DISANJE BILJAKA

1

DEFINICIJA I ZNAČAJ DISANJA

• Da bi ćelija mogla da opstane u životu onamora daproizvodi hemijski vezanu energiju, kojom seobezbjeñuje odvijanje endotermnih procesa, odnosno'biološki rad'ćelije.

2

'biološki rad'ćelije.

• Fotosinteza: fotoliza vode

• Disanje: ponovno sjedinjavanje H i O uz oslobañanjeenergije.

• U toku aerobnog disanja heksozase uzpotrošnju kiseonikarazlaže do H2O i CO2 pričemu se istovremenooslobaña ekvivalentnakoličinaenergije:

C6H12O6 + 6 H2O +6 O2→ 12 H2O + 6 CO2

oslobaña se∆G = 2850 kJ/mol glukoze

• U prirodi se stalno odigravaju procesi oksidacije

3

• Značaj disanja• - snadbijevanjećelija energijomtj. u održavanju života• - održavanje strukture protoplazme,• - za odvijanje drugih procesaćelije: sinteze, strujanja

protoplazme, pokretai dr.

• U toku disanjanastajui brojni produkti koji su značajni za

4

• U toku disanjanastajui brojni produkti koji su značajni zasintezu novih organskih jedinjenja, aminokiselina, masnihkiselina i dr.

• Značajno i sa agronomskog stanovišta -u procesu disanja'sagorijeva' jedan dio organske materije stvorene u procesufotosinteze.

• MATERIJE DISANJA

• Više biljke za disanje prvenstveno koristeugljene hidrate.• 1/3 ugljenih hidrata stvorenih u procesu fotosinteze razlaže pri

disanju.

• Uključivanje oligo i polisaharida u proces disanja počinjehidrolizom.– Invertaza razlažesaharozunaglukozui fruktozu,

5

– Invertaza razlažesaharozunaglukozui fruktozu,– α i β- amilazaskrob na maltozu,– maltazamaltozu na glukozu.

Karakteristično za organe u kojima se skrob nakuplja kao rezervna materija.

Kod viših biljaka ugljeni hidrati – osnovne materije za disanje.Koeficijent disanja pri korišćenju ugljenih hidrata – 1.

• Ako se ugljeni hidrati iscrpe, za disanje se koristeproteini kaodruge rezervne materije,

• koji prethodno podležu hidrolizi, pri čemu nastajuodgovarajuće aminokiseline i amidi.

• Kao supstrat za disanje mogu koristiti i razne organske• Kao supstrat za disanje mogu koristiti i razne organskekiseline, posebno iz ciklusa limunske kiseline: jabučna,limunska,ćilibarna i dr., kada se koeficijent disanja poveća od1,5 do 2,3.

6

HEMIZAM I MEHANIZAM DISANJA

Više biljke svoje energetske potrebenajvećim dijelomobezbjeñuju u procesu disanja razgradnjom ugljenih hidrataputem

- glikolize, - ciklusu limunske kiselinei djelimično

7

- ciklusu limunske kiselinei djelimično - anaerobnom razgradnjom supstrata.

Značajno stvaranje ‘redukujućih ekvivalenata’ u vidu NADPH+ H+ neophodne za mnoge procese u ćelijama.

Glikoliza

• Razlaganje polisaharida na prostije šećere, na monosaharide. Šećeri uglikolizi učestvuju isključivo u vidu estra fosforne kiseline. Molekul šećeraprije nego se uključi u glikolizu mora da se fosforiliše.

• U tkivima za nakupljanje rezervnih materija skrob se mobilizuje pomoćuvode uz učešće enzima amilaze. U tkivima gdje se skrob privremeno nalazinjegova hidroliza odvija sepomoću fosforilaze.

• Glukozai fruktozadobijenerazlaganjemsaharozeuz pomoć invertaze,da

8

• Glukozai fruktozadobijenerazlaganjemsaharozeuz pomoć invertaze,dabi se uključile u glikolizu moraju prethodno da se aktiviraju putemfosforilacije uz pomoć heksokinaze i uz potrošnju jednog molekula ATP.

heksokinazaglukoza + ATP glukoza – 6 – fosfat + ADP

• Glikoliza se odigrava u citoplazmi i u njoj se glukoza kao i svi drugi ugljeni hidrati od kojih može da nastane glukoza razlažu do dva molekula piruvata.

Glikoliza se može podijeliti u četiri etape:

– Aktivacija heksozesa 2 molekula ATP

– Prevoñenje molekula heksoze u dva molekula trioze.Nastale ketotrioza i aldotrioza u meñusobnoj su ravnoteži.

9

– Dehidriranje gliceraldehid-3-fosfata, njegovopovezivanjesa neorganskih fosfatom i prenošenje fosfatne kiselinevezane energijom bogatom vezomna ADP.

– Stvaranje piruvata, pri čemu se u nizu reakcija od 3-fosfoglicerata otcjepljuje fosforna kiselina koja se prenosina sistem adenilne kiseline.

• Krajnji produkt glikolize, piruvat , može da se razgradi uciklusu limunske kiseline (aerobno) do CO2 i H2O ili seuključuje u fermentaciju (anaerobno) gdje se dekarboksiliše pričemu nastaje acetaldehid koji se redukuje i nastaje etanol.

• Glikoliza se odvija kako u prisustvu tako i u odsustvukiseonikai pri aerobnojrazgradnjiglukoze.

10

kiseonikai pri aerobnojrazgradnjiglukoze.

• U mladim tkivima biljaka glukoza se pretežno ragrañuje uprocesu glikolize.

• Sastarenjem tkiva postepeno se povećava razgradnja glukozeputem njene direktne oksidacije. U zaraženimbiljnim tkivimapreovladava direktna oksidacija glukoze, što ukazuje nanjihovoprevremeno starenje.

Ciklus limunske kiseline

• U aerobnim uslovima razgradnja piruvata odigrava se umitohondrijama u ciklusu limunske kiselinekoji se još nazivaKrebsov ciklusili ciklus trikarbonskih kiselina.

• Spoljašnja membrana mitohondrija je permeabilna za svemetabolitećelije. Kroz unutrašnje membrane mitohondrija piruvatseprenosipomoću piruvat-translokatora.

11

seprenosipomoću piruvat-translokatora.

• Mitohondrije sadrže sve enzime potrebne za potpuno razlaganjekarbonskih kiselina do CO2 i H2O.

• Redukcioni ekvivalenti koji se stvaraju uključuju se u sistemprenosa elektrona ‘respiratorni lanac’ vezan u membranimitohondrija i dobija se ATP.

• Ciklus limunske kiseline

Uključenje piruvata oksidativnom dekarboksilacijom - nastaje acetat (1),

Acetat uz učešće koenzima A prelazi u acetil-CoA, koji sa oksalacetatom u procesu kondenzacije

daje citrat pri čemu se oslobaña CoA (3).

12

Izocitrat nakon oksidacije sa NAD+ idekarboksilacije daje 2-oksoglutarat (5).

daje citrat pri čemu se oslobaña CoA (3).

Citrat izomerizacijom prelazi u izocitrat(4)

Time se ciklus zatvara

Fumarat adira vodui nastaje malat (9).

U poslednjoj reakciji ciklusa dehidrogenizira se malat i kao proizvod te reakcije nastaje se oksalacetat (10).

13

2-oksoglutarat se uz prisustvo NAD+ i CoAoksidativnom dekarboksilacijom

prevodi u sukcinil-CoA (6 i 7) koji zatim prelazi u sukcinat.

Sukcinat se pomoću FAD oksiduje u fumarat (8),

Iz meñuprodukata ciklusa limunske kiseline nastaju: asparaginska k., glutaminska k., alanin.

Dekarboksilacija piruvata u acetil-CoAklju čna je reakcija za sintezu masti iz ugljenih hidrata .

Acetil-CoA važan je za sintezu steroida, karotenoida i terpena.

14

steroida, karotenoida i terpena.

Sukcinil-CoA je važan prekursor za izgradnju porfirinskog prstena a time i hlorofila .

• Mehanizam fosforilacije u respiratornom lancu

• Respiratorni lanac

• I faza disanja -glikoliza i ciklus limunske kiseline- oksidacija supstratapričemu nastaju ugljen-dioksid i redukovani nukleotidi NADH + H+ iFADH2.

• Njihova sudbinamože da bude trojaka:• a)mogudaseoksidujuprekorespiratornoglancamitohondrija;

15

• a)mogudaseoksidujuprekorespiratornoglancamitohondrija;• b) da seoksiduju u drugim oksidoredukcionim procesima;• c) da sekoriste u reduktivnim procesima.

• Sa stanovišta snadbijevanjaćelije energijom najznačajnija je oksidacijaredukovanih nukleotida u respiratornomlancu, pošto se osloboñenaenergija koristizasintezu ATP.

• U respiratornom lancu mitohondrija,u prenošenju elektrona značajnu uloguimaju citohromi.

• Respiratorni lanacse nalazi u unutrašnjoj membranimitohondrija, smješten u četiri multienzimskakompleksa:

I – NADH –ubihinon-oksidoreduktaza = NADH-dehidrogenaza,

II – sukcinat –ubihinon-oksidoreduktaza = sukcinat-dehidrogenaza,III – dihidroubihinon –citohrom c –oksidoreduktaza= citohrom-b/c1-

16

III – dihidroubihinon –citohrom c –oksidoreduktaza= citohrom-b/c1-kompleks i

IV – citohrom c – kiseonik – oksidoreduktaza = IV - citohrom-a/a3-kompleks.

Članovi respiratornog lanca poreñani su po redokspotencijalu: najnegativnijiNAD+/NADH+H+ = -300 mV, a najpozitivnije mjesto je gdje se elektronidirektno predaju molekularnom kiseoniku +800 mV.

Šematski prikaz stvaranja ATP u mitohondrijama prema hemiosmotskoj teoriji Mitchella

Cit-a3 je direktna oksidaza pošto stupa u direktni kontakt sa kiseonikom, koji se uz pomoć elektrona iz respiratornog lanca redukuje u O2- a zatim sa 2H+ daje vodu.

Odavde se elektroni transportuju do 3

4

17

NADH + H+ se stvara u matriksu mitohondrija i daje elektrone flavoproteinu (FPint), oni prelaze na gvožñe-sumpor-proteid (Fe-S) i odavde na ubihinon (UQ).

NADH + H+koji potiče iz citoplazmepredaje svoje elektrone preko flavoproteina(FPsp) ubihinonu.

Odavde se elektroni transportuju do citohrom-a/a3-kompleksa (IV). Cit-a prima elektrone od cit-c koje preko jona Cu predaje cit-a3.

1

2

• Elektron transportni lanac sadrži 3 kompleksa integriranih membranskih proteina:

• - NADH dehidrogenazakompleks (I) • - citohrome c reductazakompleks (III) • - citohrome c oksidazakompleks (IV) • i dva slobodna molekula

– ubihinon– citochrom c

• koji šalju electrone iz jednog kompleksa u drugi. • Elektron transportni lanac prate:• - transfer elektrona odNADH (i FADH2) na molekul

kiseonikada se napravi (sa dodatkom protona) molekul vode(H2O); (H2O);

• - (citohrome c može da prenosi samo po jedan elektron, zato citohrom c oksidaza mora da čeka dok se nakupe 4 elektrona, prije nego odreaguje sa kiseonikom)

• - transport osloboñene energije u tok prenosa, pumpanjem protona (H+) iz matriksa u meñumembranski prostor.

• U prosjeku 20 protona se pumpa u meñumembranski prostor jer su 4 elektrona potrebna da redukuju kiseonik u vodu, u respiratornom lancu.

• Gradijent protona formiran kroz unutrašnju membranu tokom ovog procesa aktivnog transporta čini minijaturnu bateriju.

• Protoni se mogu kretati niz gradijent, ulazeći ponovo u matriks samo kroz kompleks proteina integriran u unutrašnjoj membrani, kompleks ATP sintetaze.

• Hemiosmoza u mitohondrijama• Energija osloboñena u prenosu elektrona niz gradijent od NADH do kiseonika

se održava sa tri enzimska kompleksa respiratornog lanca (I, III, and IV) koji se održava sa tri enzimska kompleksa respiratornog lanca (I, III, and IV) koji pumpajuprotone (H+) nasuprot njihovom gradijentu koncentracije iz matriksa mitohondrija u intermembranski prostor (primjeraktivnogtransporta).

• Kako se njihova koncentracija povećava (smanjuje se pH), jaki gradijent difuzije se uspostavlja. Jedini izlaz za ove protone je kroz kompleksATP sintetaze. Kao u hloroplastima, oslobaña se energija kako ovi protoni idu niz gradijent što je način sinteze ATP. Ovaj proces se naziva hemiosmozai primjer je olakšane difuzije.

• Jedna polovina Nobelove nagrade za hemija 1997, bila je dodijeljena Paul D. Boyer i John E. Walker za otkriće načina rada ATP sintetaze.

Pored standardnih proteinskih kompleksa nañenih kod skoro svih mitohondrija, elektron transportni lanac kod biljnih mitohondrija sadrži dodatne enzime (zeleno obilježeni).

Organizacija elektron transportnog lanca i ATP sinte taze u unutrašnjoj membrani biljnih mitohondrija.

Ni jedan od dodatnih enzima ne može da pumpa protone.

NAD(P)H može slobodno da difunduje izmeñu inutrašnje membrane i citoplazme zahvaljujući prisustvu porina (otvora-pora) na spoljnoj membrani.

Jedna od značajnih funkcija mitohondrija je da obezbijede ćeliju sa ATP.

Da bi to uradile, mitohondrije imaju adenin nukleotidni transporter koji olakšava razmjenu ADP3– (unutar) za ATP4–

(vani).

U kombinaciji sa reakcijom prenosa fosfata, ovo znači U kombinaciji sa reakcijom prenosa fosfata, ovo znači usvajanje jednog ADP i jednog fosfata i prenos jednog ATP (prenos povezan sa ATP sintetazom) košta jedan vektorski proton— electrična komponenta za ramjenu adenilata i ∆pH komponenta usvajanja fosfata.

Nekoliko neorganskih jona—Mg2+, Ca2+, K+, iNH4+—je uključeno u metabolizam mitohondrija, ali nije dobro poznat mehanizam njihovog prolaska kroz unutrašnju

Svi ovi transporteri su voñeni direktno ili indirektno elektrohemijskim protonskim gradijentom. Pi usvajanje je voñeno gradijentom protona i kao rezultat Pi gradijent se koristi za usvajanje anjona dikarboksilata na dikarboksilat transporteru.

kroz unutrašnju memebranu.

Transporteri u unutrašnjoj membrani biljnih mitohondirija

• Piruvat i malat, krajnji produkti glikolize, imaju transportere u unutrašnjoj membrani.

• Piruvat je uzet za razmjenu hidroksilnog jona (OH-), a malat2- za razmjenu za H2PO42-. Transporter za malat takoñe uzima sukcinat2- i zove se dikarboksilat transporter. Malat2- ili suksinat2- mogu zauzvrat da se zamijene za citrat2- na trikarboksilatnom transporteru. Malat2- se može zamijeniti za 2-oxoglutarat2- preko specijalnog transportera.

• Interesantan transporter je oksaloacetat, koji zamjenjuje oksaloacetat2- za malat2- (ili citrat2-), što omogućava slanje redukujućih ekvivalenata.

• Zajedni čka aktivnost ovih transportera omogu ćava biljnim • Zajedni čka aktivnost ovih transportera omogu ćava biljnim mitohondrijama da usvoje ili odaju ve ćinu intermediata ciklusa limunske kiseline.

•U nekoliko slučajeva uključenje mitohondrija u ćelijski metabolizam podrazumijeva da se odreñeni metaboliti prenose kroz unutrašnju membranu - transporteri još nijesu opisani. Ovo je slučaj kod velikog protoka glicina u, i CO2, serina i NH4+ iz mitohondrija u C3 biljaka tokom fotorespiracije. Takav je slučaj i kod prolina, koji se akumulira u visokoj koncentraciji u citoplazmi tokom perioda stresa biljaka zbog nedostatka vode, a smanjuje se tokom faze rehidratacije preko puta koji uključuje dva mitohondrijalna enzima.

• Oksidativna fosforilacija

• Spregnutareakcija oksidacije i obrazovanje organskih fosfatanaziva se oksidativna fosforilacija. Najvažniji proizvod jeATP.

• Mehanizamoksidativne fosforilacijenije potpuno razjašnjen,iako je utvrñenodaseon odvija pri prolazuparaelektronaduž

24

iako je utvrñenodaseon odvija pri prolazuparaelektronadužrespiratornog lanca.

• Sinteza ATP vrši se pomoću mitohondrijalne ATPaze.Protokom protona sa spoljašnje na unutrašnju stranumembrane u pravcu elektrohemijskog gradijentaobezbjeñujese neophodna energijaza sintezu ATP.

• ADP + H3PO4 ATP + H2O

Energetski bilans disanja

U toku oksidativne razgradnjeglukoze preko glikolize, ciklusa limunske kiseline i respiratornoglanca teoretski seoksidacijom jednog molekula glukoze do krajnjih produkata dobija 40molekula ATP.S tim što seu glikolizi dva molekula ATP utroše, tako da na kraju ostaje 38 ATP.

25

Energija koja se ne konzervira u vidu hemijski vezane energije oslobaña se u vidu toplote. Oksid. 1 mol glukoze - 1660 kJ u vidu toplote – povećava T tkiva koje diše, odaje se u spoljnu sredinu, zagrijava odreñene organe ili djelove biljke, npr. cvetne pupoljke pri otvaranju cvetova.

• Direktna oksidacija glukoze

• Pored razgradnje ugljenih hidrata aerobnim putem, postoji i druginačin razgradnje glukoze kao što je direktna oksidacija.

• Za razliku od aerobne oksidacije direktna oksidacija se ne odigravau mitohondrijama već u citoplazmi , a može da se odigrava i uhloroplastima .

• U toku direktne oksidacije glukoze dolazi do odvajanja vodonika saglukoze i do njegovog prenosa na NADP+. Krajnji produkti ovogprocesa su CO2 i NADPH + H+.

26

• Razlikuju se dvije faze u toku direktne oksidacije glukoze :a) oksidacija glukoza-6-fosfata u pentozu fosfat: 6C6H12O6 + 6H2O →

C5H10O5+ CO2 + 12 (H2)b) regeneracija glukoza-6-fosfata, koji se zatim ponovno uključuje u

ciklus: C5H10O5 → 5C6H12O6

• Pri direktnoj oksidaciji glukoze oksidiše se glukoza – 6- fosfat. Enzimom glukoza-6-fisfat-dehidrogenazom, NADP preuzima H od glukoza-6-fosfata koji preko 6-fosfoglukonolaktona prelazi u 6-fosfoglukonsku kiselinu.

27

Specifičnim enzimom se ponovo prenosi H na NADP koji se redukuje i nastaje 1 nestabilna ketokiselina koja prelazi u ribulozu-5-fosfat, čime se završava oksidaciona faza.

• U sledećoj fazi regeneracije heksoza -6-fosfata učestvuje 6 molekula pentoza – fosfata: 4 molekula ksiluloza-5-fosfata i 2 molekula riboza-5-fosfata. Ksiluloza -5-fosfat nastaje iz riboze-5-fosfata enzimski kataliziranom epimerizacijom.

28

Ovaj proces ima cikli čan karakter . Pentoza - fosfati su značajni intermedijeriu direktnoj razgradnji glukoze , zbog čega se ovaj proces često nazivapentozo-fosfatni ciklus .

• Ovaj način razgradnje glukoze seintenzivira sa starošću ćelija.

• Važnost direktne oksidacije glukoze- obezbjeñuje vodonik u vidu NADPH + H+, od velikogznačaja za biosintezumasnih kiselina,sintezu mevalonskekiseline, prevoñenje nezasićenih masnih kiselina u zasićenuformu, procesreduktivne karboksilacije pirogrožñane kiselineu jabučnukiselinui dr.

29

u jabučnukiselinui dr.- u ciklususe stvaraju i pentoze, značajni sastojci nukleotida inukleinskih kiselina.- stvaranje jedinjenja značajnih za sintezu materija –snabdijevanjećelija dovoljnom količinom NADPH+H+.

• Direktna oksidacija glukoze zahtijeva manje energije odglikolize i nezavisna je od ciklusa limunske kiseline.

• Fotorespiracija

• Disanje koje se odigrava u mitohondrijama protiče i u tami,nezavisno od svjetlosti.

• Fotorespiracija (disanje na svjetlosti) - Oksidativnatransformacija glikolataodvija seu peroksizomima samouuslovima intenzivne osvijetljenosti.

30

• Fotorespiracija i oksidativni proces mitohondrija imaju sasvimrazličit hemizam i bilans energije. Poštou peroksizomima nepostoji mehanizam za fosforilaciju pri oksidativnojtransformaciji glikolatane stvara se ATP.

• Putem fotorespiracije u viših C3 biljaka oslobaña se u viduCO2 od 15 do 50% od ukupne količine fiksiranog CO2.

•Glikolat se iz hloroplastaeksportuje u peroksizome, gdje se

• U C4 biljaka parcijalni pritisak O2ne utiče na fotosintezu, dokintenzitet fotosinteze u C3-biljakazajednički odreñuju intercelularnakoncentracija CO2 i O2.

• Molekuli O2 i CO2 su antagonisti,oni teže da reaguju sa istim RuBP,a samim tim iu stvaranju glikolata.

31

eksportuje u peroksizome, gdje sepomoću glikolatoksidaze sa O2oksidiše u glioksilat pri čemunastaje H2O2 koji se pomoćukatalaze razlaže na H2O i ½ O2.

Glioksilat se zatim putem transaminacije prevodi u glicin koji se eksportira u mitohondrije ili se koristi za sintezu proteina.

U mitohondrijama iz dva molekula glicina putem dezaminacije i

32

• Reakcija fotorespiracije i njihova kompartimentacija u ćeliji

dezaminacije i dekarboksilacije nastaje serin. Ova aminokiselina može da se koristi za sintezu proteina, ali se većim dijelom eksportuje u peroksizome gdje se prevodi u glicerat.

Glicerat izperoksizomaprelazi uhloroplaste gdje sepomoću ATPfosforiše i nastajefosfoglicerat,koji može da seuključi u fazu

Kalvinov ciklus

peroksizom

hloroplast

33

uključi u fazuregeneracijeKalvinovog ciklusa ida učestvujeu sintezi RuBP

Reakcija fotorespiracije - kompartimentacija u ćeliji

mitohondrija

• Aktivnosti RuBP-karboksilaze zavise od brojnih činilaca: količineenzima prisutnog u hloroplastu, koncentracije Mg i supstrata (CO2 iO2) i dr.

• Značaj ovog procesa nije u potpunosti objašnjen ali se smatra da jeglikolatni put kod osvijetljenih zelenih biljaka najznačajniji izvoraminokiselina glicina i serina . Moguće je i dobijanje energije, pristvaranju serina nastaje NADH+H+ koji može da se uključi urespiratorni lanac mitohondrija i da se koristi za dobijanje ATP.

34

• Povoljna okolnost u fotorespiraciji je da se udio ugljenika prekoglicerata vraća u Kalvinov ciklus, čime se smanjuje gubitak uugljeniku.

• Različiti tipovi biljaka karakterišu se nejednakim intenzitetomfotorespiracije: visoki (duvan, pasulj, pšenica, soja) imajukompenzacionu tačku iznad 10 ppm CO2 pri T od 25oC; niski(kukuruz, šeć.trska, sirak) kompenzacionim tačkama ispod 10 ppmCO2

• Osnovne razlike izmeñu mitohondrijalnog disanja, disanja u tami i fotorespiracije

Osobina Mitohondrijalno disanje Fotorespiracija

Mjesto odvijanja Mitohondrije peroksizomi

Supstrat ugljeni hidrati i dr. glikolat

Zahtjev za svjetlošću odvija se u tami i na svjetlosti samo na svjetlosti

Istovremeno odvijanje fotosinteze nije potrebno potrebnoje

Konzerviranje energije obrazuje se ATP troši se ATP*

35

Mitohondrijalni transport elektrona potreban je nije potreban

Nastajanje NH3 ne nastaje nastaje

Inenzitet u odnosu na fotosintezu ~ 10% 15-90%

Povećanje koncentracije O2 ne utiče u većoj mjeri ako jekoncentracija O2>3%

značajno povećava

Povećanje temperature povećava se povećava se u većoj mjerinego mitohondrijalno disanje

Koncentracija CO2 ne utiče u većoj mjeri smanjuje se pri visokoj konc.CO2 (>1.000ppm)

*

• Cijanid rezistentno disanje

• Do cijanid rezistentnog disanjadolazi ako je put elektronapreko citohroma inhibiran npr. usled suviška ATP,prezasićenost elektronima.

• Usled smanjene sinteze ATPoslobaña se značajna količinatoplote, zbog čega se ovaj alternativni put disanja smatraenergetskineekonomičnim.

36

toplote, zbog čega se ovaj alternativni put disanja smatraenergetskineekonomičnim.

• U starijim tkivima i u sjemenu u stanju mirovanja, uneoštećenim krtolama krompira i uopšte u tkivima zanakupljanje rezervnih materija u stanju mirovanja ono jemnogo intenzivnije. U ponicima i mladom tkivu je slaboizraženo.

• Tačan mehanizam još nije poznat.

• Klimakteri čno disanje

• U toku starenja organa biljaka i sazrijevanju plodovaintenzitetdisanja se povećava –pojava se nazivaklimakteri čno disanje.

• Plodovi brojnih biljaka izvjesno vrijeme poslije berbe ispoljavajuklimakterično disanje (banana, jabuka, kruška, šljiva, kajsija,paradajz), dok se kod nekih plodova ova pojava ne uočava(trešnja, grožñe, krastavac, dinja).

37

• U toku klimakteričnog disanja odavanje CO2 i usvajanje O2 seponekad povećava za 2 do 3 puta.Ono je posledica starenja tj.biohemijskih procesa koji se u toku sazrijevanja plodovaintenziviraju (hidroliza skroba u šećer, razgradnja pektinaćelijskog zida i dr.).

• Etilen koji se obrazuje u plodovima u toku sazrijevanja podstiče,dok CO2 i odsustvo O2 inhibira klimakterično disanje.

38

• Endogena produkcija etilena i klimakterično disanje mjereno na osnovuizdvojenog CO2 kod banane. Maksimalna produkcija etilena prethodiklimakterijumu

• Fiziološki značaj cjanid rezistentnog disanja plodova još nije potpuno objašnjen.

• EGZOMITOHONDRIJALNI OKSIDACIONI PROCESI

• Pored citohrom-oksidaze u biljnimćelijama postoji joščitavniz drugihoksidazakoje senalaze u drugim djelovima ćelije(citoplazmi, peroksizomima,ćelijskom zidu) i nazivaju seegzo-mitohondrijalne oksidaze.

• Prostetičnu grupu ovih oksidazačine polivalentni metali,najčešćebakari /ili flavoproteini(FAD ili FMN).

• U direktne oksidazeubrajaju se: fenol-oksidaza, askorbat-oksidaza,peroksidaza,katalaza,glikolat-oksidazai dr.

39

oksidaza,peroksidaza,katalaza,glikolat-oksidazai dr.

• Njihova fiziološka uloga je višestruka- mogu da razlažu:aminokiseline, auksine, zatim toksične produkte metabolizmaH2O2, mogu da katalizuju biosintezu lignina, kao ihidrooksidaciju organskih jedinjenja.

• Njihovi reakcioni produkti kao što su hinoni mogu da imajuvažnu ulogu u odbrambenim reakcijama.

• Peroksidaze– veći broj; peroksidaze koje sadrže gvožñe (biljne) ina flavoprotein peroksidaze. Mogu da vrše ulogu terminalneoksidaze na više načina:

• a) da u prisustvu H2O2 oksidišu različite donatore vodonika (AH2);AH2+H2O2 2H2O + A

b) da u reakciji koju katališe peroksidaza nastaje H2O2 koji sekoristi zadaljuoksidaciju; AH+AH+H O A – A +2 H O

40

2 2koristi zadaljuoksidaciju; AH+AH+H2O2 A – A +2 H2O

• Katalaza– pretežno se nalazi u peroksizomima. Uloga katalaze jeda razlaže H2O2 koji je veoma toksičan za biljke.

• 2H2O2 2 H2 = + O2

• Glikolat – oksidaza– je flavoprotein koji glikolat oksidiše uglioksalat. Ovaj enzim ima važnu ulogu u peroksizomima.

• Askorbat – oksidaza– oksidiše askorbat, sadrži bakar(Cu2+).

• Fenol – oksidaza– ako se biljno tkivo ošteti (presijeca,homogenizira) u prisustvu kiseonika ono za kratko vrijemedobija mrku boju, koja nastaje usled aktivnosti tj. fenol-dobija mrku boju, koja nastaje usled aktivnosti tj. fenol-oksidaza. Fenol-oksidazasadrži bakar a supstrat su mono ipolifenoli. Pretpostavlja se da polifenol-oksidaze učestvuju uregulaciji nivoa auksina u biljnim tkivima. Sa starenjembiljaka njihova aktivnost se povećava.

• ANAEROBNA RAZGRADNJA UGLJENIH HIDRATA U VIŠIM BILJKAMA

• Tipičan za anaerobne organizme. Organizmi i tkiva mogu da budufakultativno anaerobni -čim dospiju u aerobne uslove odmah prelaze saanaerobnog na aerobno disanje.Razgradnja organskih materija u odsustvukiseonika naziva sevrenjem.

• Sa stanovišta energijevrenje je mnogo nepovoljniji način razgradnjeorganskihmaterijaod aerobnogmehanizma. Pri vrenju jednog molekula

42

organskihmaterijaod aerobnogmehanizma. Pri vrenju jednog molekulaglukoze dobijaju se svegadva, a pri aerobnoj razgradnji38 molekulaATP.

• Mehanizamrazlaganje glukozeu procesu vrenja odvija se istim reakcijamakao i glikolizado pirogrožñane kiseline. Ukoliko je koncentracija kiseonikaniska, tada se razgradnja pirogrožñane kiseline nastavlja mehanizmom kojije prilagoñen anaerobnim uslovima. Pri tome mogunastati različiti produktikao što su: alkohol, mravlja, propionska ili buterna kiselina.

Anaerobnarazgradnjapirogrožñanekiseline

43

Anaerobnarazgradnjapirogrožñanekiseline

• Krajnji produkti anaerobnog disanja u viših biljaka su obično:mlečna, oksalna, vinska, jabučna ili limunska kiselina.

• Različita osjetljivost biljnih tkiva: neke biljke i organi mogudugo da izdrže u atmos. bez O2 a neki – ponik kukuruza –ugine nakon 24h.

• TOKSIČNI OBLICI KISEONIKA I ANTIOKSIDANTNI ENZIMI I JEDINJENJA

• Uočeno je dakiseonik može da izaziva nepoželjne efektei to u:redukovanom, aktiviranom, a ponekad i u molekulskom obliku.

• Kiseonik ima sledeće vrste aktiviranih oblika: vodonik-peroksid(H2O2), supeorksid (O·2), perhidroksilni (HO·2) i hidroksilni(OH·) slobodni radikali singlet kiseonik (1 O·2).

• U mitohondrijamaformiranjeO*2 i H2O2 započinje inhibicijomtransportaelektronakroz respiratornilanac, usledčegaelektroni

44

• U mitohondrijamaformiranjeO*2 i H2O2 započinje inhibicijomtransportaelektronakroz respiratornilanac, usledčegaelektronisa ubihinona prelaze na kiseonik.

• Superoksid radikalmože da nastane neenzimatskim putem npr.dejstvom jonizujućeg zračenja iz vode.

• Toksični oblici kiseonika naročito nepovoljno da djeluju nahloroplaste, na njihove membrane, pošto nezasićene masnekiseline membrana hloroplasta lako podležu peroksidaciji

• Ključnu ulogu u regulaciji količine redukovanih oblikakiseonika imaju antioksidantni enzimi : superoksid-dismutaza(SOD, u matriksu hloroplasta i membrani tilakoida),peroksidaza,katalaza, askorbat-peroksidaza, glutation-peroksidaza i dr.

• U odbrani biljaka od peroksidacije lipida, inaktivacije enzima,nastajanje singlet kiseonika i dr.važnu ulogu imaju iantioksidantna jedinjenja: karotenoidi, redukovani glutation,α-tokoferoli dr.

45

tokoferoli dr.-------------------------------------------------------------------------------• Redukovani i aktivirani oblici kiseonika mogu da imaju i

povoljno dejstvo - u procesimalignifikacije i zrenja plodova.Tako npr., singlet kiseonik podstiče degradaciju hlorofila ikarotenoida, zahvaljujući čemu zeleni plodovi dobijaju žutu,narandžastu ili neku drugu boju.

• U toku peroksidacije lipidnih membranapovrća i voća gradeseisparljivi aldehidi koji daju svojstven miris povrću i voću.

• POKAZATELJI DISANJA• Intenzitet disanja– predstavlja količinu usvojenog kiseonika

ili izdvojenog CO2 u jedinici vremena po jedinici biljnogmaterijala.Izražava se kao QCO2 ili QO2 koji predstavljajukoličinu izdvojenog CO2 ili usvojenog O2 u ml po 1g suvematerije pri 0oC.Zavisi od niza ekoloških i unutrašnjihčinilaca.

46

• Koeficijent disanja– ili respiratorni koeficijent RQpredstavlja odnos izmeñu izdvojenog CO2 iusvojenog O2 za isto vrijeme.Na osnovu koeficijenta disanja može se zaključiti osastavu supstrata koji je korišćen za disanje.Ukoliko je ugljeni hidrat tipa (CH2O)n potpunooksidišekoeficijentdisanjabiće1.oksidišekoeficijentdisanjabiće1.

Koeficijent disanjaće biti veći ili manji od jediniceukoliko se istovremeno sa ugljenim hidratima razlažui neke druge materije.

• Kaktusi i sukulente su izuzetak – RQ = 0 imaju, jer u toku disanja ne izlučuju CO2 (CAM ciklus)

47

Supstrat npr. stearinska kiselina (RQ je 0,69), relativnosiromašna u kiseoniku tadaće RQ biti manji od 1, i u slučajuako se oksidišuproteini, iako se to dešava samo u slučaju'gladovanja' biljaka.Organske kiselinesu bogatije u kiseoniku od ugljenih hidrata,masti i proteina, usledčega je RQ u slučaju njihove oksidacijeveći od 1.

Na veličinu koeficijenta disanja utiču i ekološki činioci:

48

Na veličinu koeficijenta disanja utiču i ekološki činioci:temperatura, parcijalni pritisak O2, intenzitet svejtlostii dr.

• Temperaturni koeficijent disanja– označava povećanjeintenziteta disanja pri povećanju temperature za 10oC. PremaVan't Hoffovom zakonu povećanje temperature za 10oC uintervalu temperatura od 0 do 40oC u većini sličajeva ubrzavadisanje za 2-3 puta.

ČINIOCI KOJI UTIČU NA DISANJE

Spoljašnji činioci

• Mineralne materije – mogu posredno ili neposredno da utiču nadisanje.

• Konstitucioni elementi (N, P, S) i neki metali (Fe, Cu, Zn)ulaze usastav enzima disanja.

49

• Joni nekih metala (K+, Mg2+, Fe2+, Mn2+) mogu da buduaktivatori enzima disanja, dok neki metaliu suvišku, naročito teškimetali,mogu da budu inhibitori(Cu, Ar, Hg, Pb).

• Joni nekih metala mogu iindirektno da djeluju na disanje, poštoutiču na fizičko-hemijske osobine protoplazme, hidrataciju njenihkoloida, propustljivost i stabilnostćelijskih membrana.

Temperatura – minimalna T pri kojoj se još odvija disanje kreće seispod – 10oC(pupoljcičetinara i listopadnog drveća dišu i na -22 do -25oC).

Optimalne T disanja kreću se oko 35oC. Dalje povećanje postepenodovodi do inaktivacije enzima disanja, pošto pri T od 45 do 55oC ućelijama većine biljaka dolazi do koagulacije proteina.

Povećanje T dovodi dointenzivnije potrošnje organskih kiselina uprocesu disanja. Ravnoteža masti i ugljenih hidrata takoñe zavisi odvisineT.

50

visineT.Intenzitet disanja biće povećan sve dotle dok se sav šećer ne utrošina disanjeili ponovo transformiše u skrob (krtole pri sniženju T).

Sa agronomskog stanovištaveoma je značajno poznavanje dejstvaT na intenzitet disanja - pri skladištenju poljoprivrednih proizvoda.

• Voda –Voda utiče naproticanje svih životnih procesaćelije, paprema tome i na disanje

Intenzitet disanja zavisi od stepena hidratacije koloidaprotoplazme. Kod biljnih vrsta i organa (sjeme, stariji listovi idr.) koji su tolerantniji prema gubljenju vode, intenzitet disanjaće sesmanjiti samo u slučaju nedostatka veće količine vode.

Kod biljnih vrsta i organakoji su manje otporni prema

51

Kod biljnih vrsta i organakoji su manje otporni premadehidratacijiintenzitet disanjaće se značajno smanjiti većnakon neznatnog deficita u vodnom režimu.U toku sušenja u pokošenom krmnom bilju (travi, djetelini i dr.)paralelno sa gubitkom vode, smanjuje se i intenzitet disanja.Kada sadržaj vode padne ispod 30 do 40%, obračunato na suvumateriju, disanje potpuno prestaje.

Voda utiče ne samo na bubrenje koloida citoplazme već i napropustljivost tkiva prema gasovima. U uvelom sjemenugraška,čak i u aerobnim uslovimadolazi do vrenjapoštosjemenjača u toku sušenja postaje manje ili više nepropusna zagasove tj. kiseonik.

52

U slučaju suviška vode, ako je zemljište previše zasićenovodom, razmjena gasova korjena je otežana, jer jerastvorljivost kiseonika u vodi veoma slaba. Ako se korjennalazi u zemljištu čije su pore ispunjene vodom njegovodisanje a time i rastenje biće usporeno.

• Sastav atmosfere– kiseonik je neophodan za aerobno disanje.Aerobno disanje prestaje kada se koncentracija smanji ispod 3-5%.

Koncentracija kiseonika pri kojoj počinje anaerobno i prestajeaerobno disanje naziva setačka gušenja. Ona je različita kodpojedinih biljaka i organa.

U djelovima biljaka koji se razvijaju u sredini sa nedovoljnokiseonika,kao što su mulj i voda,stvaraseparenhimskotkivo za

53

kiseonika,kao što su mulj i voda,stvaraseparenhimskotkivo zasprovoñenje i magaciniranje vazduha – aerenhim.

• Pri čuvanju plodova voćakasmanjenjem koncentracije kiseonika uatmosferi na 2 do 3%, pačak i na 1 do 1,5% ipovećanjemkoncentracije CO2 na 1 do 5%,trajnost plodovase značajnoprodužava.

• Kada se želi ubrzati dozrijevanje plodova povećava se temperatura ikoncentracija kiseonika.Npr., pomorandže dozrijevaju na 25 do 26oC u atmosferi sa 50% O2i 0,1 do 1,0% CO2.

Poznavanje uticaja koncentracija kiseonika na disanje je veomaznačajno pri skladištenju povrća, voća i drugih poljoprivrednihproizvoda.CO u skladištudjeluje anestezirajuće, smanjujeintenzitetdisanjai

54

CO2 u skladištudjeluje anestezirajuće, smanjujeintenzitetdisanjaigljivi čna i bakterijska oboljenja.Meñutim, povećanje koncentracije CO2 nepovoljno utiče na disanje,čak i u slučaju ako je atmosfera bogata u kiseoniku.

Veće koncentracije O2 od normalne 21% utiče štetno – inhibira razvojhloroplasta, smanjuje klijavost sjemena, oštećuje membrane, izazivaopadanje listova, smanjuje nakupljanje suve materije i dr.

• Svjetlost – uticaj svjetlosti na disanje je veoma složeno izavisi od:bioloških osobina biljaka i tkiva, od uslova gajenjaprijeispitivanja, intenziteta i kvaliteta svjetlostii dr.Posredno utiče na disanje -povećava temperaturu tkiva, ili prekofotosinteze.Svjetlost utiče na disanje biljaka ipreko rastenja i razvića pošto suovi procesi usko povezani sa disanjem.

• Mehaničke ozljede – promjena ravnotežefizioloških procesa,

55

• Mehaničke ozljede – promjena ravnotežefizioloških procesa,izazvana nekim mehaničkim ili drugim faktorima, povećavaintenzitet disanjaćelija. Da bi se uspostavilo prvobitno stanjemetabolizma potrebni su dodatna energija i supstrat, koji seobezbjeñuju povećanjem intenziteta disanja. Povrede podstičusintezu proteinameñu kojima i sinteza raznih enzima kojiučestvuju u oksidacionim procesima. Uočeno jepovećanje brojamitohondrija. Dio disanja se odvija putem direktne oksidacijeglukoze.

• Unutrašnji činioci• Promjena intenziteta disanja u toku rastenja i razvića biljaka. U toku života

biljaka razlikuje se pet faza:

a) Faza mirovanja. Karakteristično za vazdušno suvo sjeme i za pupoljke u tokuzime. U fazi mirovanjadisanje pupoljaka je minimalno. U sjemenu kao supstratza disanje pored ugljenih hidratačesto se koriste masti i proteini.

b) Embrionalna faza. Susreće u apikalnom meristemu korjena i nadzemnogdijela i u embrionu sjemena. Karakteriše seveoma intenzivnim disanjem.Uvećini slučajeva supstrat za disanje su ugljeni hidrati.

56

c) Faza mladosti. U fazi mladosti se obično nalazećelije tkiva u zoniizduživanja korjena i nadzemnog dijela, mesnatom dijelu mladih plodova itd.Disanje u ovoj fazi je još uvijek intenzivno.

d) Završna fazarastenja i razvića. U ovoj fazi se uočava postepeno opadanjeintenziteta disanja.e) Faza starosti. U ovoj fazi intenzitet disanja senaglo smanjuje.

Uopšte, može se reći da stadijumski starija tkiva slabije dišuod mlañih, a organi koji rastu dišu intenzivnijenego organikoji su završili rast.

Sa starenjem se mijenjaintenzitet ali i hemizam disanja.Umeristemskimćelijamapreovladavaglikoliti čki put razgradnje

57

meristemskimćelijamapreovladavaglikoliti čki put razgradnješećera. Sa starošću povećava se udio direktne oksidacijeglukozei uopšte aktivnosti oksidaza.

• Infekcija – u tkivima napadnutim patogenim organizmimaintenzitet disanja se u većini slučajeva značajno povećava.Dolazi donakupljanja nekih meñuprodukata disanja, u prvomredu organskih kiselina.Povećava se intenzitet direktneoksidacije glukoze.Dolazi dopovećanjasadržaja aromatičnihjedinjenja, posebno fenola što povećava rezistentnostnapadnutog tkiva prema parazitu, zbogčega se ova pojavamože smatratiodbrambenom reakcijombiljke prema parazitu.

Do povećanjaintenzitetadisanjau slučaju infekcije vjerovatno

58

Do povećanjaintenzitetadisanjau slučaju infekcije vjerovatnodolazi kao rezultat reakcije tkiva domaćina na produktemetabolizma parazita.U zaraženim tkivima razgradnjaugljenih hidrata sa glikolitičkog puta prelazi na direktnuoksidaciju glukoze, u kojoj ne dolazi do sinteze ATP.

Intenzitet disanja se povećava i pri virusnom oboljenju.Na intenzitet disanja utiču i drugi unutrašnjičinioci, kao što sufitohormoni, genotip i dr.