VISOKO GOSPODARSKO UČILIŠTE U KRIŽEVCIMA Dr.sc. Marija Vukobratović Križevci, 2009. 1
UVOD U METABOLIZAM Svi živi organizmi za svoje aktivnosti (održavanje života, rast i razvoj) zahtijevaju energiju, a izvor te energije je Sunce. Energija je sposobnost da se uzrokuje promjena ili izvrši rad. Međutim, čak 50% od ukupnog Sunčevog zračenja se reflektira natrag u svemir, velik dio služi za pretvorbu vode u vodenu paru ili ga apsorbira tlo, a živi organizmi koriste samo 2% preostalog zračenja. S obzirom na način opskrbe energijom dva su osnovna tipa odnosa organizama i okoliša: autotrofni organizmi koji Sunčevu svjetlost koriste za sintezu hrane i heterotrofni organizmi koji koriste gotovu hranu kao izvor energije. Žive stanice iz usvojenih hranjivih tvari iz okoliša procesom metabolizma izgrađuju svoje sastojke. Pri tom se fiziološki procesi rijetko odvijaju spontano već je potrebna pretvorba kemijski vezane energije. Metabolizam je cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u stanici ili organizmu, a podrazumijeva sve kataboličke i anaboličke reakcije. Katabolizam je niz procesa razgradnje složenih kemijskih spojeva na jednostavnije uz oslobađanje energije (disanje i fermentacija). Šećeri (ugljikohidrati) se na primjer mogu razgraditi djelomično, bez prisustva kisika, a proces se naziva vrenje ili fermentacija ili potpuno uz prisustvo kisika, a proces se naziva stanično disanje ili respiracija. Anabolizam je niz procesa izgradnje složenih spojeva iz jednostavnih uz utrošak energije. Sva energija je podvrgnuta osnovnim zakonima termodinamike. Prvi zakon termodinamike kaže da se energija ne može ni iz čega stvoriti, niti se može uništiti, ali može mijenjati svoj oblik (toplinska, kemijska, svjetlosna, mehanička), tako se na primjer kemijska energija u hrani može pretvoriti u energiju gibanja. Drugi zakon termodinamike kaže da svaki prijenos ili promjena energije povećava entropiju (nered) svemira. Kad energija mijenja oblik u nekom sustavu, sadržaj korisne energije koji preostaje nakon pretvorbe uvijek je manji nego je bio prije pretvorbe. To znači da su pretvorbe energije neučinkovite. Živi organizmi koriste slobodnu energiju, tj. dio energije sustava koji je dostupan pri stalnom tlaku i temperaturi. Energija može biti u dva oblika: 2
potencijalna i kinetička. Kinetička energija je energija gibanja, a potencijalna energija je pričuvna energija, koja postoji u fotonima svjetlosti ili u molekulama (ugljikohidratima, mastima). Složene molekule, kao na primjer ugljikohidrati, imaju više potencijalne energije od jednostavnih molekula, na primjer CO 2. Na temelju promjene slobodne energije kemijske reakcije se dijele na egzergone ili spontane i endergone ili nespontane. Spontane su sve kemijske reakcije čiji produkti sadrže manje slobodne energije nego reaktanti. To su reakcije razgradnje pri čemu se slobodna energija najčešće pretvara u toplinsku, a reakcije se nazivaju egzotermne. Nespontane su reakcije sinteze koje, da bi se dogodile, moraju apsorbirati energiju. Ako je energija toplinska reakcije se nazivaju endotermne. Razgradnja organskih molekula je egzergona ili spontana reakcija, a energija se oslobađa prijenosom elektrona tijekom kemijskih reakcija. Ovakve kemijske reakcije nazivaju se redoks reakcije, a radi se zapravo o prijenosu elektrona s jednog reaktanta na drugi reakcijama oksidacije i redukcije. U oksidaciji tvar gubi (otpušta) elektrone tj. oksidira se i naziva se oksidirana tvar ili donor elektrona. U redukciji tvar dobija elektrone tj. reducira se i naziva se reducirana tvar ili akceptor elektrona. U staničnom disanju se na primjer glukoza oksidira, a kisik se reducira Postaje oksidirana C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + Energija Postaje reduciran Tijekom fotosinteze i staničnog disanja koristi se transportni lanac elektrona da bi se oslobodila energija. U transportnom lancu, elektroni se prenose od jedne molekule do druge, pri čemu oslobađaju energiju koja se zatim koristi za izgradnju energijski bogatih veza ATPa, a nastali ATP koristi se za stanični rad. 3
Slika 1. i 2. Transportni lanac elektrona (preuzeto: Internet, predavanje doc. dr. sc. Lidije Šver) Elektroni se iz organskih spojeva obično prvo prenose na molekule akceptore elektrona, a to su: NAD + (nikotinamid-adenin-dinukleotid) i FAD (flavin-adenindinukleotid. 4
Slika 3: Nikotinamid-adenin-dinukleotid Slika 4. Flavin-adenin-dinukleotid (preuzeto: en.wikipedia.org/wiki/fad) 5
Organizmima je potreban stalan dotok slobodne energije za tri osnovna procesa: mehanički rad, aktivan prijenos molekula i iona i sintezu makromolekula iz jednostavnih spojeva. Fotoautotrofni organizmi koriste svjetlosnu energiju, a kemoautotrofni iz oksidiranih hranjivih tvari koje primaju iz okoliša. Ovako dobivena energija kratkoročno je pohranjena u molekulama ATPa (adenozintrifosfata), a dugoročno u molekulama ugljikohidrata, masti i proteina. Slika 5: Adenozin-trifosfat Sam proces dobivanja energije iz hranjivih tvari može se podijeliti u tri stupnja: 1. makromolekule se razgrađuju do jednostavnih molekula (polisaharidi do monosaharida, masti do glicerola i masnih kiselina, proteini do aminokiselina), a pri tom ne nastaje korisna energija 2. manje molekule se dalje razgrađuju do jednostavne jedinice acetil-coa, a pri tom se stvara nešto ATPa 3. acetilne skupine se u ciklusu limunske kiseline i dišnom lancu oksidiraju do ugljikova dioksida, a pri tom nastaje većina ATPa. Zbog organizacije stanice i regulacije procesa, mjesta dobivanja i potrošnje energije nisu ista, već najčešće udaljena, pa se energija konzervira u molekuli ATPa. Kada je stanici potrebna energija, ATP se hidrolizira u ADP (adenozin difosfat) i anorganski fosfat uz oslobađanje energije (-7,3 kcal/mol). 6
Slika 6: Adenozin-difosfat Slika 7: Adenozin-monofosfat 7
FOTOSINTEZA Na Zemlji postoji život zahvaljujući Sunčevoj energiji i organizmima koji ju mogu iskorištavati. Većina biljaka su fotoautotrofi, dakle koriste Sunčevu svjetlost da bi iz vode i ugljičnog dioksida u procesu fotosinteze proizveli organske molekule. Fotosinteza je proces u kojem se svjetlosna energija pretvara u kemijsku pomoću koje se ugljikov dioksid iz atmosfere povezuje u mnoge organske spojeve. Energija pohranjena u tim spojevima koristi se zatim u svim procesima važnim za život stanice, kako autotrofnih tako i heterotrofnih organizama. Fotosinteza se pojednostavljeno može prikazati sljedećom jednadžbom: 6 CO 2 + 12 H 2 O + svjetlosna energija C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O Ili CO 2 + H 2 O [CH 2 O] + O 2 Ili Slika 8. Faze fotosinteze (preuzeto: skripta prof. dr. sc. T. Teklić) Zelene biljke su zasada jedini sustav u kojem se fotosinteza može odvijati, zahvaljujući tome što posjeduju kloroplaste u kojima se nalaze biljna bojila ili pigmenti, koji mogu apsorbirati svjetlosnu energiju. Struktura kloroplasta i kloroplastnih pigmenata 8
Kloroplasti su stanične organele, ovalnog ili elipsoidnog oblika, dužine do 6 μm, a širne do 2 μm. Broj kloroplasta u stanici je vrlo različit, od 30 do više od 100, a najviše ga sadrže stanice mezofila lista. peteljka 1. LIST plojka epiderma mezofil 2. PRESJEK LISTA epiderma puči stanična stijenka jezgra vakuola klloroplast vanjska membrana unutrašnja membrana stroma granum tilakoid tilakoidna membrana tilakoid lokulus 3. MEZOFILNE STANICE 4. KLOROPLAST 5. GRANUM Slika 9. Građa lista (preuzeto: skripta prof. dr. sc. T. Teklić) Kloroplasti su (slika 8) obavijeni ovojnicom, koju čini vanjska i unutrašnja membrana, između kojih je međumembranski prostor. Unutrašnja membrana okružuje stromu i treću naboranu membranu (tilakoidi). Tilakoidi su mjestimično skupljeni u paketiće ili granume. Kloroplastni pigmenti vezani su na protein u tilakoidnoj membrani i aktivni su samo u tom obliku. 9
Šver) Slika 10. Građa kloroplasta (preuzeto: Internet, predavanje doc. dr. sc. Lidije Za Za fotosintezu su značajni klorofili i karotenoidi. Klorofila ima pet: a, b, c, d, i e, ali u procesu fotosinteze u višim biljkama sudjeluju samo klorofil a i klorofil b. Klorofil a je plavozelene boje, a klorofil b žutozelene boje. Slika 11. Struktura klorofila (preuzeto: www.emc.manicopa.edu/faculty/farabee/biobk/biobookps.html) 10
Strukturu klorofila čini porfirinski sustav (slika 9.) koji je građen od četiri pirolska prstena međusobno povezana metilnim skupinama. Sustav sadrži mnoge dvostruke veze i labavo vezane elektrone koji sudjeluju u reakcijama. U središtu porfirinskog sustava nalazi se atom magnezija (Mg) koji je vezan sa atomima dušika (N) na vrhu pirolovih prstena. Na pirolski prsten br. IV vezan je fitol, alkohol s 20 C- atoma. Fitol je građen od četiri izoprenske jedinice što ga čini hidrofobnim i topivim u lipidima. Upravo tim dijelom molekule klorofil je pričvršćen za određeni protein u tilakoidnoj membrani. Sličnu porfirinsku strukturu imaju hemoglobin, citokromi, kobalamin (vitamin B 12 ) i mnogi drugi spojevi važni u metabolizmu (slika 10). Klorofili se međusobno razlikuju samo po radikalu na pirolovom prstemu br. II, pa klorofil a ima metilnu, a klorofil b aldehilnu skupinu. Zbog ovog svojstva apsorbiraju svjetlost različitih valnih duljina. ja Slika 12. Vitamin B 12 (kobalamin) (preuzeto: en.wikipwedija.org/wiki/cobalamin) 11
U procesu apsorpcije svjetla u fotosintezi sudjeluju i pomoćni pigmenti, karotenoidi koji se dijele na karotene i ksantofile. Po kemijskom sastavu to su linearni ugljikovodici građeni od 8 izoprenskih jedinica s jononskim prstenovima na krajevima (slika 11). Karoteni imaju karakterističnu crvenkastu ili žuto-narančastu boju, a najpoznatiji su β-karoten (mrkva) i likopen (rajčica). Ksantofili su oksidirani oblici karotena tj. sadrže kisik (O). Najpoznatiji su lutein, violaksantin, neoksantin i zeaksantin. Slika 13. Struktura karotenoida (preuzeto: skripta prof.dr.sc. T. Teklić) Zbog apsorpcije svjetla valnih duljina od 380 do 550 nm, proširuju djelotvorni spektar za fotosintezu, a imaju i zaštitnu ulogu. Štite klorofil od fotooksidacije vežući na sebe višak kisika koji nastaje u uvjetima intenzivnog osvjetljenja. Narančasti, crveni i žuti karotenoidi i ksantofili postaju vidljivi u lišću kada klorofil nije više prisutan i ne maskira ih (u jesen). 12
Tekli ć) lika 14. Apsorpcija vidljivog dijela spektra (preuzeto: skripta prof.dr.sc. T. Proces fotosinteze se može podijeliti na dvije osnovne faze: svijetlu i tamnu. Svijetla faza se odvija uz učešće svjetla, dok se tamna faza odvija paralelno sa svjetlom ali bez potrebe za svjetlosnom energijom. Svijetla faza fotosinteze U svjetlosnim reakcijama (primarnim) Sunčeva se energija pretvara u kemijsku energiju. Sunčeva energija služi za redukciju NADP + (nikotinamid-adenindinukleotid-fosfat) u NADPH i dodavanje fosfatne skupine na ADP (adenozindifosfat), a pri tome nastaje ATP. NADPH je izvor elektrona za redukciju CO 2 u tamnoj fazi fotosinteze, a ATP je izvor energije koja se ugrađuje u primarne produkte fotosinteze (niskomolekularne ugljikohidrate). U ovoj se fazi također razgrađuje voda i oslobađa kisik kao sporedni proizvod fotosinteze, koji omogućuje život aerobnih organizama na Zemlji. Priroda sunčeve energije je dvojaka: ima svojstva elektromagnetskog vala, ali i energetske čestice (fotona). Fotoni se kreću u obliku vala čija duljina ovisi o energiji koju foton sadrži, tako da fotoni s većom energijom imaju manju valnu duljinu i obrnuto. Na Zemlju dolazi samo mali dio te energije jer atmosferski 13
omotač služi kao filter koji propušta samo mali dio sunčevog elektromagnetskog spektra. Za pokretanje reakcija fotosinteze koristi se energija Sunčevog spektra od 400 do 700 nm (slika ), a fotoni niže ili više valne duljine, ne mogu biti iskorišteni u procesu. Navedeni raspon podudara se s rasponom valnih duljina koji se naziva bijela ili vidljiva svjetlost. Ova se svjetlost može rastaviti na niz spektralnih boja od ljubičaste do crvene (slika). Slika 15. Sunčev spektar (preuzeto: www.emc.manicopa.edu/faculty/farabee/biobk/biobookps.html)) Energija infracrvenog zračenja (IR) koje obuhvaća valne duljine preko 760 nm je nedovoljna za pokretanje fotokemijske reakcije, međutim predstavlja toplinsko zračenje, koje može imati značajnu ulogu u fiziološkim procesima organizma, pošto ga apsorbira voda. Zračenje kraćih valnih duljina, ultraljubičasto (UV), ima veći sadržaj energije i može oštetiti žive organske strukture organizama. Elektroni se u atomu kreću po točno određenim putanjama, orbitalama. Apsorpcijom određene energije mogu prijeći na višu energetsku razinu i naći se u 14
pobuđenom ili ekscitiranom stanju. Samo određene valne duljine svjetlosti (plavi i crveni dio spektra) mogu ekscitirati elektron u molekuli pigmenta. Tako elektroni iz molekule klorofila u tilakoidnim membranama pobuđeni Sunčevom energijom, prelaze na susjedne molekule (primarne akceptore elektrona). Klorofil a, klorofil b i karotenoidi nalaze se u nakupinama u tilakoidima i služe kao antene za apsorpciju svjetlosti. Samo neke molekule klorofila a iz tih skupina mogu svoj elektron predati dalje, a mjesto gdje se ta molekula nalazi naziva se reakcijsko središte fotosustava. Elektron prihvaćaju različiti prenositelji elektrona (citokromi, plastokinoni, plastocijanin, feredoksin) smješteni u tilakoidnim membranama kloroplasta sve do NADP +, koji se pri tom uz prihvat protona (H + ) reducira u NADPH. To je zapravo trenutak kada se svjetlosna energija pretvara u kemijsku, a ovakav put elektrona naziva se neciklički ili linearni. Prazno mjesto u elekronskom omotaču početnog klorofila popunjava se elektronom iz vode nakon fotolize. Moguć je i drugačiji put elektrona, gdje se oni vraćaju u polazno reakcijsko središte, a pri tom se apsorbirana energija svjetlosti ugrađuje u ATP. Ovakav put naziva se ciklički put elektrona. Odvija se samo u određenim uvjetima (kada nema ATP. + dovoljno NADP ) i ne zna se da li ima kakvu drugu ulogu u biljkama, osim sinteze Tamna faza fotosinteze (Calvinov ciklus) Tamna faza fotosinteze se odvija bez potrebe za svjetlom u stromi kloroplasta. Radi se zapravo o redukciji CO 2 do ugljikohidrata, a pri tom se koristi energija iz ATP-a dobivena u svjetloj fazi fotosinteze i NADPH kao izvor elektrona. Proces se odvija u tri faze: 1. karboksilacija ili fiksacija CO 2 na ribuloza-1,5- difosfat uz pomoć enzima rubisco, a nastaje ugljikohidrat sa tri C-atoma (gliceraldehid), 2. redukcija ugljika do ugljikohidrata tj. transformacija dvije molekule gliceraldehida u molekulu fruktoze i dalje u glukozu, 3. regeneracija primatelja CO 2 (ribuloze-1,5- difosfata). 15
3 molekule CO 2 3 molekule 3 3 ADP ATP 3 molekule RuBP 4. regeneracija RuBP rubisco 1. fiksacija 2. ugljika 2. redukcija 6 molekula 3-PGA 6 6 ATP ADP 3 molekule G3P 1 molekula G3P 3. izdvajanje šećera 6 molekula G3P 6 NADPH 6 NADP + 6 molekula 3-PGA glukoza i drugi spojevi Slika 16. Calvinov ciklus (preuzeto: skripta prof.dr.sc. T. Teklić) Jednadžba za Calvinov ciklus glasi: 6 CO 2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + + + 18 ADP + 18 P + 12 NADP + 6 H Calvinov ciklus odvija se u stromi kloroplasta, a naziva se i C-3 tip fotosinteze, s obzirom da je prvi produkt šećer s 3 C atoma. Biljke će u optimalnim klimatskim uvjetima, kod normalne otvorenosti puči i prisutnosti dovoljnih količina CO 2, provoditi C-3 fotosintezu. Ugradnja CO 2 je tada maksimalna. Međutim, u sušnijim predjelima, kad su puči uglavnom zatvorene radi sprječavanja gubitka vlage, javlja se manjak CO 2 i nema aktivacije enzima rubisco koji vrši njegovu ugradnju. Neke biljke, poput kukuruza i šećerne trske, razvile su sposobnost vezanja CO 2 i u takvim uvjetima. CO 2 se kod njih veže na fosfoenol piruvat i nastaje spoj s 4 C atoma (oksalacetat), a ovaj tip fotosinteze se naziva C-4 tip fotosinteze. 16
Pokazatelji fotosinteze Postoji nekoliko osnovnih parametara koje koristimo da bismo mogli utvrditi efikasnost fotosinteze. To su: 1. intenzitet fotosinteze koji predstavlja količinu usvojenog CO 2 na jedinicu lisne površine u određenom vremenu (mg CO 2 dm -2 sat -1 ) 2. fotosintetska efikasnost je odnos između akumulirane i apsorbirane energije 3. produktivnost fotosinteze je količina stvorene organske tvari po jedinici lisne površine u određenom vremenu. Može biti izražena kao biološki ili poljoprivredni prinos. Biološki prinos je ukupna masa stvorene organske tvari po jedinici površine tla, dok je poljoprivredni prinos masa stvorene organske tvari određenih biljnih organa zbog kojih se biljka uzgaja (zrno, korijen, gomolj). 4. koeficijent efikasnosti fotosinteze je odnos čiste produktivnosti fotosinteze i usvojenog CO 2 5. koeficijent poljoprivredne efikasnosti fotosinteze je odnos količine suhe organske tvari u poljoprivrednom dijelu prinosa i količine ukupne organske tvari (tzv. žetveni indeks) 6. kompenzacijska točka predstavlja stanje kad je intenzitet fotosinteze jednak intenzitetu disanja 7. neto fotosinteza je intenzitet fotosinteze umanjen za intenzitet disanja 17
Čimbenici koji utječu na intenzitet fotosinteze Na intenzitet fotosinteze utječe niz abiotskih i biotskih čimbenika pa iako je teoretska efikasnost fotosinteze preko 20%, u poljskim uvjetima našeg podneblja ona iznosi oko 0,5%. I Abiotski Svjetlost Prema potrebi za svjetlom biljke se dijele na heliofite ili one koje trebaju veću osvjetljenost i na skiofite ili biljke sjene (većina korovskih biljaka). Svjetlost utječe na fotosintezu intenzitetom i kvalitetom. Dnevni intenzitet osvjetljenosti vedrog i sunčanog dana je 80 000 120 000 lx. Za proces fotosinteze biljke koriste uglavnom difuznu svjetlost intenziteta 5 000 15 000 lx i u prosjeku iskoriste do 5% Sunčeve energije. Povećanjem intenziteta osvjetljenja povećava se potreba za CO 2, a samim tim i fotosinteza. S druge strane slabo osvjetljenje u ranim jutarnjim i večernjim satima, kao i u oblačnim danima, može biti limitirajući čimbenik za normalno odvijanje fotosinteze (slabija sinteza organske tvari znači slabiji prinos). Postoje također biljke koje ne toleriraju visok intenzitet sv jetla. Kod njih dolazi do tzv. fotoinhibicije u kloroplastima, gdje kisik nastaje kao sporedni produkt fotosinteze i može izazvati fotooksidaciju klorofila, ukoliko nije vezan karotenoidima. Sastav svjetlosti se mijenja ovisno o kutu pod kojim zrake padaju. Pri niskom položaju Sunca kada je kut manji, dolazi na Zemlju više crvenog dijela spektra, a kad je kut veći više je kratkovalnih zraka. Spektralni sastav svjetlosti utječe na fotosintezu, pa kod crvene svjetlosti prevladava sinteza škroba, a kod plave proteina, dok valne duljine ultraljubičastog dijela spektra, s visokim sadržajem energije, mogu izazvati strukturne promjene značajne u procesima replikacije i transkripcije DNA. 18
Regulacijom svjetlosnog režima, sjetva ili sadnja u pravcu sjever-jug, optimalan sklop, prekrivanje tla između redova u voćnjacima reflektirajućom folijom ili dopunska rasvjeta u zaštićenim prostorima, moguće je utjecati na intenzitet fotosinteze i produktivnost biljaka. Maksimalna fotosinteza odvija se između 9 i 12 sati i između 16 i 17 sati. Temperatura Utjecaj temperature na fotosintezu zavisi od biljne vrste, jer su i zahtjevi biljaka za toplinom različiti. Smatra se da je optimalna temperatura za fotosintezu kod većine biljaka 20-30 o C, mada arktičke biljke imaju optimum kod 8 o C, a tropske kod 30-40 o C. Porastom temperature raste i fotosinteza, sve do trenutka kad se zbog visoke temperature inhibiraju životni procesi u biljkama (35-55 o C, ovisno o opskrbljenosti vodom i adaptaciji biljke na nepovoljne uvjete). Izvan granica temperaturnog optimuma, intenzitet fotosinteze je ograničen temperaturom, a naročito tamna faza. S porastom temperature raste i intenzitet disanja biljaka, koji može biti veći nego intenzitet fotosinteze. Ova pojava u kombinaciji s manjom topljivošću CO 2 u vodi pri višoj temperaturi, rezultirat će gubitkom već stvorene organske tvari i nižom produktivnošću biljaka čak do 50%. Biljke koje vrše fotosintezu po C-4 tipu fotosinteze mogu lokalno povećati koncentraciju CO 2 pa ne dolazi do gubitka već stvorene organske tvari na višim temperaturama okoline. Produkcija organske tvari ovisna je i o dnevno noćnim temperaturama. Visoke noćne temperature mogu negativno utjecati na prirast organske tvari zbog pojačanog disanja, a niske dnevne temperature zbog smanjenog intenziteta fotosinteze i slabijeg premještanja asimilata. Koncentracija CO 2 Koncentracija CO 2 u zraku iznosi oko 0,035% (350 ppm), dok se unutar usjeva mijenja ovisno o intenzitetu njegovog usvajanja i može pasti na 0,001%. Glavni izvori CO 2 su zemljišno disanje i sagorijevanje fosilnih goriva. Zemljišnim disanjem se oslobodi 80 900 mg CO 2 m 2 h. Oslobođeni CO 2 potječe od disanja životinja, 19
disanja korijena, a najveći dio potječe od disanja mikroorganizama razgrađivača organske tvari. Sagorijevanjem fosilnih goriva se godišnje oslobodi 25 milijardi tona CO 2. Emisija CO 2 se stalno povećava pa se predviđa da bi za dvadesetak godina koncentracija mogla porasti na 420 ppm. Ova pojava izaziva efekt staklenika. Svjetlost reflektirana od Zemljine površine ne prolazi kroz atmosferu u svemir nego se vraća na Zemlju i izaziva jače zagrijavanje i postupnu promjenu klime (pojava suše i nestašica vode, katastrofalne poplave, uragani i požari). Minimalna koncentracija CO 2 kod koje se može odvijati fotosinteza je 0,008%, a maksimalna 2% (što bi se moglo iskoristiti kod uzgoja biljaka u zatvorenim prostorima), mada se saturiranost zapaža već kod 0,35%. Ova koncentracija uzrokuje zatvaranje puči, a veličina otvora puči uvjetuje brzinu difuzije i ulazak CO 2 u list. Mineralna ishrana Osnovni uvjet za usvajanje mineralnih hraniva iz tla je odvijanje procesa fotosinteze i funkcioniranje korijena, a kakav će biti intenzitet usvajanja ovisi o prisutnosti mineralnih tvari u biljci i njihovoj pristupačnosti u tlu. Pri tom nemaju sva biljna hraniva isti značaj, neki elementi su neophodni, neki korisni, bez nekih se mogu odvijati životne funkcije, a neki su toksični. Dušik ima veliki utjecaj na tvorbu i kakvoću prinosa. Ulazi u sastav proteina i klorofila, pa njegov nedostatak ima višestruke posljedice. Biljke formiraju manju asimilacijsku površinu (lišće je kraće i uže), a zbog otežane tvorbe klorofila i njegovog smanjenog sadržaja biljka ima blijedozelenu boju i niži intenzitet fotosinteze. Biljke također brže stare, a sve to utječe na smanjenje prinosa. Ni suvišak dušika nije poželjan, jer biljke stvaraju preveliku lisnu masu, mehaničko tkivo je slabo i lako poliježu. Biljke postaju neotporne na bolesti i nepovoljne vremenske prilike i kasnije dozrijevaju. Fosfor utječe na stvaranje i postojanost biljnih pigmenata, naročito kod niskih temperatura u jesen. Fosfati ulaze u sastav koenzima koji služe za prijenos 20
energije (ATP). Prevelik sadržaj fosfora stimulira disanje i smanjuje produktivnost fotosinteze. Kalij je biljkama neophodan za aktivaciju brojnih enzima, hidratiziranost protoplazme stanica i regulaciju rada puči. Pozitivno djeluje na transport organskih tvari npr. ugljikohidrata iz kloroplasta u druge dijelove i vrste stanica. Sumpor ulazi u sastav nekih aminokiselina i proteina, a ima također značajnu ulogu u antioksidacijskoj aktivnosti biljaka. Magnezij ulazi u sastav klorofila, dok željezo omogućuje njegovu sintezu i ulazi u sastav heminske strukture citokroma i nekih enzima (katalaza, peroksidaza). Mada značaj mikroelemenata u procesu fotosinteze nije dovoljno istražen, zna se da je mangan sastavni dio enzimatskog kompleksa koji sudjeluje u fotolizi vode, a bor, cink i molibden povećavaju intenzitet fotosinteze u razdoblju cvatnje i plodonošenja biljaka. Tablica 1: Uloga biogenih elemenata u fiziološkim procesima Proces Konstituent Aktivator enzima Tvorba kloroplasta i prijenos elektrona proteini N, S Mg, Zn, Fe, K, (Mn) klorofil N, Mg Fe fotosustavi i fosforilacija Mg, Fe, Cu, S, P Mg, Mn, (K) fiksacija CO 2 - Mg, (K, Zn) Mehanizam rada puči - K, (Cl) Sinteza škroba i prijenos šećera P Mg, P, (K) Voda Značaj i nezamjenjivost vode temelji se na raznolikim funkcijama vode u metabolizmu biljaka. Najznačajnija uloga vode u biljkama je: neophodna je za rast, služi kao otapalo, prenositelj je tvari kroz biljku i tako osigurava održavanje strukturnog jedinstva stanice i cijelog organizma, reaktant je u biokemijskim reakcijama, intenzitet fotosinteze ovisi o otvorenosti puči i ulasku CO 2 što je 21
uvjetovano prisutnošću vode, održavanje turgorskog pritiska u stanicama značajnog za čvrstoću, oblik i pokrete biljke i činitelj je kvalitete. Smanjenjem sadržaja vode u listu smanjuje se intenzitet fotosinteze. Ova pojava može biti izazvana smanjenjem vlažnosti tla i zraka, porastom koncentracije hranjivih tvari u otopini tla, pojačanom transpiracijom i disanjem, pregrijavanjem lišća. Optimalna vlaga tla i relativna vlažnost zraka povoljno utječu na intenzitet fotosinteze pa se najintenzivnija asimilacija odvija ujutro, kada je dobra opskrbljenost lista vodom, puči su potpuno otvorene a iz kloroplasta asimilati premješteni u druge dijelove stanica ili organe biljke. II Biotski činitelji Koncentracija klorofila U listu površine 100 cm -2 ima u prosjeku 4,5 mg ili 3x10 18 molekula klorofila. Bez klorofila se proces fotosinteze ne može odvijati, međutim u velikom broju istraživanja uglavnom nije utvrđena direktna pozitivna veza između koncentracije klorofila i intenziteta fotosinteze. Tako je utvrđeno, kod raznih sorata koje se razlikuju po boji lišća, da je intenzitet fotosinteze tijekom vedrih i toplih dana, bio veći kod sorata sa svijetlo zl enim lišćem nego kod sorata s tamno zelenim lišćem. Veličina lisne površine Povećanjem lisne površ ine povećava se produktivnost fotosinteze po biljci, ali samo do određene granice, tj. do pojave zasjenjivanja donjeg lišća. Najčešće korišteni parametar za ocjenu asimilacijske površine je LAI (leaf area index ili indeks lisne površine). Kod većine ratarskih kultura iznosi 4 8, a ako je iznad optimalnog donje lišće brzo dođe u stanje oko ili ispod kompenzacijske točke (količina asimiliranog CO 2 jednaka je količini izdvojenog CO 2 ) i nema prirasta. 22
Starost listova Najintenzivniji procesi fotosinteze odvijaju se u fiziološki zrelom lišću (listovi srednje starosti). Mlađe lišće je fotosintetski najaktivnije, međutim najveći dio stvorene organske tvari potroši na svoj rast, dok starije lišće polako gubi sposobnost fotosinteze. Najveći utjecaj na intenzitet fotosinteze i visinu prinosa ima LAD ( leaf area duration ili dužina trajanja lišća). Položaj listova Istraživanjima je dokazno da sorte s vertikalnije položenim listovima ostvaruju više prinose. Zapravo, bolje podnose zasjenjivanje, mogu se uzgajati u gušćem sklopu, veći im je intenzitet i efikasnost fotosinteze i samim tim veći prinos. Najviše svjetlosti biljka će apsorbirati ako je lišće pod kutem od 30 60 o, na primjeru kukuruza, najveći prinosi bit će ostvareni ako gornje lišće ima uspravniji (erektofilan), a donje položen (horizontalan) smještaj. ina Niža energija 23
STANIČNO DISANJE (BIOLOŠKA OKSIDACIJA) Stanično disanje je biološki proces u kojem se mobiliziraju i postupno oksidiraju spojevi nastali procesom fotosinteze (ugljikohidrati). U nizu enzimatskih reakcija složene organske molekule bogate energijom postupno se razgrađuju do jednostavnih produkata (CO 2 i H 2 O), a pri tom se oslobađa energija. Oslobođena energija pohranjuje se u molekule ATPa. C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 H 2 O + 6 CO 2 Kada bi se sva energija akumulirana u kemijskim vezama složenih organskih spojeva oslobodila odjednom, uglavnom bi se pretvorila u toplinsku, a nastale visoke temperature izazvale bi smrt stanice. Zato se energija oslobađa sporom oksidacijom u nizu biokemijskih reakcija. Dio oslobođene energije utroši se za rad, dio se otpušta u obliku topline, a dio ostaje vezan u jednostavnijim molekulama. Postoje dva osnovna tipa disanja: aerobno disanje za čije odvijanje je nužno prisustvo kisika i koje je karakteristično za sve višestanične organizme i anaerobno disanje ili vrenje za čije odvijanje nije potreban kisik. AEROBNO DISANJE Disanje je proces u kojem se glukoza oksidira u nizu reakcija koje se mogu podijeliti u tri stupnja: a) glikoliza, b) ciklus limunske kiseline (Krebsov ciklus ili ciklus trikarbonskih kiselina) i c) transportni lanac elektrona ili dišni lanac. Glikoliza Glikoliza je proces koji se zbiva u svim živim organizmima, a za njegovu provedbu nije potreban kisik. Sam proces se odvija u citoplazmi gdje se u nizu reakcija molekula glukoze razgrađuje do dvije molekule piruvata, ATP-a i NADH (reducirani nikotinamid-adenin-dinukleotid). 24
Slika 17. Glikoliza Glikoliza ima dvojaku ulogu: razgradnja glukoze u svrhu dobivanja ATP-a i NADH i osiguravanje građevnih elemenata mnogih staničnih molekula (npr. izgradnja nekih aminokiselina: serin, valin, alanin). Nastale dvije molekule piruvata premještaju se u mitohondrije, gdje se proces oksidacije nastavlja u aerobnim uvjetima. Međutim prije toga se mora dekarboksilacijom (odvajanjem CO 2 ) izvršiti njegova transformacija u acetil CoA koji povezuje glikolizu i Krebsov ciklus. 25
Slika 18. Acetil CoA Ciklus limunske kiseline Proces razgradnje se nastavlja u matriksu mitohondrija. Mitohondriji su duguljaste ili okrugle stanične organele obavijene ovojnicom koju čine dvije membrane. Vanjska membrana je glatka i semipermeabilna (polupropusna) i na taj način regulira ulazak i izlazak tvari. Unutrašnja je naborana, a nabori se nazivaju kriste. Unutrašnjost je ispunjena tekućim sadržajem matriksom. shtml) Slika 19. Građa mitohondrija (preuzeto: ww.biochemweb.org/metabolism. 26
Aktivirani acetilni ostatak odnosno acetil-coa se u ciklusu limunske kiseline potpuno oksidira do CO 2 uz nastajanje NADH. Ovaj ciklus je zajednički put oksidacije organskih molekula: ugljikohidrata i lipida, koje ulaze u ciklus u obliku acetil-coa, dok se proteini nakon razgradnje i dezaminacije oslobođenih aminokiselina uključuju na određenim stupnjevima u obliku organskih kiselina. Acetil-CoA reagira s oksaloctenom kiselinom tvoreći limunsku kiselinu. Limunska kiselina izomerizira, a u sljedećem koraku gubi CO 2. Nastali spoj s pet C- atoma se oksidira do sukcinil-coa, pri tom reducirajući NAD + u NADH uz izdvajanje jedne molekule CO 2. Tioesterska veza sukcinil-coa puca i nastaje sukcinat i molekula ATPa. Sukcinat se nadalje oksidira u fumarat. U ovom koraku se elektroni ne p renose na NAD + već se reducira FAD (flavin-adenin-dinukleotid) do FADH 2. Uloga FADH 2 je slična ulozi NADH, ali sadrži manje energije. U završnoj reakciji ciklusa fumarat se hidrira i nastaje malat, koji se dalje oksidira, a na taj način se regenerira oksaloacetat. Oksaloctena kiselina ponovo reagira sa acetil-coa i ciklus se ponavlja. 27
Slika 20. Ciklus limunske kiseline Transportni lanac elektrona Transportni lanac elektrona je sustav prenositelja elektrona, koji su smješteni u unutrašnjosti mitohondrijskih membrana. Proteini koji sudjeluju u prijenosu elektrona organizirani su u četiri složena proteinska (enzimatska) kompleksa, a kako primaju ili predaju elektrone prelaze iz reduciranog u oksidirano stanje i obrnuto. Kao prenositelji elektrona u tim kompleksima služe FADH 2, NADH, sukcinat-coa, ubikinon i citokromi. Elektroni se prenose preko kompleksa proteina s više energetske razine na nižu. 28
Energizirani elektroni stupnjevito prolaze kroz lanac redoks-tvari (dišni lanac) od NADH ili FADH 2 do kisika na kraju ciklusa, pri čemu nastaje voda. Elektroni iz NADH i FADH 2 gube energiju u nekoliko koraka. Prijenos elektrona povezan je s premještanjem protona iz matriksa u međumembranski prostor tako da je ph vrijednost međumembranskog prostora niža (7,0) od matriksa (8,6). Zbog toga nastaje koncentracijski gradijent protona (H + ). međumembranski prostor unutrašnja membrana matriks lanac prenositelja elektrona oksidativna fosforilacija Slika 21. Prikaz transportnog lanca elektrona (internet, predavanje doc. dr. sc. Lidije Šver) Protoni se olakšanom difuzijom (kroz nosač ATP-sintaza proteinski kompleks) vraćaju iz međumembranskog prostora u matriks mitohondrija. Takav način kretanja protona kroz membranu naziva se kemiosmoza. Prijenosom elektrona u dišnom lancu oslobađa se velika količina energije, koja se uglavnom utroši za sintezu ADP-a (adenozin-difosfata) i fosfora u ATP. ATP se sintetizira djelovanjem enzima ATPaze, koja je kompleks proteina. Građena je od tri podjedinice: cilindrični dio koji se proteže poprijeko kroz membranu, okruglasti dio koji je izbočen u matriks mitohondrija i štapičasti dio koji ih povezuje. Potpunom oksidacijom glukoze na CO 2 i H 2 O nastaje 36 molekula ATPa. 29
Slika 22. Građa ATP-aze (preuzeto: ww.biochemweb.org/metabolism. shtml) Krebsov ciklus, uz dvije osnovne funkcije (dehidrogenizacija organskih kiselina koja omogućuje redukciju NAD + i FAD te sinteze ATPa) osigurava tvorbu mnogih prekursora za sintezu brojnih organskih spojeva (aminokiseline, purinske i pirimidinske baze, porfirini). Čimbenici koji utječu na intenzitet disanja Intenzitet disanja zavisi od niza okolišnih čimbenika, a najvažniji su temperatura, opskrbljenost biljaka vodom i koncentracija kisika i ugljikova dioksida. Temperatura Temperatura ima vrlo značajan utjecaj na brzinu i intenzitet disanja. Poput drugih enzimatskih procesa, disanje je ovisno o temperaturi, pa se povećava s povećanjem temperature. Stimulativno djelovanje temperature je uobičajeno do o granice od 45-55 C, a nakon toga dolazi do denaturacije proteinskih komponenti enzima. Temperaturni maksimum disanja je viši nego temperaturni maksimum fotosinteze, a minimalna temperatura za disanje je oko -10 o C. Međutim, utjecaj temperature na disanje ovisi o biljnoj vrsti i njenoj prilagođenosti na okolišne 30
uvjete, pa biljke otpornije na niske temperture mogu disati i kod -20 o C, dok one tropskih krajeva prestaju već kod 0 o C. Opskrbljenost vodom Opskrbljenost biljaka vodom ima također značajan utjecaj na intenzitet disanja. Manjak vode intenzivira disanje, raste sadržaj nukleinskih kiselina i povećava se sposobnost tkiva za vezanje vode. Međutim, sjemenke koje sadrže malo vode na suhom zraku minimalno dišu i minimalno troše hranjive tvari. Na ovaj način mogu preživjeti tijekom dugog mirovanja. Koncentracija O 2 i CO 2 Dok koncentracija CO 2 ima slab utjecaj na intenzitet disanja, utjecaj koncentracije O 2 je vrlo značajan. Smanjena koncentracija kisika smanjuje stopu disanja. Međutim, neke biljne vrste su se morfološki prilagodile anaerobnim uvjetima. Biljke koje rastu u tlu zasićenom vodom ili trajno poplavljenom razvile su zračno tkivo aerenhim duž stabljike ili zračno korijenje, koje izlazi iznad vodene površine i tako opskrbljuje korijen kisikom. ANAEROBNO DISANJE Anaerobno disanje se odvija kod niskih koncentracija kisika (hipoksija) ili kod potpune odsutnosti kisika (anoksija). U tim uvjetima Krebsov ciklus i transportni lanac elektrona ne funkcioniraju, pa se provodi fermentacijski metabolizam da bi se osiguralo dovoljno NAD +. Kao supstrat za vrenje služi glukoza, mada neke bakterije mogu razgraditi i pentoze, aminokiseline i masne kiseline. Prvi stadij razgradnje (glikoliza) je isti, s obzirom da se i inače odvija u anaerobnim uvjetima. Piruvat nastao glikolizom se procesom vrenja razgrađuje do etanola ili laktata. 31
Alkoholno vrenje Piruvat se u alkoholnom vrenju razgrađuje do etanola i CO 2. U prvoj fazi se piruvat pretvara u acetaldehid uz oslobađanje molekule CO 2, a u drugoj fazi se acetaldehid reducira u etanol. C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 Ovaj tip vrenja se pojavljuje kod kvaščevih gljivica (u proizvodnji piva, vina i pekarskih proizvoda), ali i kod korijenja biljaka koje žive u nepovoljnim uvjetima (pokorica, ledena kora ili poplavljeno tlo). Etanol je u višim koncentracijama otrovan za stanicu. Slika 23. Alkoholno vrenje (preuzeto: ww.biochemweb.org/metabolism. shtml) Mliječno-kiselinsko vrenje Piruvat se u mliječno-kiselinskom vrenju izravno reducira u laktat (sol mliječne kiseline). C 6 H 12 O 6 2 CH 3 -CHOH-COOH 32
Mliječno-kiselinsko vrenje zbiva se u mišićima, kao posljedica teškog fizičkog napora, ali i u tkivima nekih biljaka (krumpir). Koristi se u proizvodnji sireva i jogurta. Slika 24. Mliječno vrenje (preuzeto:ww.biochemweb.org/metabolism.shtml) 33
LITERATURA: Pevalek Kozlina, Branka (2003): Fiziologija bilja,profil, Zagreb Poljak, Milan (2002): Fiziologija bilja, interna skripta, Agronomski fakultet, Zagreb Šver, Lidija (2007): Internet predavanja: Fotosinteza, Uvod u metabolizam i Stanično disanje, Prehrambeno-biotehnološki fakultet u Zagrebu Vukadinović, Vladimir (1999): Ekofiziologija. Interna skripta, Poljoprivredni fakultet u Osijeku, Osijek Vukadinović, V., Lončarić, Z. (1998.): Ishrana bilja, Poljoprivredni fakultet u Osijeku, Osijek Teklić, Tihana (2006): Poljoprivredna ekologija, predavanja, Poljoprivredni fakultet u Osijeku i Visoko gospodarsko učilište u Križevcima, Križevci Internet: http//ww.biochemweb.org/metabolism.shtml htto//www.healtbosnia.com/ishrana/klinicka/krebsovciklus.htm http//www.emc.manicopa.edu/faculty/farabee/biobk/biobookps.html http//www.en.wikipwedija.org/wiki/ 34