Zagadnienia na kolokwium z fizjologii roślin

·         Budowa i skład chemiczny chloroplastów

Chloroplasty są obłonionymi organellami występującymi w komórkach roślin, protistów roślinopodobnych i niektórych bakterii (sinic, zielonych, purpurowych). Wnętrze chloroplastu wypełnia stroma, w której znajduje się sieć obłonionych struktur zwanych tylakoidami. Wyróżniamy dwa rodzaje tylakoidów: rurkowate tylakoidy stromy i ułożone w kształcie stosów monet tylakoidy gran. Błona tylakoidów łączy się bezpośrednio z wewnętrzną błoną otaczającą chloroplasty. Dodatkowo każdy chloroplast ma własną kolistą cząsteczkę DNA i własny aparat do syntezy białek (jednak dzięki niemu potrafi syntezować tylko niewielką część wszystkich potrzebnych mu białek) co może świadczyć o endosymbiotycznym pochodzeniu tego organellum.

·         Rodzaje barwników fotosyntetycznych i ich występowanie

Do grup barwników aktywnych fotosyntetycznie zaliczmy:

-          chlorofile (cząsteczki zbudowane z części hydrofobowej – układu porfirynowego i części hydrofilowej – cząsteczki fitolu) są to główne barwniki fotosyntetyczne, bez których nie mógłby zachodzić proces fotosyntezy, gdyż to dzięki nim następuje zamiana energii słonecznej na chemiczną (z fotosystemu I następuje wybicie elektronu, który następnie po połączeniu z cząsteczką ferrodoksyny powoduje syntezę cząsteczki ATP), wyróżniamy chlorofile a, b, c, d oraz bakteriochlorofile a, b,

-          karotenoidy (pochodne izoprenu) to barwniki pomocnicze o barwie pomarańczowo-czerwonej,

-          ksantofile (pochodne karotenów) są to barwniki pomocnicze koloru żółtego,

-          fikobiliny (np. fikocyjanina i fikoerytryna, barwniki fioletowo-czerwone) są to barwniki pomocnicze występujące u bakterii oraz niektórych krasnorostów.

·         Widma absorpcyjne i widma czynnościowe

Chlorofil absorbuje jedynie światło czerwone i żółte (ćw. 3) oraz oświetlony światłem ultrafioletowym uzyskuje kolor bordowo-czerwony (wykazuje fluorescencje). Karoteny nie wykazują zjawiska fluorescencji, a absorbują jedynie światło koloru niebieskiego i fioletowego.

Łącznie, barwniki zawarte z roślinach, absorbują wszystkie długości światła oprócz koloru zielonego.

·         Metody pomiaru oddychania u roślin

Jednym z doświadczeń jest to przeprowadzane na lekcji, gdzie w dwóch kolbach miarowych umieszcza się dwie partie ziaren (w jednej suche, w jednej mokre), na pasek bibuły nanosi się kroplę NaOH oraz kroplę fenoloftaleiny. W obu probówkach umieszcza się po wąskim pasku bibuły. Po kilku minutach okazuje się, że w kolbie, gdzie były nasiona mokre zabarwienie fenoloftaleiny zniknęło – świadczy to o tym, że mokre nasiona wydzielają dwutlenek węgla, który ma właściwości kwasowe.

Kolejne doświadczenie polega na tym, że pod szklanym kloszem umieszczamy na mokrym kawałku bibuły partię nasion, obok nich umieszczamy w małym naczyńku trochę roztworu wody wapiennej. Po kilku minutach można zauważyć, że na dnie zbiorniczka osadza się warstwa nierozpuszczalnej soli – węglanu wapnia. Co świadczy o tym, że mokre nasiona wydzielają dwutlenek węgla.

·         Wyznaczanie współczynnika oddechowego i jego znaczenie  ???

Współczynnik oddechowy jest to stosunek objętości wydzielonego dwutlenku węgla do objętości pobranego przez organizm tlenu. Oblicza się go w celu wyznaczenia sprawności oddychania, określenia szybkości metabolizmu i określenia sprawności narządów służących do wymiany gazowej.

·         Czynniki zewnętrzne wpływające na oddychanie

Oddychanie roślin zależy przede wszystkim od temperatury, przy czym zarówno temperatura zbyt niska jak i zbyt wysoka powoduje zanik tego procesu. Rośliny iglaste oddychają jeszcze przy temperaturze –25 0C i w miarę wzrostu temperatury obserwuje się u nich wzrost intensywności oddychania. Najintensywniej przebiega ten proces u roślin w granicach 30–40 0C. Powyżej 50 0C następuje nagły zanik procesu oddychania i rośliny zaczynają zamierać. Przyczyną tego hamującego działania zbyt niskich lub zbyt wysokich temperatur na intensywność oddychania jest ich wpływ na strukturę białek, a co za tym idzie również enzymów biorących udział w tym procesie.

Przebieg procesu oddychania zależy również od stopnia nasycenia roślin wodą. Przy silniejszym odwodnieniu następuje także zanik procesu oddychania. Suche nasiona roślin, o nawodnieniu równym 10-12 % wykazują tylko znikome oznaki oddychania, natomiast gdy ich nawodnienie wzrośnie do około 15 % intensywność oddychania wzrasta już czterokrotnie!

Kolejnym czynnikiem ograniczającym jest stężenie dwutlenku węgla w powietrzu. Gdy jest ono zbyt duże, proces oddychania ustaje. Zjawisko to występuje zazwyczaj w nasionach roślin motylkowych mających gruba łupinę, która trudno przepuszcza magazynujący się wewnątrz dwutlenek węgla. Proces ten jest wywołany zbytnim zakwaszeniem środowiska wewnętrznego nasionka i uniemożliwieniem pracy enzymom oddechowym.

Do prawidłowego oddychania roślin potrzebna jest także odpowiednia ilość tlenu. Gdy jego ilość jest niewystarczająca rośliny przechodzą na oddychanie beztlenowe, które w większości przypadków jest dla nich szkodliwe.

·         Fosforylacja oksydacyjna

Jest to cykl przyłączania reszty kwasu fosforowego pochodzącego głównie z ATP do związków organicznych, związany ze zmianą stopnia utlenienia atomu do którego ta reszta jest przyłączana. W organizmach żywych ta reakcja jest katalizowana przez enzymy zwane fosfotransferazami, które transportują reszty kwasowe na odpowiednie związki. Związki, do których zostały przyłączone reszty kw. fosforowego zyskują wyższy poziom energetyczny.

              W organizmach żywych szczególnie ważna jest reakcja fosforylacji oksydacyjnej ADP, podczas której powstaje ATP, związek, który jest czystą energią w postaci chemicznej. Właśnie proces oddychania komórkowego ma na celu przeprowadzanie procesu fosforylacji oksydacyjnej ADP.

·         Etapy oddychania tlenowego i beztlenowego

·         Oksydazy utleniania tlenowego i beztlenowego

Oksydazami nazywamy grupę enzymów katalizujących przenoszenie wodoru na tlen, w wyniku czego powstaje woda lub nadtlenek wodoru. Najważniejsze oksydazy biorące udział w oddychaniu to:

-          oksydaza cytochromowa – jest to duży kompleks białkowy błony wewnętrznej mitochondrium oraz bakterii. Jest to ostatnie białko łańcucha oddechowego, które odbiera elektrony z cytochromu c i przenosi je na cząsteczkę tlenu redukując go, w wyniku czego powstaje woda. Związek ten jest wrażliwy na działanie KCN (cyjanku potasu).

-          oksydaza alternatywna – występująca u roślin cząsteczka enzymatyczna niewrażliwa na KCN, jej wysokie stężenie odpowiedzialne jest za zjawisko termogenezy,

-          oksydaza glikolanowa – występuje u roślin i bierze udział w fotooddychaniu, znajduje się w peroksysomach.

·         Alternatywna droga oddychania u roślin i jej znaczenie. Fotorespiracja

Przy występowaniu stosunkowo dużego stężenia tlenu w powietrzu i dość niewielkiego stężenia dwutlenku węgla, u roślin zostaje uruchomiona alternatywna droga oddychania zwana drogą fotorespiracji. Fotooddychanie może zachodzić jednak jedynie u roślin C3 i może powodować spadek produkcji biomasy nawet do 50 %.

W procesie tym współpracują ze sobą trzy organelle komórkowe: mianowicie chloroplasty, peroksysomy i mitochondria.

Podczas tego procesu, początkowo, w chloroplastach RuBP przekształcany jest w kw. 3-fosfoglicerynowy (PGA) i kw. glikolowy. PGA przechodzi kolejne etapy cyklu Calvina. Następnie kwas glikolowy przenoszony jest do peroksysomu, gdzie przy pomocy oksydazy glikolanowej zostaje utleniony do glicyny. Następnie glicyna poddana zostaje procesowi dekarboksylacji i utlenienia, w wyniku czego powstają: seryna i NADH. NADH transportowany jest na wewnętrzną błonę mitochondrium, gdzie zostaje włączony w łańcuch oddechowy.