enzima glutamin sintetaza (GS) i glutamat sintaza (GOGAT). glutamin sintetaza (GS) i glutamat sintaza (GOGAT) čine sistem GS/GOGAT

21 Glutaminska kiselina (primarna aminakiselina) i glutamin su glavni donori NH 2 grupe za sva druga azotna jedinjenja. Većina aminokselina nastaje u procesu transaminacije u kome učestvuje jedna amnokiselina (ili amid) kao donor i jedna ketokiselina kao akceptor NH 2 grupe. Transaminaciju obavlja enzimi aminotransferaze. Od oksalacetata i glutamata nastaje aspartat. U reakciji glutaminom od aspartata se izgrađuje asparagin. Glutamat, aspartat, glutamin i asparagin su donori NH 2 grupe za sintezu drugih aminokiselina npr. alanina.

22 ASIMILACIJA SUMPORA

23 Sumpor se u zemljištu nalazi u obliku različitih mineralnih soli i organskih jedinjenja. Sumporni gasovi se takođe nalaze u atmosferi. Svi ovi oblici sumpora su dostupni biljkama i one ih mogu koristiti. Ipak je sulfatni jon najčešći oblik sumpora koji biljka apsorbuje.

24 Biološka redukcija sulfata i sulfita Sulfat se redukuje u hloroplastima ćelija lista, kao i u proplastidima ćelija korena. Kod C-4 biljaka glavno mesto redukcije su hloroplasti sare provodnog snopića. Sulfatni jon je dosta inertan i njegovoj redukciji prethodi aktivacija. Ona se sastoji u formiranju aktivnog sulfata, koji ima dva oblika: adenozin-5'-fosfosulfat (APS) i 3'-fosfoadenozin-5'- fosfosulfat (PAPS).

25 adenozin-5'-fosfosulfat (APS) 3'-fosfoadenozin-5'-fosfosulfat (PAPS) Pirofosfat (PPi) se razlaže pod dejstvom pirofosforilaze, čime se konzervira jedan deo utrošene energije. Drugu reakciju obavlja APS-kinaza: APS + ATP PAPS + ADP U redukciji je supstrat verovatno APS, a PAPS je oblik akumulacije sulfata. Redukcija APS je proces koji se uglavnom obavlja u plastidima. APS prima dva elektrona od glutationa (GSH) i dobija se sulfit. APS + 2GSH SO H + + GSSG + AMP Sulfitna reduktaza prenosi šest elektrona sa feredoksina na sulfit, dobija se sulfid (S 2- ): SO Fd red S 2- + Fd ox

26 Redukcija se sastoji od najmanje dva odvojena stupnja, za koje je potreban reduktant iz drugih metaboličkih procesa. U listu je redukcija sulfata zavisna od fotosinteze, pošto ATP i redukcioni ekvivalent potiču direktno iz svetle faze. Asimilacija sulfida podrazumeva vezivanje za serin (zamenu acetil SH grupom), pri čemu nastaje aminokiselina cistein. Cistein se konvertuje u metionin. Cistein je toksičan u većim količinama i odmah se ugrađuje u organska jedinjenja. Fotorespiracija obezbeđuje znatne količine serina (iz kojeg nastaje cistein). Asimilovani sumpor se iz listova transportuje floemom do mesta u biljci gde je intenzivna sinteza proteina (vrhovi stabla i korena, plodovi itd), uglavnom u obliku glutationa.

27 BIOLOŠKA FIKSACIJA AZOTA

28 Šta su diazotrofi?

29 Sposobnost za fiksaciju azota pripada prokariotskim mikroorganizmima iz sasvim različitih taksonomskih grupa, koje osim te sposobnosti nemaju mnogo drugih zajedničkih osobina. S obzirom na način života, oni se dele na dve osnovne grupe: 1. simbiotičke fiksatore 2. slobodne fiksatore azota

30 Simbiotički fiksatori Ovoj grupi pripadaju bakterije, aktinomicete i izvesne modrozelene alge, koje žive u simbiozi sa višim biljkama. Bakterije iz familije Rhizobiaceae (Rhizobium) prouzrokuju pojavu krtola, ili nodula, na korenima biljaka iz reda Fabales. Krtole ili nodule su organi u kojima se obavlja fiksacija azota.

31 Druga grupa simbionata koji fiksiraju azot su aktinomicete, rod Frankia, koje žive u krtolama na korenu različitih dikotiledonih biljaka. Među njima je u našoj flori rasprostranjen samo Alnus (Betulaceae). Među simbiotske diazotrofe spadaju alge Nostoc i Anabaena, koje su simbionti vrsta Cycas i Ceratozamia. Simbioza sa ovim algama nalazi se i kod nekih paprati (Azolla), mahovina (Anthoceros) i kod mnogih lišajeva. Nostoc Anabaena

32 Slobodne bakterije koje fiksiraju azot: Obligatno aerobne bakterije (Azotobacter), koje su dobro prilagodjene za obavljanje fiksacije N 2 i svih drugih funkcija u prisustvu normalne količine O 2 u vazduhu. Aerobne, mikroaerofilne bakterije, koje žive na vazduhu, ali fiksiraju N 2 samo pri niskoj koncentraciji O 2 (Azospirillum). Tu spada i Thiobacillus ferro-oxidans, koji je i hemosintetička bakterija, jer dobija energiju iz oksidacije fero jona u feri jon. Azotobacter Fakultativno anaerobne, koje žive sa ili bez O 2 ali N 2 fiksiraju samo u anaerobnim uslovima (neke vrste Bacillus). Obligatno anaerobne obuhvataju rod Clostridium, čija je vrsta C. pasteurianum prva uopšte pronadjena diazotrofna vrsta; ovaj rod inače pripada bakterijama koje proizvode buternu kiselinu. Bacillus

33 Nitrogenaza i redukcija N 2 N 2 + 8e - + 8H ATP 2NH 3 + H ADP + 16 Pi Za sve organizme koji fiksiraju azot, karakteristično je da enzim nitrogenaza vezuje N 2 i redukuje ga u NH 3.

34 Nitrogenaza je kompleks dva enzima. Protein I je molibdo-fero-protein (MoFe-protein), koji ima 4 subjedinice sa ukupnom masom kd. On sadrži dva atoma Mo i različit broj (do 24) ferosumpornih kompleksa. Protein II je feroprotein (Fe-protein), sastoji se od dve identične subjedinice sa masom od kd, a sadrži 4Fe-4S ferosumporni kompleks. Oba enzima su veoma osetljiva prema kiseoniku. U ćelijama u kojima se obavlja fiksacija azota moraju postojati anaerobni uslovi ili koncentacija kiseonika ne sme da pređe neke vrlo niske vrednosti.

35 Elektroni potrebni za redukciju N 2 dolaze iz različitih procesa. Prvo redukuju Fe-protein, koji ih zatim prenosi na MoFe. Za redukciju Fe-proteina potrebna je energija, koja se oslobađa hidrolizom ATP. Za jedan mol N 2 potrebno je 16 mola ATP, koji se vezuje za Fe-protein. Za korišćenje ATP-a neophodno je prisustvo jona Mg 2+.

36 Redukcija N 2 je neizbežno vezana za redukciju H +. Za jedan mol N 2 obrazuje se jedan mol H 2.. N 2 + 6e ATP + 6H + 2NH ADP + 12P i 2H + + 2e - + 4ATP H 2 + 4ADP + 4P i Redukcija azota je skup proces. Za svaki preneti elektron potrebna su 2 ATP.

37 Potrebna su tri uslova da bi došlo do redukcije: adekvatni donori elektrona ATP anaerobna sredina Kako su fiksatori azota u velikoj meri među sobom različiti, ova tri uslova ne ostvaruju se na isti način.

38 Leguminoze, inficirane rizobijumom razvijaju na korenu krtole, kvržice ili nodule. Proces formiranja simbioze počinje hemotaksijom rizobija ka korenovima biljke domaćina. Ovaj lokomotorni pokret bakterija izazvan je hemijskim supstancama koje korenovi u određenoj fazi razvića biljke oslobađaju u zemljište (fenolna jedinjenja, flavonoidi i betaini). Dolazi do aktivacije nod gena koji učestvuju u biosintezi Nod faktora. Nod faktori deluju kao povratni signali, aktiviraju lektine (strukturne proteine ćelijskog zida biljaka koji imaju funkciju u prepoznavanju ćelija) u ćelijskim zidovima korenskih dlačica leguminoza, a ovi prepoznaju i olakšavaju vezivanje specifičnih rizobija koje mogu da uđu u simbiozu. Prvi vidljiv znak uvijanje vrha korenske dlačice. Vrh korena obuhvata bakterije i na tom mestu dolazi do hidrolize zida dlačice. Bakterije ulaze u ćeliju korena između ćelijskog zida i membrane.

39 Biljne ćelije luče supstace slične ćelijskom zidu, koje oko bakterija obrazuju tubularni omotač tako počinje formiranje INFEKCIONE niti. Bakterije se dele, nit se produžava u unutrašnjost korena. Infekciona nit je ispunjena matriksom od polisaharida koji verovatno luče oba simbionta. Infekcione niti i nodule se paralelno formiraju.

40 Nakon 24 h dolazi i do morfoloških promena u ćelijama korena. Izvesne ćelije u primarnoj kori počinju da se dele i formira se primordija nodule. Infekciona nit se produžava do primordija i bakterije ulaze u ćelije u centru. U njima se oslobađaju infekcione niti i izlaze u citoplazmu ( na način sličan endocitozi). Po izlazku iz niti bakterije se morfološki menjaju: povećavaju se i do 40 puta, deformišu, obavijene su PERIBAKTERIODNOM membranom BAKTEROIDI. Bakteroidi su stekli status ćelijskih organela i nazivaju se SIMBIOZOMI. LEGHEMOGLOBIN pigment koji se sintetiše u ćelijama nodula i daje crvenkasu boju.

41 Razmnožavanje i diferenciranje ćelija u primordijama dovodi do formiranje krtola. Zavisno od toga da li postoji aktivan meristemski centar postoje dve vrste krtola: indeterminantne i determinantne. Indeterminantne nodule, nastaju naspram ksilemske ploče, od ćelija kore blizu endoderma. Stalno rastu, duguljastog su oblika, zadržavaju meristemsko tkivo na vrhu. Nalaze se kod leguminoza umerenog pojasa: graška, lucerke, deteline...

42 Meristem krtole Zona penetracije bakterija u ćelije Zona ekspanzije inficiranih ćelija Tkivo u kome se nalaze bakterioidi Senescentno tkivo Spoljašnja kora krtole Provodni snopić krtole Unutrašnja kora Provodni snopić korena

43 Determinantne nodule gube meristemsko tkivo nakon infekcije. Postaju deobom subepidermalnih ćelija, kojima se kasnije pridruže i ćelije pericikla.kada se pojave na površini imaju loptast oblik. Javljaju se kod biljaka tropskog porekla: soja, pasulj.. Tkivo u kome se nalaze bakterioidi (4) Senescentno tkivo (4a) Spoljašnja kora krtole (6) Provodni snopić krtole (7) Provodni snopić korena (9)

44 Redukcija N 2 u bakterioidima U TCA ciklusu redukuju se koenzimi NAD, a u respiratornom lancu bakteroida se sintetiše ATP. Energija potrebna za disanje bakterija i fiksaciju N 2, potiče iz metabolički procesa domaćina. Neposredni izvor energije su organske kiseline. Saharoza se razlaže u ćelijama nodula. Pošto su uslovi u ćelijama skoro anaerobni, monosaharidi se oksiduju putem glikolize (PEP karboksilaza vezivanjem CO 2 prizvodi oksalacetat, koji se redukuje u malat). Malat se transportuje u mitohondrije ćelija domaćina gde se u TCA ciklusu sintetišu organske kiseline (primaju NH 4+ ). Malat ili sukcinat se transportuju u bakteroid.

45 Mada je nitrogenaza osetljiva prema kiseoniku, izvesna količina kiseonika je neophodna za oksidativnu fosforilaciju i proizvodnju ATP. U isto vreme u bakteroidima koncentracija kiseonika mora biti niska. Nodule troše četiri puta više kiseonika u disanju nego korenovi. U nodulama postoji barijera za difuziju kiseonika. Unutrašnje ćelije korteksa male, zbijene, bez intercelulara sa posebnim sastavom ćelijskog zida. U ćelijskom zidu se nalazi vodeni sloj koji jako usporava difuziju kiseonika. Kada prođe ovu barijeru kiseonik difunduje u intercelularne prostore koji okružuju ćelije sa bakteroidima. U intercelularima transport kiseonika preuzima leghemoglobin (Lb). Lb ima visok afinitet prema kiseoniku. Polovina leghemoglobina je u obliku LbO 2, pa difunduje do peribakteroidne membrane i otpušta kiseonik koji se troši u disanju. Azot se u bakteroidima redukuje u obliku NH 4 + jona izlazi u citoplazmu nodule, gde se obavlja njegova asimilacija.

46 Amonijak koji nastaje u nodulama je toksičan i odmah se asimiluje u organska jedinjenja koje se zatim transportuju ksilemom u listove. Na osnovu toga koja azotna jedinjenja sintetišu u nodulama postoje dva tipa leguminoza: leguminoze koje u kvržicama asimiluju amonijak u amide (uglavnom glutamin i asparagin) leguminoze koje u kvržicama asimiluju amonijak u ureide (alontoinska kiselina, alantoin i citrulin) ova jedinjenja se u listovima katabolizuju u amonijak, a zatim opet asimiluju u glutamin.

47 DISANJE Pod disanjem biljaka podrazumeva se ćelijsko disanje.

48 Disanje je proces u kome se organska materija razlaže do konačnih produkata CO 2 i H 2 O, uz oslobađanje energije. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 +6H 2 O Do svih ćelija u biljci O 2 dolazi difuzijom, a CO 2 se na isti način izdvaja.

49 U procesu fotosinteze sintetišu se ugljenihidrati, dok u procesu ćelijskog disanja se oslobađa energija pohranjena u njima. Light energy ECOSYSTEM Kod biljaka kao supstrat za disanje (odnosno izvor energije) najčešće su ugljeni hidrati (skrob, saharoza i glukoza). Mogu se koristiti i lipidi (glioksalatni ciklus), organske kiseline i u manjoj meri proteini. CO 2 + H 2 O Photosynthesis in chloroplasts Cellular respiration in mitochondria Organic molecules + O 2 Prvobitno se izvrši njihovo enzimatsko razlaganje do prostijih jedinjenja koja dalje mogu biti razgrađena u procesu disanja na različitim etapama procesa. ATP powers most cellular work Figure 9.2 Heat energy

50

51 Dva osnovna tipa disanja: Aerobno disanje (prisustvo kiseonika) Anaerobno disanje (odsustvo kiseonika)

52 Da bi mogle da se oksidišu skrob i saharoza se prvo razlože do monosaharida, a zatim fosforilišu. Najrasprostranjeniji oblik rezervnih ugljenih hidrata je skrob (polimer ά-d-glukopiranoze) koji se sastoji od amiloze i amilopektina. Sinteza primarnog skroba odvija se u hloroplastima. U mnogim drugim organima postaje od saharoze koja se do njih transportuje floemom, a zatim ulazi u sve ćelije tkiva za magacioniranje (u ovim ćelijama proplastidi se razvijaju u amiloplaste, u kojima se obavlja sinteza skroba). Skrob se razgrađuje u: - amiloplastima do glukozidnih ostataka uz učešće nekoliko enzima (ά-amilaza, β- amilaza i R-enzim) - hloroplastima uz učešće skrobne fosfataze do glukozo-1-fosfata Saharoza se razlaže u citoplazmi i to: - preko invertaze do glukoze i fruktoze koje se zatim fosforilišu (da bi ušle u amiloplast) - preko saharozne sintaze i uridin difosfata (UDP) do uridin difosfoglukoze i fruktoze. Uridin difosfoglukoza prelazi u glukozo-1- fosfat. Kad se iscrpe rezerve ugljenih hidrata za disanje se kao supstrat koriste i lipidi. Lipidi se kao trigliceridi razgrađuju do masnih kiselina i glicerina (hidroliza se dešava u sferozomima). Glicerin se u citoplazmi fosforiliše i kao gliceraldehid- 3-fosfat (GAP) ulazi u glikolizu gde se oksiduje. Masne kiseline se u mitohondrijama razlažu u procesu β oksidacije i acetil-coa ulazi u Krebsov ciklus.

53 Mobilizacija ugljenih hidrata za disanje U pripremnoj fazi disanja polisaharidi se najprije razlažu na monoze, koje se zatim fosforilišu da bi mogle biti oksidovane. Krajnji produkt pripreme za disanje je fruktoza 1,6-bisfosfat (monosaharidi koji se dobiju razlaganjem drugih ugljenih hidrata se u pripremnoj fazi prvo transformišu u glukozu ili fruktozu, koje se zatim fosforilišu). Postoje dva alternativna puta u oksidativnoj degradaciji šećera glikoliza oksiduje se dva puta fosforilovana fruktoza oksidativni pentozni ciklus tzv. direktna oksidacija oksiduje se jedanput fosforilovana glukoza Korišćenje PPi za fosforilaciju čini prvu značajnu razliku između biljnih i animalnih ćelija. PPi je uzgredni produkt anabolizma i dalje se on samo razlaže na dva neorganska fosfata. Biljke mogu da koriste i ovu visokoenergetsku vezu i prištede ATP. G-1-P ulazi pomoću posebnog translokatora u amiloplast i pomoću ADP-glukozne pirofosforilaze prelazi u ADP-glukozu koja služi za sintezu skroba.

54 U aerobnom disanju ćelija koristi energiju vezanu u pruvatu, koji nastaje razgradnjom glukoze, pri čemu nastaju NADH i ATP. Disanje obuhvata tri faze u kojima glukoza oksiduje u nizu reakcija: Glikoliza Krebsov ciklus Transportni lanac elektrona Pre početka glikolize razlaže se skrob do glukoze. Zatim se glukoza aktivira (Fru-1,6-BP) i tek tada počinje glikoliza.

55 Procesi oksidacije glukoze su lokalizovani u citoplazmi, mitohondrijama i delom u plastidima (masti sferozomi i glioksizomi). U I fazi - glikolizi dolazi do razgradnje glukoze do piruvata. Glikoliza se odvija u citoplazmi. U II fazi Krebsov ciklus odvija se u matriksu mitohondrija. Tokom II faze dolazi do oksidacije acetil koenzima A do CO 2 uz redukciju NAD + u NADH. U III fazi sinteza ATP na membranama mitohondrija uz utrošak NADH. Na membranama mitohondrija generiše se gradijent protona na osnovu koga se sintetiše ATP.

56 Glikoliza Razgradnja glukoze u anaerobnom procesu, deo energije se skladišti u ATP Kod svih organizama Kod aerobnih organizama: priprema za Krebsov ciklus i oksidativnu fosforilaciju Kod anaerobnih: priprema za alkoholno i mlečnokiselinsko vrenje

57 Glikoliza Fruktoza 1,6-bifosfat se razlaže na dve trioze: gliceraldehid-3-fosfat i dihidroksiaceton aldolaza

58 Glikoliza Gliceraldehid-3-fosfat se oksiduje u 1,3-fosfoglicerinsku kiselinu Redukcija NAD u NADH+H* Gliceraldehid-3- fosfat-dehidrogenaza

59 Defosforilacija 1,3-difosfoglicerinske kiseline u fosfoenolpirogrožđanu kiselinu: Fosfatnu grupu sa 1,3-difosfoglicerinske kiseline se prenosi na ADP i nastaje 3-fosfoglicerat i ATP. SUPSTRATNA FOSFORILACIJA fosfatna grupa se direktno prenosi sa supstrata na ADP.

60 Defosforilacija fosfoenolpirogrožđane kiseline (PEP) u pirogrožđanu kiselinu; odvajanje još jedne fosfatne grupe i prenošenje na drugi ADP i sinteza drugog molekula ATP-a (supstratna fosforilacija). Piruvat kinaza I druga trioza dobijena od fruktoze takođe podleže ovim reakcijama, tako da se kao krajnji produkt glikolize dobijaju dva molekula pirogrožđane kiseline. PGK u aerobnom metabolizmu prelazi u mitohondrije i biva dalje iskorišćena za dalje dobijanje energije.

61 Energetski bilans glikolize Dva molekula ATP-a se troše u pripremi 4 molekula ATP-a se dobijaju u oksidaciji 2 molekula NAD-a se redukuju za obe trioze 2 molekula ATP-a su krajnji energetski rezultata 2 molekula NADPH+H + su produkt glikolize

62 Energetski bilans glikolize C 6 H 12 O 6 +2ATP+2NAD 2C 3 H 4 O 3 +2ATP+2NADH+2H + Od jednog molekula glukoze nastaju dva molekula pirogrožđane kiseline (PGK), dva molekula ATP-a i 2NADH Značaj glikolize: - sinteza ATP - sinteza NADH koji je bogat energijom i koristi se za: oksidaciju u mitohondrijama (sinteza ATP) kao izvor elektrona Pirogrožđana kiselina može da se koristi u procesima: fermentacije-vrenja (u anaerobnim uslovima) ciklusu trikarbonskih kiselina (u prisustvu kiseonika)

63 Na dva mesta se izbegava korišćenje adenilnih nukleotida (ADP/ATP): Enzim dehidrogenaza gliceraldehid -3-fosfata oksiduje 3-GAP pomoću NAD koenzima, bez fosforilacije ADP. Fosfoenolpiruvatna fosfataza defosforiliše PEP, odvaja neorganski fosfat bez korišćenja ADP.

64 OKSIDATIVNI PENTOZNI CIKLUS Direktna oksidacija glukoze je alternativan put za oksidaciju ugljenih hidrata. Sastoji se iz dvije faze: - oksidativne (koja je ireverzibilna) i - reverzibilne faze koja obuhvata metabolizam pentoza Ovaj proces se obavlja u citosolu i u hloroplastima u mraku (na svetlu reduktivni pentozni ciklus, a u mraku niz reverzibilnih reakcija koje predstavljaju oksidativno pentozni ciklus). U ovom procesu stvaraju se redukcioni ekvivalenti (NADPH) i pentozo fosfati koji su prekursori za ribonukleinske kiseline, a mogu se uključiti i u Kalvinov ciklus.

65 Anaerobni put pirogrožđane kiseline Dobijaju se svega dva molekula ATPa za svaki molekul glukoze. Anaerobni organizmi, bakterije, kvasci

66 Razgradnja PGK kod aerobnih organizama Odvija se u tri etape: 1. U matriksu mitohondrija obrazuje se acetil-koenzim A dekarboksilacijom piruvata uz učešće piruvat dehidrogenaze. 2. Oksidacija organskih kiselina započinje sintezom limunske kiseline (citrat) citrat sintaza. Acetil-CoA (C-2) se vezuje sa oksalsirćetnom kiselinom (C-4) i daje limunsku kiselinu (C-6). Dalje reakcije su reakcije transformacije limunske kiselina (sa tri karboksilne grupe). Odvija se oksidativna dekarboksilacija trikarbonskih kiselina 3. i oksidativna fosforilacija. 4. Transport elektrona i protona PGK 3C PGK CO2 oksalsirćetna kiselina 3NADH FADH2 + acetil - koenzim A 2C Krebsov ciklus 2CO2 koenzim A (CoA) NAD + ATP NADH limunska kiselina MITOHONDRIJA CITOPLAZMA Prvi intermedijer KC-a je limunska kiselina (ciklus limunske kisline, ciklus trikarboksilne kiseline)

67

68 Produkti Krebsovog ciklusa Dva molekula CO 2 u dva stupnja (koraci 3 i 4). Energija oslobođena u oksidacijama u 4 stupnja u obliku redukovanih koenzima NADH+H+ i FADH+H (koraci 3,4,6,8). Regenerišu se oksalsirćetna kiselina i acetil-coa koji ponovo ulaze u ciklus.

69 Tri ugljenika ulaze u ciklus (kao pirogrožđana kiselina), a pojavljuje se 3 CO 2. 2 piruvata +8NAD+2FAD+2ADP+2Pi 6CO2+8NADH+2FADH+2ATP Fosforilacijom na supstratu nastaje 2 mola ATP i jedan mol glukoze, kao i redukcioni koenzimi (8NADH, 2FADH), koji ponovnm oksidacijom u završnom stupnju disanja daju ATP. Svi ugljovodonici su oksidovani u CO 2. Kod biljaka od sukcinil-coa obrazuje sukcinat uz sukcinil-coa sintetazu i sintetiše 1ATP, a ne GTP kao životinja. Kod biljaka postoji i alternativni put oksidacije C4 kiselina (malata, citrata,άketoglutarat). NAD-malat enzim učestvuje u alternativnom putu. Malat iz citoplazme ulazi u matriks mitohondrija.

70 Prenos elektrona sa redukovanih koenzima na kiseonik TERMINALNA OKSIDACIJA; a komponente koje učestvuju u prenosu elektrona čine elektron transportni lanac.

71 NADH i FADH 2 predaju elektrone elektron-transportnom lancu smeštenom u unutrašnjoj membrani mitrohondrija Krajnji primalac elektrona je O 2 : kiseonik; protoni i elektroni daju H 2 O Prilikom transporta elektrona, protoni (H + ) se premeštaju u međumembranski prostor Razlika u koncentraciji protona pokreće ATP-sintetazu da sintetiše ATP u procesu oksidativne fosforilacije Usled prenošenja elektrona kroz membranu dolazi do transporta protona kroz membranu i uspostavljanja elektrohemijskog gradijenta ET lanac biljnih mitohondrija je neosetljiv prema cijanidu i drugim inhibitorima citohrom oksidaze (IV kompleks). Elektroni ne dolaze do kompleksa III i IV već ih ubikinol oksidaza prenosi na alternativnu oksidazu koja redukuje O 2 i proizvodi vodu. Kod biljaka iz fam. Araceae cijanid čak stimuliše potrošnju kiseonika.

72 međumembranski prostor unutrašnja membrana Elektron-transportni lanac Oksidacijom jednog molekula NADH+H + nastaju TRI molekula ATP-a Oksidacijom jednog molekula FADH+H + nastaju DVA molekula ATP-a. 2. Protoni (H + ) se pumpaju u međumembranski prostor 4. Razlika u koncentraciji protona pokreće ATP-sintetazu da stvara ATP matriks elektron-transportni lanac 1. NADH i FADH 2 predaju elektrone elektrontransportnom lancu 3. Krajnji primalac elektrona je O 2, nastaje H 2 O ATP-sintetaza U membrani se nalazi protonska pumpa koja ima i funkciju sinteze ATP-a Ona koristi gradijent protona za sintezu ATP-a.

73 Prije svega TCA je povezan sa glikolizom i oba čine ne samo deo glavnog oksidativnog procesa u ćeliji, nego služe za proizvodnju intermedijernih jedinjenja koja su početni supstrat u drugim biosintetičkim putevima.

74 Energetski bilans glikolize, Krebsovog ciklusa i oksidativne fosforilacije Ulazni molekuli: 1 molekul glukoze ili 2 molekula trioze (PGK) 36 molekula ATP-a: 6 ATP iz glikolize 6 ATP-a iz sinteze acetil CoA (iz 2NADH+H + ) 24 ATP-a iz oksidativne fosforilacije iz NADH+H + u elektron transportnom lancu

75 Glioksilatni ciklus Predstavlja modifikaciju TCA ciklusa, obavlja se u glioksizomima i peroksizomima. I u ovom ciklusu acetil-coa se kondezuje sa oksaloacetatom u limunsku kiselinu, a zatim nastaje izolimunska kiselina. Ne dolazi do oksidativne dekarboksilacije nego se izolimunska kiselina razlaže na glioksilat-jedinjenje sa 2 C atoma, i na sukcinat. Sukcinat prelazi iz glioksizoma u mitohondriju, gdje se oksiduje u TCA ciklusu do malata. Glioksilat se kondezuje sa još jednim molekulom acetil-coa i daje jabučnu kiselinu malat (enzim malatna sintaza). Glioksalatni ciklus prelazak lipida u ugljenehidrate. Enzim malatna dehidrogenaza oksiduje malat u oksaloacetat i tako se regeneriše akceptor acetil-coa za novi ciklus. Ni jedan C se ne oksiduje do CO 2 nego se štede i koriste za dalje procese.

76 Glukoneogeneza Proces stvaranja šećera od masti zove se glukoneogeneza (biljkama su šećeri pogodniji izvor energije za rastenje i razviće). - Malat koji je nastao u mitohondriji ili glioksizomu izlazi u citoplazmu i oksiduje se u oksaloacetat. Oksaloacetat u prisustvu ATP i pod dejstvom PEP-karboksikinaze se dekarboksiliše i fosforiliše i dobija se PEP. PEP ulazi u glikolitički proces, koji protiče u obrnutom smjeru i naziva se glukoneogeneza (sve reakcije u glikolizi su reverzibilne izuzev one u kojoj PEP prelazi u piruvat-ulaskom direktno u reverznu glikolizu ovaj ireverzibilan korak je izbjegnut). Na kraju se izgrađuje se saharoza - to je način na koji se u semenima koja klijaju rezervna ulja pretvaraju u saharozu i koja se transportuje u mladu biljku i služi tek tada za sintezu gradivnog materijala i kao izvor energije. Oksidacija šećera u mladoj biljci preko TCA ciklusa ili oksidativnog pentoznog ciklusa povezuje metabolizam rezervnih lipida sa sintezom mnogih drugih jedinjenja neophodnih za rastenje. Rezervne masti se razlažu u oleazomu u ugljene hidrate, masne kiseline u glioksizomu prolaze kroz β-oksidaciju i glioksilatni ciklus; sukcinat u mitohondriji prolazi kroz TCA ciklus iz koga malat izlazi u citosol. U reverznoj glikolizi izgrađuje se prvo fruktoza bisfosfat, a zatim saharoza.

77 . Uticaj spoljašnjih činilaca na disanje Spoljašnji činioci utiču na intenzitet disanja tako što usporavaju ili ubrzavaju proces. Temperatura je najznačajniji spoljašnji faktor koji utiče na disanje jer su sve enzimske reakcije zavisne od temperature. U granicama variranja temperature od 0 do 40 o C, pri porastu temperature za 10 o C disanje ubrzava 2-3 puta. Pri visokim temperaturama iznad 45 o C pri dugotrajnom delovanju dolazi do promene na enzimima, što negativno utiče na disanje. Disanje kao i svi drugi životni procesi zavisi od prisustva vode u biljnoj ćeliji. Intenzitet disanja zavisi od hidratacije koloida protoplazme. Pri klijanju semena naglo se pojačava intenzitet disanja. U mladim listovima i organima koji sadrže dosta vode i rastu disanje je intenzivno. Disanje korena zavisi od koncentracije rastvorenog kiseonika u vodi koja se nalazi u zemljištu. Kada je zemljište prezasićeno vodom razmena gasova je mala i rastvorljivost kiseonika je mala. Koren u ovim uslovima može doći u stanje anaerobije, čime je onemogućeno disanje. Pri povećanoj koncentraciji CO 2 intenzitet disanja se smanjuje. Disanje se odvija na svetlosti i u mraku. Svetlost posredno utiče na disanje. Od svetlosti zavisi proces fotosinteze u kome se oslobađa kiseonik koji se koristi u disanju.