Φυσιολογία Φυτών
Φυσιολογία Φυτών Πως λειτουργεί ένα ακίνητος οργανισμός? Πως αντιμετωπίζει βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες καταπόνησης? Πως σχετίζεται η ακινησία με το γεγονός ότι η τροφή των φυτών είναι διάχυτη και όχι συμπυκνωμένη και συσκευασμένη (ζώα)? Πως επηρεάζονται οι φυτικές λειτουργίες από το γεγονός ότι η ενεργειακή τους πηγή είναι επίσης διάχυτη? Πως εξασφαλίζεται η επικοινωνία μεταξύ των μερών σε ένα οργανισμό που δεν διαθέτει κυκλοφορικό σύστημα? Πως συντονίζεται η ανάπτυξη με το περιβάλλον απουσία αισθητηρίων και κυκλοφορικού?
Φυσιολογία Φυτών Φωτοσύνθεση Αναπνοή Το νερό και οι διεργασίες μεταφοράς του Ανόργανη θρέψη: πρόσληψη, μεταφορά και αφομοίωση θρεπτικών στοιχείων Μεταφορά φωτοσυνθετικών προϊόντων Ισοζύγια ενέργειας, άνθρακα και νερού Ρυθμιστές της φυτικής ανάπτυξης Αλληλεπιδράσεις φυτών - μικροοργανισμών
Φωτοσύνθεση: η διεργασία που τρέφει τη βιόσφαιρα η τροφή
Μονοκύτταρα πρώτιστα βρυόφυτα φύκη
Φωτοσύνθεση Ανοικτό θερμοδυναμικό σύστημα Είσοδος ενέργειας (hv) Φωτοσύνθεση Ζωή
Φωτοσύνθεση Φως Χρωστικές Φωτεινές αντιδράσεις Σκοτεινές αντιδράσεις CO 2 + H 2 O [CH2O] + O 2
Ιδιότητες του φωτός Το φως έχει ιδιότητες κυματικές και σωματιδιακές Κυματικές ιδιότητες Μεταδίδεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ταχύτητα c = 3 10 8 m sec -1 μήκος κύματος λ nm συχνότητα v sec -1 (Hz) c = λ v
Ιδιότητες του φωτός Σωματιδιακές ιδιότητες (Einstein 1905) Το φως εμφανίζει σωματιδιακές ιδιότητες όσον αφορά την ενεργειακή περιγραφή του. Δρα σαν να είναι χωρισμένο σε διακριτές μονάδες φωτόνια Η ενέργεια ενός φωτονίου με μήκος κύματος λ δίδεται από τον τύπο: Ε = hv = hc/λ h, σταθερά του Planck (6.626 10-34 J sec).
Ακτινοβολία
Οι 3 περιοχές του φάσματος ανάλογα με το αποτέλεσμα στα βιολογικά υλικά Ιονίζουσες ακτινοβολίες ελεύθερες ρίζες, μεταλλαξιγόνος δράση ακόμη και θάνατος σε βιολογικά υλικά
αύξηση της θερμοκρασίας των υλικών στα οποία προσπίπτουν, μέσω αύξησης της κινητικής ενέργειας των μορίων Οι 3 περιοχές του φάσματος ανάλογα με το αποτέλεσμα στα βιολογικά υλικά
Η ενέργεια των φωτονίων επαρκεί για να προκαλέσει μεταπτώσεις ηλεκτρονίων σε τροχιές με υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο σε ορισμένα μόρια-στόχους (διέγερση μορίων). Τα διεγερμένα μόρια μπορούν με τη σειρά τους να αντιδράσουν με άλλα μόρια με τελικό αποτέλεσμα μια σταθερή χημική αλλαγή (φωτοχημικό αποτέλεσμα) Οι 3 περιοχές του φάσματος ανάλογα με το αποτέλεσμα στα βιολογικά υλικά
Ορατό φως Χρώμα Περιοχή λ, nm Ενέργεια, KJ mol -1 UV-C 100-280 471 UV-B 280-320 399 UV-A 320-400 332 Ιώδες 400-425 290 Κυανό 425-490 274 Πράσινο 490-550 230 Κίτρινο 550-585 212 Πορτοκαλί 585-640 196 Ερυθρό 640-700 181 Μακρό ερυθρό 700-740 166 Υπέρυθρο >740 85
Φως & Φωτοσύνθεση PAR Photosynthetic Active Radiation PPFD Photosynthetic Photon Flux Density μmol φωτονίων m -2 s -1
Αποτελέσματα της απορρόφησης του φωτός Νόμος Grotthus-Draper: το φως για να επιφέρει κάποιο βιολογικό αποτέλεσμα πρέπει να απορροφηθεί (φωτοσύνθεση, φωτομορφογένεση, φωτοπεριοδισμός) Νόμος Stark-Einstein: κάθε φωτόνιο που απορροφάται διεγείρει ένα και μόνο μόριο Einstein: η ενέργεια ενός φωτονίου που απορροφάται μεταφέρεται σε ένα και μόνο ηλεκτρόνιο
Διέγερση των μορίων ηλεκτρόνια η ενέργειά τους μπορεί να αλλάξει μόνο κατά ορισμένα ποσά μόνο φωτόνια ορισμένου μήκους κύματος μπορούν να προκαλέσουν μεταπήδηση ηλεκτρονίου σε ανώτερο ενεργειακό επίπεδο ενέργεια φωτονίου = ΔΕ μεταξύ των δύο ενεργειακών επιπέδων του ηλεκτρονίου
Διέγερση των μορίων θεμελιώδης κατάσταση ανώτερη διεγερμένη κατάσταση κατώτερη διεγερμένη κατάσταση
Ένα μόριο χλωροφύλλης ευρισκόμενο στη θεμελιώδη κατάσταση απορροφά φως και μεταπίπτει σε διεγερμένη κατάσταση ανώτερη διεγερμένη κατάσταση κατώτερη διεγερμένη κατάσταση 460 nm 660 nm θεμελιώδης κατάσταση
Πώς αποδιεγείρεται; 1. Εκπομπή θερμότητας 2. Φθορισμός 3. Μεταφορά διεγέρσεως (μεταφορά παλμού) 4. Μεταφορά ηλεκτρονίου - φωτοχημεία Όλα συμβαίνουν κατά τη φωτοσύνθεση
1. Εκπομπή θερμότητας - Μετάπτωση χωρίς ακτινοβολία Μετάπτωση από διεγερμένη κατάσταση σε κατάσταση διεγέρσεως χαμηλότερου ενεργειακού επιπέδου ή σε θεμελιώδη κατάσταση με εκπομπή θερμότητας Ταχύτητα 10-12 sec ανώτερη διεγερμένη κατάσταση κατώτερη διεγερμένη κατάσταση 460 nm 660 nm θεμελιώδης κατάσταση
ΦΘΟΡΙΣΜΟΣ 2. Φθορισμός Μετάπτωση από την κατώτερη διεγερμένη κατάσταση στην θεμελιώδη κατάσταση με εκπομπή ακτινοβολίας Περίοδος ζωής 10-9 - 10-6 sec λ φθορισμού > λ απορροφούμενου φωτός ανώτερη διεγερμένη κατάσταση κατώτερη διεγερμένη κατάσταση 460 nm 660 nm θεμελιώδης κατάσταση
3. Μεταφορά διεγέρσεως Η ενέργεια διεγέρσεως ενός μορίου μπορεί να μεταφερθεί σε ένα γειτονικό του εάν: 1. Η μεταξύ τους απόσταση είναι επαρκώς μικρή (<10 nm για τη χλωροφύλλη) 2. Το ποσό της διαθέσιμης ενέργειας στο μόριο δότη αντιστοιχεί επακριβώς σ αυτό που μπορεί να δεχτεί το μόριο δέκτης
Φωτοσυνθετική συσκευή Νόμος Grotthus-Draper: το φως για να επιφέρει κάποιο βιολογικό αποτέλεσμα πρέπει να απορροφηθεί (φωτοσύνθεση, φωτομορφογένεση φωτοπεριοδισμός). φωτοσυνθετικές χρωστικές ένζυμα χλωροπλάστης
Φωτοσυνθετικές χρωστικές Οργανικές ουσίες που απορροφούν φως και παίζουν κάποιο ρόλο στη φωτοσύνθεση. 1. χλωροφύλλες 2. καροτενοειδή 3. φυκομπιλίνες
Χλωροφύλλες chla -σε όλους τους ευκαρυωτικούς φωτοσυνθετικούς οργανισμούς & κυανοβακτήρια chlb -σε ανώτερα φυτά, πτέριδες, βρύα, πράσινα φύκη -βοηθητική χρωστική chlc & d βακτηριοχλωροφύλλη -σε ομάδες φυκών (φαιοφύκη & διάτομα) -αντικαθιστούν την chlb (βοηθητικές) -σε βακτήρια πλην κυανοβακτηρίων
Δομή χλωροφυλλών CHO O chld CHO chlb CH 2 CH 3 CH H 4 πυρρολικοί δακτύλιοι πορφυρινικός δακτύλιος 5 ος δακτύλιος κυκλοπεντανόνης φυτόλη (τερπενική αλκοόλη) H 3 C H 3 HC H H 2 C I II N N Mg N N IV III H H CH 2 C O O CH 2 CH H 3 C C CH H C 2 2 CH HC 2 H 3 C CH H C 2 2 CH HC 2 H 3 C CH H C 2 2 CH HC 2 H 3 C CH3 O COOCH 3 C 2 H 5 H CH 3
Οπτικές ιδιότητες χλωροφυλλών μέγιστα απορρόφησης chla 430 662 chlb 455 644 καροτενοειδή 400-500
Οπτικές ιδιότητες χλωροφυλλών
Καροτενοειδή Σε όλους τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς (φυτά, φύκη, βακτήρια) Αναλογία car/chl 1/5 1. Βοηθητικές χρωστικές 2. Προστασία από φωτοοξείδωση 3. Χρώματα
Δομή καροτενοειδών Iσοπρενοειδείς ουσίες με 40 άτομα C καροτένια C + H ξανθοφύλλες C + H + Ο
Βοηθητικές χρωστικές και μεταφορά παλμού Chlb + hν Chlb* Chlb* + Chla Chlb + Chla* Μεταφορά ενέργειας στη chla
Που συμβαίνουν όλα?
Χλωροπλάστης Εξωτερικά διπλή μεμβράνη Εσωτερικά δίκτυο μεμβρανών Θυλακοειδή Grana Στρώμα
Χλωροπλάστης Κάθε τυπικό φωτοσυνθετικό κύτταρο του μεσοφύλλου περιέχει συνήθως 20 60 χλωροπλάστες
Χλωροπλάστες Φωτοσυνθετικοί ιστοί
Γιατί όλα αυτά φαίνονται πράσινα? Light Reflected light Chloroplast Absorbed light Granum Transmitted light
Το χρώμα των φύλλων υποδηλώνει τη φυσιολογική τους κατάσταση