Fiziologija biljaka BILJNA STANICA Oblik i veličina Kao najjednostavniji oblik se pojavljuju kuglaste stanice, ali vrlo rijetko. Češći oblici su kubični, izodijametrični, poliedrični uz više-manje produžene, prizmatične do vlaknaste formacije. Izodijametrični oblici (promjer u svim smjerovima približno jednak) se javljaju u osnovnim tkivima, tj. parenhimu (parenhimski oblici). Prosječna veličina biljne stanice iznosi 10 – 100 µm, dok se stanice pokožice mnogih listova, stanice nekih biljnih dlaka ili sočnih dijelova ploda zrelih brašnastih jabuka ili krumpira mogu razabrati golim okom.

Građa biljne stanice Tipična biljna stanica obavijena je staničnom stjenkom, a unutrašnjost stanice ispunjena je prozirnom sluzavo-viskoznom tvari tzv. protoplastom. Protoplast nema jedinstvenu strukturu, nije homogen. U osnovnoj plazmi – citoplazmi nalaze se razne strukture, tzv. stanični organeli. U citoplazmi zelenih stanica uočljivi su kloroplasti – oni su nosioci asimilacijskih pigmenata, mjesta gdje se zbiva asimilacija CO2 iz zraka). U osvijetljenim stanicama se stoga nalazi primarni ili asimilacijski škrob kao prvi vidljivi proizvod fotosinteze. Osim kloroplasta, u stanici nalazimo i mitohondrije, razne vakuole, a najveći dio stanice, tj. najveći organel je jezgra. Stanična jezgra, plastidi i mitohondriji su reproduktivna tijela, tj. umnožavaju se dijeljenjem (imaju svoje DNA). Vakuole su ispunjene vodenastim staničnim sokom. Sve formacije u stanici uklopljene su u osnovnu citoplazmu koja često čini tanak sloj uz staničnu stjenku. Citoplazma je prema staničnoj stjenci i prema vakuoli ograničena plazmatskom kožicom s osobinama gela koja se jasno razlikuje od tekuće, „zrnate plazme“. Granični sloj prema vakuoli zove se tonoplast, a vanjska plazmatska kožica koja je u normalnim uvjetima uz staničnu stjenku naziva se plazmalema. Protoplasti susjednih stanica povezani su plazmatskim mostovima staničnih stjenki –

1

plazmodezmijama u jedinstveni simplast. Suprotno simplastu, sve njegove mrtve izlučevine označavamo kao apoplast (škrob, stanična stjenka...). Stanična stjenka Nju izlučuje citoplazma, a to je potrebno jer u biljnim stanicama koje imaju vakuole može vladati znatan unutarnji tlak tako da nabreknuti protoplast treba nekakav potporanj. Najvažnija tvar stanične stjenke je celuloza koja je samo u gljiva zamijenjena hitinom. Celuloza je sastavljena od molekula β-D-glukoze kod kojih je hidroksilna skupina na prvom C-atomu s jedne strane, a na četvrtom C-atomu sa druge strane je prstenasto zatvorenje polucentralne molekule. Od molekula β-glukoze stvaraju se polimerizacijom molekule celuloze koje su kristalnom pravilnošću poredane u micele; oko 100 molekula celuloze čini 1 micel, oko 20 micela čini mikrofibril. Između micela postoje intermicelarni prostori, a između mikrofibrila nalaze se interfibrilarni prostori. U oba prostora kapilarnim silama ulazi voda i zato su stanične stjenke uvijek vlažne. Ako pod imerzionim povećanjem polarizacijskog mikroskopa promatramo stjenke one će svijetliti – stjenke se ponašaju kao kristali pa zakreću ravninu polarizirane svjetlosti i titraju. β-glukoza celuloza x 200 micele x 20 mikrofibril makrofibril intermicelarni prostori interfibrilarni prostori No, ovo nije konačna građa primarne stanične stjenke. Celulozne fibrile povezane su hemicelulozom koja omogućuje fleksibilnost. Molekule hemiceluloze su između fibrila. Hemicelulozni dio se sastoji od:

a) ksiloze i glukoze – tzv. ksiloglukan, na celulozu se veže vodikovim vezama

b) arabinogalaktan – arabinoza+galaktoza, vezan je na ksiloglukan c) ramnogalakturonan – nadovezuje se na arabinogalaktan

2

Ovako se osigurava elastičnost stanične stjenke. Prilikom rastenja vodikovi mostovi pucaju (pod djelovanjem enzima), a zatim utjecajem turgora stanična stjenka povećava svoj volumen. Pektin je polimer galakturonske kiseline i daje elasticitet.

Pektinska kiselina Ukoliko se pektinske kiseline metiliraju nastaje pektin!

Pektin Na negativne naboje može se vezati Ca2+ (Ca-pektinat) ili Mg 2+. U slučaju Ca-pektinata, pektinska kiselina je netopiva u vodi (inače je topiva). Pektinska kiselina je postavljena u središnji dio između staničnih stjenki susjednih stanica – drži ih. U fazi zriobe, pektinska kiselina se razgrađuje pod utjecajem enzima i to tako da enzimi pektinaze cijepaju polimere pektinske kiseline. Plodovi postaju rahli, sočni, slatki. Na staničnu stjenku se nadovezuje lignin (iza celuloze najvažnija tvar). Lignin je omogućio biljkama da prijeđu na kopneni način života; on daje čvrstoću; polimer je koniferilnog, kumarilnog i sinapilnog alkohola.

koniferilni alkohol

sinapilni alkohol

kumarilni alkohol Lignifikacija = odrvenjavanje – lignin je sekundarni građevni materijal stanične stjenke. Kod monokotiledona preteže kumarilni, a kod golosjemenjača koniferilni, a kod dikotiledona koniferilni i sinapilni alkohol. Lignina naročito puno ima u ksilemu biljke. Da bismo saznali da li je biljka potpuno lignizirala ili ne, izvedemo pokus:

3

potpuna lignifikacija nepotpuna lignifikacija ne savija se savija se negativno geotropno Suberinizacija = oplutnjavanje – osim lignina u staničnoj stjenci nalazimo i suberin (ester glicerola i masnih kiselina: plutenske, fleonske i flojanske). Suberin ima lipofilna svojstva koja se mogu dokazati kuhanjem u lužini (saponifikacija) ili bojanjem lipofilnom bojom (SUDAN III). Suberin čini vanjske prevlake na biljci (oblik pluta na stabljici) koje štite biljku od gubitka vode. Mineralizacija – u staničnoj stjenci nalazimo i razne ione (CaCO3) koji mogu štititi biljku od predatora (skakavaca) koji zbog čvrstoće CaCO3 neće jesti biljku. Nadalje, CaCO3 može biti i kao ovojnica na sjemenkama (Litospermum purpuseo caerulum). Rubovi trava mogu imati rubove od silicija (oštri su). Stanična stjenka je negativno nabijena, propusna je za većinu tvari. Ioni se privremeno vežu za negativne naboje stanične stjenke, ulaze u plazmu i otpuste se. Plazmatska membrana U izgradnji plazmatske membrane važnu ulogu imaju tzv. strukturni lipidi. Pod širim pojmom lipidi su niz u vodi netopivih tvari koje se otapaju u organskim otapalima. Manje polarne lipide koji imaju hidrofilni i hidrofobni dio nazivamo lipoidi. Oni naginju stvaranju monomolekularnih filmova, a odgovarajućim promjenama rasporeda stvaraju bimolekularne filmove koji nakon uklapanja proteina tvore bimolekularne lipoproteidne membrane, vrlo važne u živoj protoplazmi. Lipoidi zbog posjedovanja hidrofilnog i hidrofobnog pola mogu posredovati između hidrofilnih i hidrofobnih tvari. Oni stvaraju jednoslojne ili monomolekularne filmove ili lamele u kojima je svaka lipidna molekula svojim hidrofilnim krajem (glavom) uronjena u vodenu fazu, a apolarni hidrofobni rep ili strši u zrak ili traži dodir sa drugom hidrofobnom lipidnom fazom s drugačijim hidrofobnim molekulskim završetkom. U čistoj vodenoj otopini takvi strukturni lipidi stvaraju bimolekularne membrane sastavljene od dvije lamele čije su apolarne skupine okrenute jedna prema drugoj. U živoj stanici lipoproteidne ili elementarne membrane sastoje se od lipida i proteina. Plazmatska membrana je selektivno propusna (semipermeabilna) – neke ione propušta brže, neke sporije, a neke ne propušta. Hidrofilne tvari propušta kroz

4

hidrofilna (lipofobna) područja, a lipofilne (hidrofobne) tvari prolaze kroz lipofilni dvosloj (hidrofobni dvosloj). Neke tvari prenose se aktivnim transportom (potrebni su nosači i metabolička energija u vidu ATP-a); pasivno (difuzijom i olakšanom difuzijom). Tvari teku od područja veće koncentracije ka manjoj (difuzija) ili obrnuto (aktivni transport). Enzimi iziskuju veliku količinu nekog supstrata i o tom supstratu ovisi brzina enzimatske reakcije. Zato je nužan aktivni transport. Postoji konstanta koja govori koliko tvari treba da bi enzimatska reakcija bila bar ½ vrijednosti maksimalne enzimatske reakcije – Michaelisova konstanta. Primjer aktivnog transporta je Na-K pumpa. K+ je potreban i on ulazi u stanicu, a Na+ izlazi vani. Kad prima K+ aktivnim transportom, nosač iznese Na+ vani tako da se promjeni konformacija nosača pa on izvrši ovu izmjenu. Inače, Na+ je uvijek zastupljen u organizmu i stalno želi ući u stanicu, ali ga ona konstantno izbacuje vani jer nema tako veliki značaj kao K+ (on je važan za održavanje hidratacijskog stanja plazme). Fizičko-kemijska svojstva plazme Plazma ima mnoga svojstva tekućina. To se osobito očituje s obzirom na strujanje plazme. Grubo-disperzni > 102nm Koloidno-disperzni 1 – 102nm Molekulsko-disperzni < 1nm Protoplazma nije kemijski jedinstvena tvar već organizirana koloidna smjesa brojnih organskih, ali i anorganskih spojeva. Oni su dijelom otopljeni, a dijelom kruti te u plazmi stanice većino trajno mijenjaju agregatno stanje. Analiza elemenata protoplazme pokazala je da su tu zastupljeni: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg i Fe. Od molekula u plazmi nalazimo: Voda 70 – 80% Proteini 10% Nukleinske kiseline 3,4% Lipidi 2% Polisaharidi 1-2% Anorganski spojevi (minerali, elektroliti) 1% Bez obzira na količinu vode, osnovne osobine plazme određuju bjelančevine, Lipidi su važni u staničnim opnama, a ugljikohidrati su rezervne tvari. Visokomolekularni spojevi (DNA, proteini, lipidi) imaju izraženu individualnost koja je uvjetovana stereokemijskim rasporedom različitih grupa radikala. Bjelančevine se ponašaju kao amfoliti: u kiselinama su nabijene aminoskupinama, a u bazičnom dijelu disociraju karboksilne skupine:

u kiselom mediju u baznom mediju Plazma ima puno vode, a sposobnost plazme da ju zadržava je uvjetovana hidrofilnošću bjelančevina.

5

SVOJSTVA VODE Važna svojstva protoplazme uvjetovana su fizikalno-kemijskim svojstvima vode. Voda je jedinstvena po svom ponašanju i uvjet je bez kojeg se ne može. Voda ima visoku specifičnu toplinu (specifični toplinski kapacitet) pa je uzeta kao standard za definiciju kalorije (ona toplina u kalorijama potrebna da se podigne temperatura 1g vode za 1°C i to od 15,5°C do 16,5°C). Etanolu treba 0,58 kalorija po gramu da se podigne temperatura za 1°C. Stanica (organizam) zbog visoke specifične topline vode može apsorbirati ili gubiti toplinu sa minimalnim promjenama temperature. Tolerancija kod čovjeka je oko 5°C (36,5°C - 41°C) i to sve zahvaljujući vodi. Kod većih temperatura proteini se denaturiraju, istalože se i organizam se poremeti. Visoki toplinski kapacitet vode u kombinaciji s visokim sadržajem vode u stanici sprječava zamjetljive promjene temperature u stanicama unatoč oslobađanju toplinske energije u metabolizmu. Voda ima visoku latentnu toplinu avaporacije (isparavanja). Prilikom isparavanja njeni ohlađujući učinci su izraziti. Isparavanjem 1g vode troši se oko 582cal (2435J). Upravo isparavanjem se u stanici (tj. u biljci) troši toplinska energija (od sveukupne energije samo 45% je u obliku ATP-a). Molna toplina evaporacije vode povezana je sa površinskom napetošću – energija povezana s površinom izražena u din/cm2. Molekule na površini tekućine vezane su intermolekularnim silama za susjedne molekule. Sile površinske napetosti nastoje tijelu (organizmu) osigurati najmanji volumen (kugla). Ova površinska napetost osigurava granicu vode sa lipidima i proteinima u membranama. Zbog površinske napetosti dolazi i do kapilarnosti – veća kapilarnost znači i viši stupac vode u kapilarama.

Dižuća sila = T cos Θ = T cos Θ 2 r π = Δ r2 π h g T – površinska napetost Δ – gustoća tekućine h – visina stupca g – gravitacija

Kapilarnost pomaže držanju vode u kapilarama (trahejama i traheidama) na nekoj visini, ali ne pomaže transport tvari kroz traheje i traheide. Viskoznost vode ili rezistentnost da ostane tekuća, niska je pa voda brzo prolazi kroz provodne elemente. Viskoznost tvari opada sa temperaturom. Prilikom smrzavanja volumen vode se povećava, a gustoća joj opada (voda je jedinstvena u tom pogledu). Maksimalna gustoća vode je kod 4°C. Kohezija vode je vrlo velika, a može se temeljiti na povezivanju molekula vode.

Veza O-H je kovalentna, ali i 40% ionska; kut veze je 104,5°.

6

Molekule vode međusobno se povezuju H-vezama i to povezivanje daje molekulama vode kohezionu silu od nekoliko stotina bara. Koheziona sila ne dozvoljava da se stupac vode prekine, tj. on ostaje kontinuiran. Voda je univerzalno otapalo za brojne supstance, idealni je transportni medij za organske i anorganske spojeve; često je i katalizator. Sila među raznovrsnim molekulama je adheziona sila. Voda se adheziono veže na stjenku staklene kapilare, traheje, traheide... Adhezija vode objašnjava se u H-vezama vode sa polarnom površinom, a to su molekule koje sadrže kisik. Tako će se voda dobro adhezirati na celulozu, ali ne i na poliestere koji sadrže malo raspoloživog kisika za vezivanje vodikovim vezama. Smatra se da veliko značenje pri transportu protona u stanicu ima to što je pri 25°C [OH-] = [H+] = 10-7 mol/dm3. Dipolne molekule vode vežu se na brojne nabijene čestice. Voda koja formira ovakve plašteve označava se kao strukturalno vezana voda. Molekule bliže K+ vezane su čvršće od onih udaljenih. One najudaljenije molekule H2O mogu se zamjenjivati sa slobodnom vodom koja se nalazi u stanici. Što je naboj iona veći, veća je i sposobnost iona da privlači vodu. Ca2+ kad se približi npr. K+, koji ima svoj hidratacijski sloj, njegov naboj će odvlačiti vodu iz sloja, tj. izazivat će odbubravanje. K+ kao da potiče bubrenje. O odnosu K+ i Ca2+ ovisit će hidratacijsko stanje plazme; ako plazma sadrži dovoljno vode, slojeve nalazimo čak i oko proteina – sve reakcije mogu teći. Kad ima dovoljno vode za hidrataciju – to je sol-stanje, a ako nedostaje vode za hidrataciju nastupa gel-stanje. I anioni imaju hidratacijske plašteve: SO4

2-, CO32-, Cl-, NO3

-, SCN-. Bjelančevine su hidrofilne u odnosu na ugljikohidrate jer imaju peptidne veze i na bočnim lancima polarne grupe. Voda vezana u hidratacijske plašteve gubi dio svoje slobodne energije. Slobodna energija vode – za kretanje vode iz korijena u stabljiku pa u lišće i u atmosferu bitan je prvi princip: voda se kreće iz područja više slobodne energije ka nižoj. Parcijalna molna Gibbsova energija je ona slobodna energija koja se može iskoristiti za rad u određenim uvjetima. Izraz „parcijalna“ polazi od činjenice da se ova termodinamička veličina sastoji iz više varijabli pa slobodnu energiju izražavamo po molu kada su svi faktori (npr. Temperatura) konstantni. Molna slobodna energija jednaka je srednjoj slobodnoj energiji molekule pomnožene s brojem molekula u molu. Parcijalna molna energija vode može biti izražena kao razlika između vode na koju djeluju razne sile (kemijske, električne, gravitacijske) i slobodne energije čiste vode. Slobodna energija = µw – µow = RT ln e – RT ln eo = RT ln e/e0 = Ψ

7

Kemijski potencijal vode ili bilo koje tvari je mjera raspoložive energije po molu kojom će ta tvar reagirati ili se kretati. Kada se radi o vodi izraz kemijski potencijal mijenjamo za izraz vodni potencijal Ψ. Voda se kreće niz energetski gradijent (gubeći pri tome energiju); kretanje vode zahtjeva energiju. Tako dugo dok se energija može gubiti (kao rezultat kretanja vode), kretanje će se nastaviti. Ravnoteža će biti dostignuta kada daljnje gibanje ne rezultira nikakvim daljnjim gubljenjem energije. U normalnim biološkim uvjetima vodni potencijal obično je dovoljno velik da ne ograničava veličine reakcija u kojima sudjeluje voda. Iznimka je faza zriobe sjemenki kada se voda istisne iz sjemenki (sve do 18%). Od reakcija se vrši samo disanje, a ostale su zaustavljene. Kad se u vodi otope razne tvari, vodni potencijal pada, a pada i slobodna energija vode. Slobodna energija vode se smanjuje i stvaranjem hidratacijskih plašteva. Ako se voda grije ili stlačuje Ψ raste. Konvencijom biljnih fiziologa, slobodna energija čiste vode je 0. Ako otapamo tvar u vodi, snizujemo vodenu energiju i vodni potencijal dobija negativni predznak. Slobodna energija je definirana pretvaranjem jedinica energije po jedinici mase (J/mol ili erg/g) u jedinice tlaka i to djelovanjem kemijskog potencijala vode s parcijalnim molarnim volumenom: µw – µow molni volumen H2O V specifični volumen vode Sadržaj slobodne vode određuje intenzivnost fizioloških procesa, a sadržaj vezane vode određuje otpornost biljke prema nepovoljnim uvjetima sredine - slobodna voda (transpiracijska) Ukupna voda - inbibicijska voda – ulazi u kapilarne prostore staničnih stjenki i aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaostalih dijelova stanice (adsorbirana na aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaapovršini organela) -vezana voda (metabolička) PRIMANJE VODE U BILJKU

1. Bubrenje 2. Osmoza

Pogonska sila u oba slučaja je pad vodnog potencijala u stanici, a sam proces je najčešće difuzija. Difuzija kretanje neke tvari u smjeru pada njenog kemijskog potencijala. Difuzija u plinskom stanju brža je od difuzije u tekućinama. Ako imamo poru kroz nju lako prolazi voda i vodena para. U nekoj točki je tlak vodene pare e1, a u drugoj je e2. Difuzija se odvija kada je e1 > e2. Δe=e1 - e2 Što je razlika veća, difuzija je veća.

8

1. Fickov zakon difuzije Q = Δ r2 π Δc/L Fickov zakon opisuje obrok difuzije u kojem supstanca difundira između dvije lokacije. Q - difuzija Δ – difuzijski koeficijent koji je karakterističan za određenu supstancu r2 π – dio područja kroz koje supstanca prolazi Δc – razlika koncentracija između dvije lokacije L – udaljenost između dvije lokacije

e1 > e2 razlika parcijalnih tlakova Δe=e1 - e2 U mitohondrijima je c(O2)=0 U atmosferi je c(O2)=21% U atmosferi je c(CO2)=0,03% Kisik je dobro topljiv u lipidnom dvosloju, može prolaziti kroz plazmalemu i ući u mitohondrije. Ako su puči pritvorene onda CO2 ne može ući u stanice, samo ako su puči skroz otvorene može ući jer je c(CO2) u stanici = 0,03%. CO2 je velika molekula i teško prolazi kroz kutikulu.

2. Fickov zakon difuzije Prilikom zagrijavanja otopine difuzija je brža. Brzina difuzije opada sa trajanjem pa je dio puta S prijeđen difuzijom u drugom korijenu od vremena S = √t Tok tvari u difuziji objašnjava izraz F = Δc/Σr F – obrok difuzije (fluks) Δc – pad koncentracije Σr – suma difuzijskih otpora

9

Bubrenje Podrazumijeva pojavu da makromolekulski sistem (tijelo koje bubri) prima tekućinu ili paru uz povećanje obujma. To je fizički proces nevezan uz fenomen života. Sile bubrenja iznose nekoliko stotina bara. U tijelu koje bubri vodni potencijal je snižen elektrostatskom privlačnošću vodenih dipola od strane nabijenih skupina. Kao privlačna sila dolazi do izražaja i kapilarnost. Stanična stjenka prima vodu bubrenjem i kapilarnošću, plazma prima vodu bubrenjem, a vakuola osmotskim putem. Tlak bubrenja označavamo sa Τ (tau). Suho tijelo koje bubri nema aktualni već potencijalni tlak bubrenja, a aktualni se pojavi ako tijelo koje bubri stavimo u vodu. Pogonska sila za ulaznu struju vode tijekom bubrenja je pad kemijskog potencijala vode između tijela koje bubri i vode. Ulazna struja vode u tijelo koje bubri može se zaustaviti protutlakom određene jačine u suprotnom smjeru. Taj tlak je po iznosu jednak, a po predznaku suprotan tlaku bubrenja. Stanje bubrenja plazme = hidratacija. Stanica je ograničeno rastezljiva (tj. stanična stjenka). Kada prima vodu, stanica povećava svoj volumen. Kako je stanična stjenka ograničeno rastezljiva, stanični tlak (turgor) će u jednom trenutku spriječiti daljnji ulazak vode. Ψ = C – P (-)ΨW = (-)ΨΤ + (+)ΨP Ψ – vodni potencijal C – tlak bubrenja P – turgor (+)ΨP - potencijal tlaka stanične stjenke (-)ΨΤ – matični potencijal Vodni potencijal uvijek je negativan jer nikad nemamo čistu vodu. Matični potencijal bubrenja odnosi se na sve stanice koje mogu bubriti i uvijek je negativan. Matični potencijal je važan kod svih suhih sjemenki ili kod sukulentnih biljaka koje imaju veliki sadržaj sluzi. Općenito, matični potencijal važan je kod organa biljaka te cijelih biljaka koje primaju vodu bubrenjem (lišajevi, epifiti). Osmoza Podrazumijeva difuziju kroz semipermeabilnu ili selektivnopermeabilnu membranu koja je za otapalo (vodu) dobro propusna, a za otopljene tvari nije (ili je slabo propusna). 1867. Trauber je uzeo 5% otopinu K4[Fe(CN)6] i u nju dodao CuSO4. Dobio je smeđu polupropusnu kožicu od Cu2[Fe(CN)6]. Kožica je vrlo brzo pukla. Naime, zbog razlike u vodnom potencijalu između dvije otopine, voda je ulazila u tu simuliranu stanicu i kožica bi pukla. Oko puknute kožice stvarala se nova. Onda bi opet ušla voda pa bi membrana opet pukla itd. sve dok se vodni potencijali nisu izjednačili. Desetak godina kasnije Pfeffer je izveo idući pokus – u glineni valjak s poroznim stjenkama je stavio CuSO4 i uronio ga u posudu sa K4[Fe(CN)6]. Nastala je

10

kožica. Isprao je valjak i u njega stavio šećernu otopinu i uronio je u vanjsku posudu sa vodom. Valjak je zabrtvio sa gumenim čepom kroz kojeg je provukao kapilaru. Voda je zbog pada potencijala ulazila u šećernu otopinu koja je povećavala svoj obujam i stupac vode u kapilari je rastao dok se vodni potencijali nisu izjednačili.

Stupac tekućine tlačio je hidrostatskim tlakom i u trenutku ravnoteže taj je tlak djelovao suprotno ulaženju vode i bio jednak osmotskom tlaku otopine koja je vukla vodu (šećerna otopina). Dakle, ti su tlakovi bili numerički jednaki, ali suprotnog smjera djelovanja. Pri osmotskom tlaku razlikujemo potencijalni Π* (postoji u svakoj otopini) i aktualni osmotski tlak Π, koji se pojavljuje tek ako otopinu stavimo u osmotsku stanicu. Osmotska vrijednost tlaka ovisi o broju čestica u otopini pa vrijedi: Π* = c R T Kod 0°C (273K) Π* = c 22,7 – jednomolarna otopina ima kod 0°C Π* = 22,7bar ili 22,4atm. Ekvimolarne otopine razrjeđenih tvari imaju iste Π* vrijednosti. One mogu biti izoosmotične ili izotonične. Jednadžba osmotskog stanja glasi: (-)ΨW = (-)ΨΠ + (+)ΨP Osmotski potencijal je (-), a osmotska vrijednost može biti (+). Kada su vodni potencijali vode i šećerne otopine jednaki, vrijedi: ΨW = Ψst ΨΠ + ΨP = ΨΠ + ΨP 0 + 0 = -22,7 + 22,7 0 = 0 Jednadžbu osmotskog stanja možemo pisati i ovako: (+)S = (+)Π* - P S – sila sisanja P – turgor Ovo predstavlja razliku potencijala osmotskog pritiska i turgorskog pritiska. Kod venuća biljke je P=0 i S=Π*. Ako je S=0 i S=Π* onda prestaje primanje vode. Usporedbom neke stanice i otopine možemo odrediti osmotsku vrijednost same stanice. Stanične stjenke nisu polupropusne kao membrana Pfefferove stanice. One su selektivno propusne.

11

Dvije ekvimolarne otopine ne moraju biti nužno i izotonične ako su i izoosmotične. Toničnost je onaj dio osmotskog tlaka koji potječe od tvari koje ne mogu proći kroz plazmatsku membranu. Uzmimo npr. otopinu A koja sadrži 0,5M šećera i 0,5M uree, te otopinu B koja sadrži 1M šećera. Između njih stavimo selektivno propusnu membranu – šećer neće prolaziti kroz membranu, a urea hoće. Otopina A je izoosmotična sa otopinom B jer osmotska vrijednost ovisi o broju čestica. Ujedno, otopina A je hipotonična u odnosu na otopinu B jer urea prolazi kroz membranu. Da je otopina B imala 0,5M šećera, onda bi otopine A i B bile izotonične. Ako je stanica u hipotoničnoj otopini (tj. otopini koja ima viši vodni potencijal od stanice) tada u stanicu ulazi voda iz hipotonične otopine. Stanica povećava turgor i raste joj obujam. Ψotop > Ψst. ΨP>0 U izotoničnoj otopini turgor stanice je 0, vodni potencijal stanice i otopine su isti pa voda ne ulazi ni izlazi. Ψotop = Ψst. ΨP = 0 U hipertoničnoj otopini voda izlazi iz stanice u otopinu. Dolazi do plazmolize. Turgor je negativan. Ψotop < Ψst. ΨP < 0 Samo kada je stanica u plazmolizi, turgor je (-); osmotski potencijal i hidrostatski tlak izjednače se kada hidrostatski tlak kompenzira razliku osmotskog potencijala stanice i vodnog potencijala otopine Ψotop ili vode = Ψst. Postoji tzv. granična plazmoliza kod koje je 50% stanica plazmolizirano, a 50% nije. Vrijednosti koncentracija otopine kod granične plazmolize uvrstimo u Π = c R T i tako dobijemo osmotsku vrijednost u barima. Kod granične plazmolize turgor = 0, pa vrijedi da je osmotska vrijednost otopine jednaka osmotskoj vrijednosti stanice + ΨP otopine, a kako je ΨP = 0, dobijemo ΨP otopine = ΨP stanice

Ako stanica prima vodu turgor joj raste, ali istovremeno raste i osmotski potencijal od -12 do -8. Ako je Ψst = -8, a ΨΠ otopine = -10, tada je ΨP = 2 bara. Kada je stanica u plazmolizi, turgor je negativan. Kada je stanica u plazmolizi vrijedi da je: (-)Ψ = (-)ΨΠ + (-)ΨP = ΨΠ - ΨP vodni potencijal stanice = vodni potencijal kod aktualnog tlaka + turgor

Tada je Ψst > ΨΠot (ΨP = 0). Kada je ΨΠst = ΨP, onda je Ψst = 0 i stanica ne može više primati vodu – turgescentna je. Kada je turgor = 0, tada je Ψst = ΨΠ – granična plazmoliza. Stanica nije izolirana već je u sklopu tkiva pa protiv rastezanja stanice djeluje još i tlak napetih tkiva. Time se napetost sisanja još više smanjuje. (-)Ψw = (-)ΨΠ + (ΨP + ΨA) ili S = Π+ - (P + A) ΨA – tlak susjednica

12

Razlike u vodnom potencijalu određuje smjer strujanja vode u tkivu. U listove voda ulazi traheom, a odatle biva „odvučena“ osmotskim silama u stanice palisadnog parenhima pa isparava u intercelularne prostore i izlazi vani. Dvije stanice u jednom tkivu mogu imati različite osmotske potencijale, pa voda ide ka negativnom vodnom potencijalu. Turgor je važan kod biljaka za otvaranje i zatvaranje puči, za rast stanica, kod paprati za odmotavanje zamotanih listova, zeljastim biljkama turgor daje čvrstoću. U biljnim stanicama turgor ima vrijednosti 1 – 10 bara (0,1 – 1 MPa), a osmotski potencijali kreću se od -5 - -30 bara (-0,5 - -30Mpa). Npr. u maslačka stapke svoju čvrstoću temelje na napetosti među tkivima. Unutarnje stanice imaju veći turgor od vanjskih. Ako stapku razrežemo po dužini i stavimo je u vodu, unutarnje stanice brže primaju vodu (vanjske imaju kutikulu pa ne mogu brzo primati vodu). Otkinute stapke će se iskriviti. Kukuruz može preklopiti svoje listove za vrijeme vrućina i to na osnovu turgora – kad se turgor u mjehurastoj stanici smanji, list se preklopi. Stanice su prije toga izgubile vodu pod djelovanjem topline i turgor padne. Kod mimoze nalazimo zglobne jastučiće koji, kada podražimo njihove ekstenzorske stanice, izgube vodu i listovi se sklope prema gore. Liske se sklapaju na dodir, ali i noću (spavaju), te kada pada kiša. Kod perunike (Iris germanica) rizomi pod utjecajem turgora mogu probijati prepreke. Plodovi grožđa, trešnje i višnje sadrže mnogo šećera i kad pada kiša, sišu vodu i pucaju. Za sistem koji prima vodu i osmotskim putem i bubrenjem vrijedi formula: (-)Ψ = (-)ΨΠ + (-)ΨΤ + (+)ΨP Vodni potencijal jednak je zbroju osmotskog potencijala, turgora i matičnog potencijala bubrenja. Osmotski potencijal moguće je odrediti i krioskopskom metodom na temelju određivanja točke ledišta. 1M otopini snizuje se ledište za 1,86°C. Stanični sok se istisne iz tkiva i odredimo mu ledište. Znamo da je Π za molarnu otopinu 22,7bara. Tada izračunamo osmotski potencijal: ΨΠ = 22,7 očitana vrijednost ledišta 1,86 Je li neka otopina hipotonična, izotonična ili hipertonična u odnosu na stanicu saznajemo iz plazmolize. Ujedno plazmolizom vidimo da li je plazma više ili manje viskozna te propusnost tonoplasta u odnosu na neku tvar. Plazmoliza – proces u kojem se stanici pomoću hipertoničnog vanjskog medija oduzima voda. Pri tome se protoplast steže i odvaja se od stanične stjenke. Ako hipertonični medij zamijenimo hipotoničnim onda protoplast osmotski primi vodu, a plazmoliza teče u suprotnom smjeru – to je deplazmoliza.

13

Razlikujemo konkavnu i konveksnu plazmolizu. Ako pokožici luka dodamo 1M otopinu KNO3 protoplast će se na mjestima odvojiti od stanične stjenke dajući nekakav konkavni oblik – to je konkavna plazmoliza. Ostavimo li dalje tu pokožicu u otopini KNO3 protoplast će se sve više odvajati od stanične stjenke i njegova će površinska napetost nastojati zaokružiti protoplast. Tome se opire viskoznost plazme. Prevladava napetost površine i protoplast liči na konveksnu leću – to je konveksna plazmoliza. Kod Rheo discolor plazmoliza ostaje na razini konkavne, a to ukazuje na to da je plazma Rheo discolor viskoznija od plazme luka i da se oduprla površinskoj napetosti. Ako bi stanice luka stavili u 1M otopinu KSCN došlo bi do konveksne plazmolize, a konkavna se skoro pa preskoči. To je zato što KSCN pospješuje bubrenje (likvidnost), a smanjuje viskoznost. Uskoro dijelovi plazme nabubre – to je kapasta plazmoliza. Ako pokožica luka i dalje ostane u otopini KSCN, bubrenje se nastavlja pa plazma na kraju ispuni sav prostor stanične stjenke – to je tonoplastna plazmoliza. Vakuola je i dalje smanjena, s malo vode, a mi vidimo diferencijalnu propusnost plazmolize i tonoplasta prema KSCN-u. Naime, plazmolema je propustila KSCN u stanicu, ali ga tonoplast nije propustio u vakuolu – kažemo da je plazmalema intrabilna, a tonoplast intrameabilan. KSCN je ušao u plazmu (intrabilnost), ali ne i u vakuolu (intrameacija). KSCN je izazvao bubrenje jer je s njim ušla i voda. Raznim bojanjima možemo obojati vakuole i pratiti plazmolizu. Neutralno crvenilo rado disocira: u kiselom području se amino-skupina nabije kao NH3

+. Cijela molekula djeluje kao kation. U neutralnom mediju ostaje NH2; pri pH=7 većina molekula je nedisocirana, ali je ipak mali dio u obliku iona. Ako u epruvetu dodamo benzol i promućkamo te stavimo da odstoji, benzolski (gornji) sloj će biti žuto-narančasti zbog molekula boje, a vodeni (donji) sloj će viti crveni jer sadrži ione boje. Ako bi snizili pH na 6 ili 5,5 imali bi mnogo iona boje i kada bi s tim obojili stjenke pokožice luka, ioni boje bi se vezali na (-) nabijene stjenke luka. Stanična stjenka bi bila crveno obojena. Ako podignemo pH na 7,5 ili 8 možemo vratiti ulaženje boje u samu stanicu. Naime, kod tog pH je boja nedisocirana, tj. uglavnom su lipofilne molekule boje pri tom pH. Te se molekule mogu otapati u lipidnim dvoslojima plazmaleme i tonoplasta. Kada takvu pokožicu luka stavimo u otopinu lipofilne molekule boje ulaze unutra, prolaze plazmalemu i tonoplast te dolaze u vakuolu koja je kisela. Stoga sada u vakuoli nastaju ioni boje. U vakuoli sporije raste koncentracija boje u formi molekule nego što same molekule ulaze u stanicu. Na uspostavu ravnoteže utječu samo molekule i one teže uspostaviti ravnotežu. Kada se

14

ravnoteža među molekulama uspostavi, boja otopine će biti blijedo crvena, a vakuola će biti intenzivno crvena. PRIMANJE VODE U BILJNE ORGANE Talofiti koji nemaju nikakvu zaštitu protiv transpiracije mogu bubrenjem primiti vodu neposredno s vlažne podloge ili nakon vlaženja kišom. To rade alge, lišajevi i neke mahovine. Više biljke (paprati, sjemenjače) primaju vodu preko korjenovih dlačica jer su ostali dijelovi korijena i nadzemna stabljika prekriveni kutikulom ili plutom. Zato je primanje vode nadzemnim dijelovima, pa i nakon kiše i rose bez osobitog značenja. Stoga su korijenove dlačice jedina mjesta za primanje vode. Korijenove dlačice žive od nekoliko dana do nekoliko tjedana i metabolički su najaktivnija mjesta. Korijenove dlačice dovoljno su elastične da kapiliraju u kapilarne prostore tla gdje se nalaze vodene otopine tla. Vodu koja je oborinom dospjela u tlo djelomično zadržavaju gornji slojevi tla adsorptivno ili kapilarno (retencijska voda), a djelomično otiče kao gravitacijska voda do razine osnovne vode. Tlo ima sposobnost zadržavanja dijela vode, nazivamo je retencijski kapacitet tla za vodu (vodni kapacitet tla). Pjeskovita tla imaju mali retencijski kapacitet, a povećanjem koncentracije humusnih i koloidnih čestica u tlu raste i retencijski kapacitet. Tako vodni kapacitet tla raste od pijeska ka ilovači, pa glini (najveći kapacitet za zadržavanje vode ali je ta voda nepristupačna biljkama) i na kraju najveći vodni kapacitet ima treset. Buduću u tlu nalazimo različite otopljene čestice, postoji i osmotski potencijal tla. Naše tlo ima osmotski potencijal do 5bara, mađarska alkalna stepa ima do 30bara, a alžirska pustinja i do 1000bara. Primanje vode pomoću korijena moguće je samo onda kada postoji pad vodnog potencijala. Vodni potencijal u tlu određuje potencijalni tlak bubrenja (matični vodni potencijal) i osmotski tlak vode tla. Primanje vode korijenom: Wa = A Ψkorijena – Ψtla Σr Wa – količina vode A – površina korijenove dlačice ili hife gljiva Σr – sume otpora za vodu u tlu i pri prijelazu iz tla u biljku Ψ – vodni potencijal Razlikujemo 3 tipa transporta:

1. Transport na kratke udaljenosti Od stanice do stanice; vrši se plazmodezmijama 2. Transport na srednje udaljenosti Kroz tkiva. Voda bubrenjem ulazi u stanične stjenke korjenovih dlačica u smjeru pada vodnog potencijala. Ukoliko na svom putu voda naiđe na tzv. Kasparijevu prugu, prijeđe ju i ide u pericikl – to je simplastni transport Apoplast korijena vuče vodu samo do te brane i ne može je prijeći već ulazi u stanice propusnice i prolazi kroz njih. Kasparijeva pruga građena je masnih lipofilnih tvari i tako je postavljena da voda noću, kada nema transpiracije, ne istječe vani. Stanice propusnice nemaju Kasparijevu prugu jer se u njihovoj

15

blizini nalazi trahea koja sprječava razvoj Kasparijeve pruge u stanici propusnici. Dakle, ako voda naiđe na Kasparijevu prugu transport je simplastom, a ako ne onda je apoplastom. Apoplastni transport je pasivan način vučenja vode, njega vuče transpiracija. Simplastni transport teče kroz protoplaste stanica, a apoplastni kroz stanične stjenke. Minch je dao definiciju: simplastom se mogu smatrati svi protoplasti tkiva koji su međusobno povezani plazmodezmijama, simplastni transport je aktivan, a voda je često vučena osmotskim silama. Endoderma aktivno izlučuje osmotike, a s njima i vodu u centralni cilindar i tako predstavlja izvor korijenovog tlaka. Centralni cilindar je aktivan jer tu voda biva vučena osmotskim silama. Postoji tzv. endodermski skok – stalno se aktivno istiskuju osmotici i voda pa u stanicama endoderma stalno imamo neku nisku vrijednost tlaka. Dakle, voda u korijenove dlačice ulazi bubrenjem (u stanične stjenke) u smjeru pada vodnog potencijala. Apoplastom biva vučena transpiracijom, a simplastom osmotski. Korijenov tlak je pozitivan tlak koji tjera vodu u centralni cilindar. Vrijednosti su mu 1 – 2 bara, a može se ustvrditi tako da odrežemo stabljiku na 5 – 6cm visine i stavimo otkinutu biljku u teglu sa vodom. Pomoću gumice na stabljiku natalimo kapilaru. Voda u kapilari će se dizati i to je znak korijenovog tlaka. Ovaj je tlak važan u proljeće, prije prolistavanja i procvjetavanja kada još nema nikakve druge sile koja bi tjerala vodu s

16

organskim i mineralnim tvarima kroz ksilemske elemente do lisnih i cvjetnih pupova. Korijenov tlak je tada jedina pokretačka sila za listove i pupove. U proljeće enzimi razgrađuju polimere šećera te proteine (koji su zimi pohranjeni). Time vodni potencijal postaje negativan, dolazi do osmotskog sisanja vode, a korijenov tlak uvlači tu hranjivu otopinu kroz stabljiku sve do pupova. Ako u to doba (prije prolistavanja) odrežemo stablo, na površini podrezane biljke (tj. stabljike) svjetlucat će kapljice tekućine. Da smo biljku odrezali nakon prolistavanja svjetlucanja ne bi bilo. 3. Transport na velike udaljenosti Kroz stabljiku transport vode na veće udaljenosti vrši se elementima ksilema. Stanice koje provode vodu u funkcionalno osposobljenom stanju su mrtve tj. bez plazme (jer bi ona pravila otpor ulasku vode). Kao pogonska sila javlja se transpiracija. Tlak od 1bara diže stupac u kapilari promjera 1mm na 10m visine. Za visinu od 100m tlak mora biti 100bara, a znamo da koliki tlak korijen nema. Puisseuille i Sure pokušali su shvatiti prolaz vode i utvrdili su da za brzinu od 4,5m/sat kod 30-metarskog stabla sa žilama promjera 1mm treba gradijent tlaka od 0,1bar/m. Za žile promjera 0,5mm treba tlak od 0,5bar, a za žile promjera 0,3mm za visinu od 1m treba tlak od ?bara. Vidimo da je tlak veći što je promjer manji. Razlog tome je adhezija vode. Molekule vode adheziraju na stjenke žile i na nekoj visini se stupac zaustavi i da bi tekućina dalje krenula potreban je veliki tlak. Što je žila uža potrebna je veća sila da bi se tekućina digla jer što je žila uža to su čestice vode jače adhezirane. Dakle, zbog negativnog tlaka koji se javlja u ksilemu (o,1 – 0,2bar/m) sve biljke trebaju velike tlakove kako bi se tekućina mogla podizati na veće visine. Spomenimo i to da tada ne dolazi do zračne embolije, tj. izlučivanja mjehurića zraka. F = k p r4 F – fluks k – konstanta obrnuto proporcionalna duljini i viskoznosti p – tlak potreban da se tekućina kreće r – radijus provodnog elementa Cikloporno drveće (tvrdo drvo) ima prstenasto raspoređene žile u godovima. One su dosta široke (0,3mm). To su hrast, badem, kesten, brijest. Ove biljke provode vodu sa zadnja 1 – 2 goda ksilema i zato hrast mora brzo provoditi vodu (v = 45m/h). Kod lijana ova brzina iznosi i do 100m/h. Crnogorice sporo provode vodu jer imaju samo traheide. Brzina toka vode u ksilemu ovisi o broju traheja i traheida te o različitim silama koje omogućavaju provodnju (gravitacija, filtracija, trenje zbog adhezije vode na žile, velika napetost kod provođenja vode kod transpiracije uzrokovana kohezijom vode i adhezijom vodenom stupca na stjenku žile. Negativni tlakovi pri transpiraciji vode su do -30bara u provodnim elementima.

17

TRANSPIRACIJA To je vučna sila koja vuče vodu kroz biljku. To je proces kojim biljka izlučuje vodu prema vani u obliku vodene pare. Voda se može izlučivati i u tekućem obliku, ali to zovemo gutacija. Do isparavanja vode dolazi na svim površinama koje graniče prema zraku koji nije zasićen vodenom parom. Postotak vlage u zraku iznosi 0,02% - 0,4% (prosjek 0,2%) ili izraženo u jedinici tlaka 2milibara. Pogonska sila transpiracije je velika napetost sisanja zraka. U tlu vlada visoki vodni potencijal (mala napetost sisanja), a u zraku je niski vodni potencijal (velika napetost sisanja). Biljka se koristi tim padom potencijala da bi bez utroška vlastite energije transportirala vodu iz tla kroz tijelo do atmosfere. To je tzv. transpiracijska struja. Budući da biljka jako vuče vodu, a korijen ne stigne osigurati toliko vode, dolazi do negativnog tlaka (-30bara). Da se provodni elementi (traheje) ne bi suzili, moraju biti zadebljale (prstenasto zadebljanje – protoksilem; spiralno ili jažičasto zadebljanje – metaksilem). Kontinuitet stupca vode mora postojati od staničnih stjenki korijenovih dlačica sve do lista. U listovima voda isparava (zato pretvorbom 1g vode treba puno energije), a kohezija na njihovo mjesto vuče nove molekule vode. Oko podne se zbog kohezije stabla stanjuju.

Razlikujemo:

1. stomatalnu transpiraciju 2. kutikularnu respiraciju 3. lenticelnu transpiraciju

Kad odrežemo grančicu (njen sok je pod negativnim tlakom) meniskus vode povlači se prema korijenu i u stablo (tj. gore ili dolje). Scholander je želio izmjeriti tlakove u stabljikama i grančicama. Izrezao je grančicu, stavio je u bombu sa N2 kojeg je puštao toliko dugo dok voda nije došla do visine na kojoj je bila prije odrezivanja. Kako je na bombi bio manometar, Scholander je očitao koliki je bio taj negativni tlak. Jačina transpiracije znači slabiju opskrbu vodom što dovodi do sužavanja ili smanjenja meniskusa. Tada je tlak 0,3bara. Sisanje vode kod biljke je tako veliko da ona mora zatvarati puči tako da voda ne bi isparavala. Stoga su puči najvažniji organi (otvori) kroz koje voda isparava.

1. Primanje vode iz tla – U tlu se (-) vodni potencijal prenosi do korijenovih dlačica (one povećavaju površinu adsorpcije). Prolaz kroz endodermu može biti osmotski

2. Kohezija u ksilemu – Vodeni stupac je pod napetošću držan zajedno kohezijom. Ukoliko dođe do izlučivanja mjehurića, vodeni stupac ne ulazi u susjedni element (zapreke cijevi su ti mjehurići)

3. Vučna sila transpiracije – Vučna sila iz tla i iz biljke je nizak vodni potencijal zraka (suhi zrak). Stvara se niži vodni potencijal u staničnim stjenkama i protoplastima. Energija dolazi od sunca.

18

Puči ili stome Za epiderme nadzemnih zelenih dijelova viših biljaka koje okružuje zrak vrlo su važni parovi bubrežastih stanica između kojih je otvor (pukotina ili porus). Zovemo ih stanice zapornice, a zajedno sa otvorom puči ili stome. One služe izmjeni plinova te izlučivanju vodene pare. Puči zajedno sa stanicama susjedicama čine stomatalni aparat. U epidermi latica puči se javljaju u vrlo malom broju, a na korijenu ih uopće nema. Areal otvorenih puči čini 0,5% - 1,5% površine lista. Stjenke stanica zapornica nejednako su zadebljale i leđna i srdnji dio trbušne strane stjenke su tanki, a bočni dijelovi su zadebljali. Stanice zapornice aktivnim promjenama turgora mijenjaju svoj oblik čime se otvor (porus) otvara ili zatvara. Puči imaju homeostatski (ravnotežni) mehanizam između konfliktnih zahtjeva biljke: s jedne strane žele imati što otvorenije puči da prime CO2, a s druge strane što zatvorenije da ne izgube puno vode transpiracijom. Puči će najčešće biti tako dugo otvorene dok je sunčeva svjetlost iznad tzv. kompenzacijske točke svjetlosti. To je onaj intenzitet sunčevog svjetla kod kojeg se sav izlučeni CO2 oslobođen disanjem i fotorespiracijom odmah fotosintezom veže u organske spojeve (ugljikohidrate). Kada sunčeva svjetlost padne ispod te razine, puči se zatvore. Puči se otvaraju kada turgor u zapornicama raste u odnosu na stanice susjednice, a zatvaraju kada turgor zapornica opada u odnosu na turgor susjednica. Razlikujemo fotonastijska i hidronastijska gibanja puči. Neposredan uzrok gibanja puči je razlika u turgoru u stanicama zapornicama i stanicama susjednicama.

1. Fotonastijsko gibanje puči Fotonastija je gibanje ovisno o svjetlu, ali samo gibanje nije ovisno o smjeru dolaska svjetlosti. Svjetlost na otvaranje puči utječe na tri načina:

a) svjetlost smanjuje koncentraciju CO2 u listovima. Niska koncentracija CO2 jedan je od uvjeta za otvaranje puči. One su obično maksimalno otvorene ako je parcijalni tlak CO2 = 0,1mbar

b) fotosintetski se stvaraju organski spojevi koji čine vodni i osmotski tlak zapornica negativnijim. To znači da se pojačava sila sisanja vode u zapornice u kojima turgor raste i one se otvaraju

19

c) svjetlost fotosintezom stvara ATP (fosforilacija) koji je potreban za transport p+ i K+. Apsorpcijski spektar fotosinteze i otvaranja puči identični su

Mehanizam otvaranja puči Ujutro se škrob razgrađuje α- i β-amilazom u oksidativnom pentoza-fosfatnom ciklusu (OPPC), s tim da se dotični škrob sintetizirao dan prije u kloroplastima zapornica. Razgradnjom škroba nastaje fosfogliceraldehid (PGA) koji ide u dihidroksiaceton-fosfat i on izlazi iz kloroplasta. DIhidroksiaceton-fosfat se lako pretvara u PGA, odnosno oni mogu prelaziti jedan u drugoga. Kada je nastao, PGA se pretvara u fosfo-enol-piruvat (PEP) koji pomoću enzima PEP-karboksilaze veže CO2 iz HCO3

- i tako nastane oksaloacetat (OAA) i oslobađa se H+ ion. OAA se reducira pod djelovanjem malat-dehidrogenaze (ima koenzime NADH i H+) i nastane malat. Malat putuje u vakuolu čime se broj čestica u vakuoli povećava, a tako osmotski potencijal biva sve negativniji – sila sisanja za vodu se povećava. Nadalje, H+ nastao kada je PEP vezao CO2 odlazi u susjednice čime pH raste, a unutrašnjost postaje sve negativnija. Iz susjednica (one su veće od zapornica) u zapornice ulazi K+ (ide u vakuolu) i to često sa svojim anionskim partnerom (to je važno jer bi inače K+ zalužio stanicu pa ga prati Cl- da to ublaži). Kod zatvorenih puči pH=5, a kod otvorenih pH=6 – 7,4. Tamo gdje nema aniona Cl-, malat će neutralizirati K+ u vakuoli.

20

Prilikom otvaranja puči mijenja se njihova visina. Znamo da su stjenke puči različito zadebljane – na trbušnoj strani stjenke svake zapornice ističu se dvije zadebljale letvice izbočene prema otvoru, a srednji dio trbušne stjenke i čitava leđna strana stjenke su tanke. Pri povećanju turgora pomiče se elastična leđna stjenka natrag prema susjednici i pri tome povlači manje elastičnu trbušnu stjenku sa sobom i otvor se rastvori (praktički se zapornice suze ako gledamo poprečni presjek; puč se digne u visinu ako gledamo uzdužno)

Važna je micelacija – kod zapornica su miceli i fibrili poredani radijalno, a kod susjednica uzdužno. Micelacija je okomita da bi se zapornica mogla oduprijeti na susjednicu tako da se ne bi previše širila. Japanac Fujino skinuo je epiderme (u njima su puči) s biljke i stavio ih u dvije otopine: jednu sa ATP-om i drugu bez ATP-a. Osvijetlio ih je i nakon nekog vremena je vidio da su u prvoj otopini puči otvorenije – to je ukazalo na to da je otvaranje puči aktivni proces koji troši ATP. Mehanizam zatvaranja puči Osmotski aktivne tvari moraju napustiti vakuolu, turgor mora pasti, K+ zajedno sa Cl- odlazi u susjednice, a malat izlazi iz vakuole vani – pred njim stoji nekoliko puteva:

• malat se može pomoću NAD-malatnog enzima oksidativno dekarboksilirati (izgubi H+ i CO2) i prijeći u piruvat (piruvat ulazi u mitohondrije gdje biva uključen u dišne procese)

• malat može sam direktno ući u mitohondrije • malat se može pretvoriti u PEP koji dalje ide u PGA koji ulazi u

kloroplaste gdje glukoneogenezom nastaje škrob • malat može izaći u susjednicu

21

Escomb i Brown su 1900. izrekli svoj zakon dijametra. Oni su utvrdili da je difuzija kroz jednu puč proporcionalnija dijametru (radijusu) nego površini presjeka pore. Ovaj zakon vrijedi ako su puči „plitke“ i okrugle Q = Δ Δe 2r Primjer: ako imamo veliku puč A sastavljenu iz 4 manje puči (B, C, D, E) – A neće imati 4 puta veću transpiraciju u odnosu na ostale (iako bi to očekivali jer A ima 4 puta veću površinu). A će imati samo 2 puta veću transpiraciju i to zbog zakona Q = Δ Δe 2r. Dakle, transpiracija kod A je proporcionalnija radijusu nego površini. Rubni efekt Kod potpuno otvorenih puči stanica gubi 50 – 70% vodene pare u odnosu na vodu iste površine. Ako znamo da puči čine 1% površine lista, onda je to fenomenalno puno. Broj puči po 1mm2 varira do nekoliko stotina. A da puno vode transpirira kroz malu površinu pripisuje se tzv. rubnom efektu. Naime, vodena para izlazi iz puči kao da tvori lepezu. One molekule vodene pare koje izlaze na rubu imaju slobodno difuzijsko područje i na stranu, dok one koje difundiraju iz sredine ometaju sa svih strana susjedne molekule. Veliki broj puči ne znači veliku transpiraciju. Naime, preguste puči smetaju jedna drugoj. Dobije se fenomen zajedničke površine koji ne povećava transpiraciju. Kod izlaska vodene pare stvori se tanki sloj uz površinu lista koji je zasićen vodenom parom (granični sloj) i predstavlja otpor (Ra). Primijećeno je da do određene veličine otvora puči difuzija ovisi o otvoru puči. Nakon neke vrijednosti (10 µm) difuzija ne ovisi o otvoru puči. Ako je zrak miran povećanjem otvora puči lagano raste transpiracija. Vjetar odstranjuje granični sloj vodene pare i transpiracija je onda puno veća. Tr = Δc / Ra + Rs Ra – otpor zbog stvaranja sloja Rs – otpor puči Prije se mislilo da za difuziju kroz puči vrijedi Q = Δ Δc r2π / L – 1. Fickov zakon difuzije Ali on ovdje ne vrijedi jer treba put vodenih para korigirati recipročnom vrijednošću radijusa za ½. Izraz za difuziju kroz jednu puč: Q = Δ Δc r2π / L + r½ Otvorenost puči pojedinih tipova biljaka Općenito vrijedi: puči se ujutro otvaraju, a predvečer zatvaraju. No, neke biljke ujutro otvore, a popodne pritvore puči, zatim ih opet otvore, a navečer zatvore. Tako je za suhih dana. Za vlažnih dana puči se dijelom otvore kod tih biljaka

22

(crnogorice). Biljke suhih staništa ujutro otvore puči, a popodne ih zatvore (kukuruz). Sukulentne pustinjske biljke ujutro zatvore puči, a predvečer ih otvore i otvorene su cijelu noć. Malat ističe iz vakuola i on im služi kao izvor CO2 za fotosintezu. Lenticelna transpiracija Otvaranjem plutnog plašta bez intercelulara bila bi izmjena plinova između atmosfere i unutrašnjosti organa onemogućena. Stoga postoji u plutu nadomjestak za epidermske puči – to su lenticele ili plutene bradavice. Koje se na plutnim slojevima grana vide prostim okom. Dakle, lenticele su otvori na oplutnjelim (odrvenjelim) dijelovima biljke, a tu su se pojavili još dok je taj dio bio zeljast. Biljke se zaštićuju plutom da bi spriječile gubitak vode. Stanice kambija intenzivno se dijele za što trebaju puno O2 kojeg trebaju dobiti preko lenticela. Kambij ne može kisik dobiti vodom jer je kisik slabo topiv u vodi. Transpiracija preko lenticela nije fiziološki regulirana. Količina izgubljene vode putem lenticelarne transpiracije nije osobito značajna izuzev kod nekih mladih drvenastih biljaka. Kambij je dio perifernog meristemskog sloja koji diobenom aktivnošću tvori zatvoreni valjkasti sloj – pluto.

2. Hidronastijsko gibanje puči Puči se mogu zatvoriti i na svjetlosti ako se vodni potencijal sustava spusti ispod određene vrijednosti praga (-7 - -18bara). To se može dogoditi i tako da uz stalno jednaki turgor zapornica raste turgor stanica susjednica. Do toga dolazi ako npr. biljci kojoj je nedostajala voda padne kiša. Naime, epidermske stanice brže primaju vodu od zapornica jer imaju tanje stjenke. Obrnuto, ako odrežemo list dolazi do gubitka turgora najprije u stanici epiderme, a potom u zapornicama – puči se otvore. To je tzv. Ivanovljev efekt. Kako je on to dokazao? Odrezao je grančicu jorgovana i primijetio je da su se puči otvorile, a očekivao je zatvaranje. Kako susjednice imaju tanje stjenke one brže gube vodu i turgor ima pada – puči se otvore. Gibanja puči pri kojima se sadržaj otopljenih tvari u zapornicama ne promijeni zovemo hidropasivna gibanja. Puči se zatvore kada biljka izgubi previše vode (vodni potencijal -11 - -18bara) i ostaju zatvorene sve dok se ne uspostavi normalni vodni potencijal. Fotosinteza ne teče. Ako se vodni potencijal samo malo snizi, biljka stvara apscizinsku kiselinu (fitohormon) koja koči transport p+ i K+ i dovodi do pritvaranja puči. Fotosinteza se može vršiti, ali smanjeno ,voda ne izlazi iz biljke. To je hidroaktivno gibanje puči (hidroaktivna kontrola). Ovaj mehanizam pokreće se za 7 minuta. Kao dokaz da transpiracija može dizati vodu na visinu služi Askenazijev pokus – uzeo je stakleni lijevak i na njega zatalio kapilaru. Sve je uronio u živu, na dno lijevka stavio je vodu, a sam je lijevak ispunio gipsom (žitkom masom pomiješanom sa vodom). Kapilaru je prethodno ispunio vodom. Primijetio je da je voda iz mase gipsa isparavala i počela vući živu u kapilaru (do visine 760mm). Ovo je bio fizički pokus.

23

Potom je uzeo grančicu tise i natalio ju na kapilaru (r = 1mm). Sve je zabrtvio čepom. Voda je bila prokuhana da bi se istjerali plinovi (da se spriječi embolija). I u ovom slučaju se živa digla do visine 760mm – time je dokazano da je i ovo fizički pokus koji ne troši previše energije.

Da se voda transportirala kroz drveni dio biljke dokazao je Hales – uzeo je 3 grančice jorgovana; jednu je stavio u posudu s vodom i njeni su listovi ostali turgescentni nekoliko dana; drugoj je izrezao koru i omogućio da drveni elementi (ksilem iz drva) uđe u vodu pa su i ti listovi ostali turgescentni par dana; kod treće je grančice izrezao drveni dio (ksilem) i ta je grančica odmah uvenula. Drveni dio (ksilem) se sastoji od užih ili širih odrvenjelih elemenata koji provode vodu. Kod kritosjemenjača to su traheje i traheide, a u paprati i golosjemenjača samo traheide. Sitasti dio žile (floem) čine sitaste cijevi sa stanicama pratilicama (njima prolaze asimilati).

Gutacija To je pojava izlučivanja vode u obliku kapljica. Pojavljuje se u vrijeme visoke relativne vlage u zraku (kod nas npr. noću, u tropskim šumama). Može se vidjeti kod trava, filodendrona. Do gutacije dolazi kada su puči zatvorene, kada je transpiracija niska, a postoji potreba da se održi struja vode u biljci. Kapljice izlaze na rubovima listova kroz hidatode (vodenice). Mogu biti:

a) pasivne – pogonska sila za izlučivanje vode tj. gutaciju je tlak korijena (npr. kod trava). „Pasivnu vodu“ do lista dovode traheide. Uokolo traheida u listu je rahlo tkivo (epitem) hidatoda. Na hidatodi se stvara kap tekućine koju mi vidimo.

b) aktivne – većina epitemskih hidatoda su aktivne (npr. kod Saxifraga, Phaseohusa, Tropaeoluma) i ove žlijezde rade neovisno o tlaku korijena. Mehanizam izlučivanja nije potpuno objašnjen. Smatra se da je plazmalema ovih žljezdanih stanica više propusna na nekim mjestima i da radi po principu tlačne filtracije. Korohasia nimpheifolia može kroz list izlučiti i do 100ml gutacijske tekućine. Trihonske hidatode – žljezdaste dlake

Dakle, gutacijska tekućina nije čista voda nego sadrži otopljene organske i anorganske tvari. Aerenhim – tkivo za prozračivanje Tkiva za prozračivanje opremljena su velikim intercelularnim prostorima koja služe mnogim močvarnim i vodenim biljkama za uspješnu izmjenu plinova. Njihov sistem intercelulara povezan je s vanjskim zrakom pomoću puči na listovima i izdancima koji plivaju na vodi ili iz nje strše. Lopoč u peteljci ima kanale za zrak. Zrak iz listova transportira se do rizoma, a onda kroz peteljke starih listova stari zrak s otpadnim produktima (npr. CH4) izlazi van. Zrak se prilikom transporta do rizoma utiskuje kroz puči mladih listova (u peteljkama) te kroz lakune sve do rizoma. Kažemo da su ove biljke rezistentne na anaerobne uvjete.

24

Kukuruz nije prilagođen životu u anaerobnim uvjetima. On će u vodi pokušati stvarati zračne kanale, ali uspije napraviti samo 5cm debljine. Zrak bježi iz tih kanala jer zidovi nisu lignizirani. Kukuruz ugiba zbog nestašice O2 u tlu. Naime, u anaerobnim uvjetima se glikolizom dobije samo 2 ATP-a (aerobnim disanjem se dobije 36 ATP-a). Kako je pH vakuole 5, a pH plazme 7,5 – 8 protoni bježe u plazmu. U normalnim uvjetima ti se protoni vraćaju natrag uz utrošak ATP-a. Ali sada ATP nedostaje pa protoni ostaju u plazmi i remete sve metaboličke procese. Piruvat nastao u glikolizi ide u proces vrenja pa nastaje alkohol koji je štetan za stanicu jer razara lipoproteinske membrane staničnih organela u kojima nalazimo iste metabolite, ali u raznim koncentracijama. Kada među staničnim organelima (kompartimentima) porušimo membrane, metaboliti se miješaju i to je pogubno za metabolizam (dogodi se produktivna inhibicija – produkt nastao enzimatskom reakcijom inhibira daljnje reakcije). Zato kukuruz u vodi uvene. Grašak i bob isto uginu u anaerobnim uvjetima, dok neke biljke (Senecio aquaticus, Mentha aquatica) prežive. OTOPINE PLINOVA KOD BILJAKA Otopine plinova u vodi su biološki važne. Sve izmjene plinova zahtijevaju da plin bude otopljen u staničnoj otopini prije nego stigne do reakcijskog mjesta. Kroz intercelulare tvari idu u obliku plinova koji se, kada dođe do stanične stjenke, moraju otopiti. Difundirani u otopini dolaze do organela (to su reakcijska mjesta). Kad se plin oslobađa kao produkt reakcije, ulazi u otopinu prije nego što kao plin izađe iz stanice. Plin se kao plin može izlučiti već na staničnoj stjenci i dalje difundira kroz intercelulare vani. Biološki važni plinovi su ili slabo topivi u vodi (O2, N2, H2) ili su jako dobro topljivi u vodi (CO2, NH3, SO2). Kisik je topiv 0,001%, a u 1L ima ga 10mg; CO2 je 100 puta bolje topiv kao i NH3; njihova je topivost 0,1%. Topivost plinova proporcionalna je parcijalnom tlaku plina iznad vode, temperaturi ali i kiselosti/bazičnosti vode. Najvažnija činjenica za vodene i submerzne (nemaju kutikulu ili im je ista jako propusna) organizme je da za dišne procese mogu koristiti samo otopljeni kisik. CO2 može u vodi egzistirati kao H2CO3 koji disocira na H+ i HCO3

-, ali može egzistirati i kao Na2CO3. Svaki oblik postoji u otopini kao zasebni, a ravnoteža među njima određena je kiselošću. Zbog velike topivosti CO2 brzo difundira kroz vodu i kroz polukruti agar. TLO Tlo nastaje postepeno kao rezultata otapanja stijena pod utjecajem kiša, leda, sunca, naglih promjena temperature, ali i djelovanja litofitskih biljaka. U tlu nalazimo različite organizme (hife gljiva, alge, bakterije, protozoe, insekte), organske tvari nastale od lignina, celuloze, bjelančevina, ali i mineralne tvari. Biljke izlučuju razne kiseline koje doprinose sastavu tla. Čvrstu fazu tla čine minerali koji izgrađuju stijene: silikati, glina, vapnenac i produkti organskih materijala (humus). Šupljine između tih čestica djelomično su ispunjene vodenom otopinom i djelomično plinom koji je drugačijeg sastava od

25

atmosferskog zraka. Za rast biljaka optimalno je ako je polovica tih šupljina ispunjena plinom, a druga polovica zrakom. U anoksičnim tlima, u anaerobnim uvjetima dolazi do alkoholnog vrenja – izlučuje se alkohol koji razgrađuje glikoproteinske membrane. Npr. rajčica u anoksičnom tlu (ili poplavljenom) – povećava se etilen, listovi vise (epinastijski položaj listova), smanjuje se stomatalna difuzija, otpadaju korjenčići, akumulira se amino-ciklopropan-karboksilna kiselina. Mineralne čestice mogu biti različitih veličina: 0,2 – 2mm je grubi pijesak; 0,02 – 0,2mm je fini pijesak; 0,002 – 0,02mm je mulj; 0,002mm i manje je glina. Na humusnim česticama i anorganskim koloidima vrši se apsorpcija pojedinih iona. Tlo lako veže (tj. (-)nabijene čestice tla) lako veže katione, a od aniona se PO4

3- jače veže od NO3-.

Samo 0,2% tla se otapa u vodenoj otopini tla; oko 2% tla su apsorptivno vezane koloidne čestice, a 98% tla su teško topivi karbonati, fosfati... Korjenova dlačica daje H+ i HCO3

-. Dolazi do izmjene: K+ i H+ se zamijene; HCO3-

i NO3- se zamijene. To je tzv. kontaktna izmjena.

Biljka iz npr. NH4Cl može uzeti NH4

+, a Cl- sa H+ može dati HCl i tako zakiseliti tlo. Tako je NH4Cl fiziološki kisela sol, a postoje i fiziološki bazične soli kao što je KNO3

- (OH- za NO3-).

Elementi koji su biljci potrebni u velikoj količini su makroelementi. Makroelementi: C,O2, N2, S, P, K, Ca, Mg, H2, Fe Mikroelementi: Mn, B, Zn, Cu, Mo, Cl2 Elementi u tragovima: Na+ (za hidrolizu hidrofilnih biljaka), Si (za trave), Co (za biljke koje žive simbiotski sa bakterijama), Se. Biljke primaju mineralne tvari u ionskom obliku, a topivost tih tvari je različita. Topivost iona u tlu i primanje Fe2+ N2, PO4

3-, K i Ca su topivi pri pH=6 – 6,5 Mg i S su topivi pri pH=7 Fe, Mn, B i Zn (i teški metali) su topivi u kiselom mediju Mo je topiv u neutralnom i bazičnom mediju Ako se javi nedostatak Fe, biljke ispuštaju kiselinu i poboljšavaju ulazak Fe i drugih kationa. Žuta boja korijena znači nedostatak Fe. Fe3+ je stabilan oblik željeza, ali je netopiv pa ga biljke elektronima korijenovih dlačica izreduciraju u Fe2+. Biljka mora željezo vezati kao Fe2+, a da ne bi

26

oksidiralo u Fe3+ biljka od Fe2+ stvori helat sa citronskom kiselinom. Taj se helat transportira kroz ksilem do listova. Dobri nosači željeza u tlu mogu biti fenoli (proizvode ih bakterije). Oni imaju dvije OH- skupine. Nazivamo ih siderofori. Postoje i peptidi koje proizvode gljive (hidroksimati) – oni stvaraju čvrste komplekse sa Fe3+ koji se transportiraju u mikrofibrilne stanice u kojima se Fe3+ izreducira u Fe2+, a Fe2+ se ispusti u tlo. Piruvati mogu otpustiti e- i izreducirati Fe3+, kao nosač željeza može služiti i EDTA.

Nosači: -sidevofori (bakterije) (fenoli) -hidroksimati (gljive) (peptidi) -EDTA

Raspon pH u kojem biljke žive je 3 – 9. Malo se zna o tome zašto neke biljke vole kisela tla, a druge ne. Jedan od razloga je kompeticija. Eksperimenti sa hidrofoničnim tehnikama (kada se biljke uzgajaju na različitim vodenim medijima) su u studiranju rasta nekih vrsta kod različitih pH pokazali da biljke rastu dobro u širokim rasponima pH vrijednosti. U prirodi male prednosti jedne vrste nad drugom dovode do eliminacije slabije prilagođene vrste. Faktori tla blisko povezani sa pH vjerojatno su važniji od koncentracije H3O+, npr. višak padalina dovodi do ispiranja Ca2+ i stvaranja kiselih tala. Obzirom na tlo, razlikujemo tri tipa biljaka:

1. Vapnenačke biljke Vole vapnenačka ili karbonatna tla u kojima je visoka koncentracija Ca2+ i HCO3

- i relativno je visok pH; tlo je vodopropusno, suho i toplo. Ovim biljkama teško su pristupačni fosfati i teški metali jer je pH visok. Smeta im prevelika ponuda metala pa ako ih stavimo na kiselo tlo uginu. Neke vapnenačke biljke: Antericum ranulosum – gospina papučica, Anemone regulosa - šumarica 2. Acidofilne biljke Vole kisela tla (pH=5). One neutraliziraju veliku ponudu iona teških metala stvaranjem kompleksa. Ovdje ubrajamo jestivi kesten, vrijes, borovnicu, kiselicu... 3. Biljke slanih staništa (halofilne biljke) Žive na staništima bogatim različitim solima. Koncentrirane otopljene soli ubijaju biljku, ako nije prilagođena, plazmolizirajući njihove stanice. Većina slatkovodnih biljaka plazmolizira u morskoj vodi koja ima osmotski potencijal -30bara. NaCl izaziva plazmolizu i denaturira enzime. Halofiti su se prilagodili velikoj koncentraciji soli na različite načine a) akumulacijom iona – (npr. Na+ i Cl-) kompenziraju visoke napetosti sisanja

tla. Atriplex npr. akumulira soli i osmotski potencijal mu je -200bara. Zahvaljujući tom negativnom potencijalu Atriplex crpi vodu i osmotike iz tla

b) halofiti često izlučuju soli pomoću žlijezda ili odbacivanjem biljnih dijelova (npr. mjehuraste dlake kod roda Atriplex). Tamaris izlučuje toliko puno soli da se otopina soli slijeva po biljci

c) neki halofiti skupljaju u staničnom soku velike količine vode – solna sukulencija (npr. Salicorna)

27

Povišene koncentracije soli djeluju nespecifično (osmotski) i specifično obzirom na vrstu iona. Npr. Salicorna herbacea sadrži 10% NaCl i Na2SO4 u odnosu na sadržaj vode, a listovi Nitrariae sadrže 75% soli u tkivima u odnosu na suhu tvar. Suadea glauha i maritima bolje uspijevaju na sulfatnoj slanoći, a Suaeda herbacea na kloridnoj. Ponekad biljke stvaraju organske spojeve reda betaina te poliamine, glicerol i prolin koji ne smetaju biljci, a služe za izbjegavanje osmotskih šokova. Pamuku odgovara kloridna slanost – tada mu se izduži palisadni parenhim, spužvasti parenhim i broj puči se smanji – cijeli list se smanji i zadeblja. Slanoću dobro toleriraju: pamuk, maslina, palme, duhan, ječam, repa, špinat, crveni luk, rotkvica, mimoza, datulja, bagrem... Na sol su osjetljivi: divlji kesten, lipa, pšenica, krumpir, limun, mnoge mahunarke, koštunjavao voće... Kod nekih biljaka slanoća utječe na spol – na slanijim tlima se pojave muški cvjetovi.

Često u tlu može velika ponuda Al biti toksična – on taloži PO43-. Neke biljke

(azaleje) vole tla bogata aluminijem. Donnanova ravnoteža To je fenomen nagomilavanja iona. Sistem ove ravnoteže može biti odgovoran za primanje iona prividno protivno koncentracijskom gradijentu. Po Donnanovoj teoriji, ako propusna membrana odvaja otopinu od difuzibilnih iona, oni će difundirati kroz tu membranu u otopinu. Uvijek kada difundira kation uvijek isto čini i anion. Uzmimo za primjer stanice sa 6 K+. Na jednoj strani membrane u stanici nalaze se nedifuzibilni ioni (proteini sa disociranim –COOH skupinama). Ako stanicu stavimo u otopinu sa 6 K+ i 6 Cl- iona, ioni će difundirati i rezultat će biti 4 K+ i 4 Cl- iona u otopini i 8 K+ i 2 Cl- iona u stanici. Naime, disocirane –COOH skupine odbijale su Cl-. Važno je da je umnožak kationa i aniona u otopini jednak njihovom umnošku u stanici.

Slično je i u apoplastu: tu su u staničnim stjenkama fiksirani anioni (proteini sa –COO-, fosfatidi sa vanjske strane plazmaleme). Novopridošli kationi iz vanjske otopine redovito ne pomiču Donnanovom ravnotežu nego samo istisnu adsorbirane katione, tj. dolazi do izmjenjivačke adsorpcije, npr. korijen koji se nalazio u otopini Ca2+ izgubi Ca2+ kada ga se stavi u otopinu sa K+. Dakle, korijen se ponaša kao ionski izmjenjivač. Kada biljka prima npr. Ca(NO3)2, onda se obično NO3

- izreducira i ugradi u aminokiselinu, a Ca2+ taloži u vakuoli kao CaC2O4.

28

Pad koncentracije tvari (koncentracijski gradijent) općenito se postiže na tri načina:

1. kemijskim spajanjem tvari sa dva supstrata koja su ušla u stanicu 2. taloženjem 3. adsorpcijom na stanične koloide

METABOLIZAM DUŠIKA Dušik je jako značajan element za biljku i one ga štede dok ga životinje izbacuju. Mrtvi organizmi podliježu truljenju i tada se događa proces amonifikacije kojeg vrše bakterije, a kao krajnji produkt nastaje NH3 (koji se dugo zadržava u tlu, teško se ispire). Ukoliko je pH neutralan nitrificirajuće bakterije oksidirati će NH3 do NO3

-, a ako je pH kiseliji neće se NH3 oksidirati do NO3- već će biljka dušik

primati kao NH4+.

Nitrati u tlu lako se ispiru i neke biljke nitrate primaju preko korijena. Neke bakterije denitrificiraju dio nitrata i daju različite dušikove okside (N2O, NO, NO2) koji idu u atmosferu. Kišama i električnim pražnjenjem ti se oksidi pretvaraju u NH4

+ i NO3-.

Biljka dušik može primati u obliku NO3- kojeg reduciraju, NH4

+ ili N2. Ruža npr. prima dušik kao NH4

+ i ona ne reducira taj NH4+. Najveći dio biljaka prima dušik u

obliku nitrata – oni se primaju kroz korijen. Neke biljke (rajčica, rotkvica) mogu veliki dio nitrata reducirati u korijenu, a druge biljke (krastavac, pšenica, trave) transportiraju nitrate do listova i tu ih reduciraju.

29

Redukcija nitrata Nitrat se pomoću enzima nitrat-reduktaze reducira do nitrita. Davaoc elektrona za reakciju je NADH + H+, a sve se odvija u citoplazmi: NO3

- NO2-

Nitrit se u kloroplastu reducira do NH4

+ uz nitrit-reduktazu: NO2

- NH4+

NH4

+ ugrađuje se u jednu keto-kiselinu kao amino-skupina (-NH2). α-ketoskiselina je najčešće α-ketoglutarna kiselina α-keto-glutarat transportira se iz citoplazme u kloroplaste. Da bi ugradio -NH2, mora se α-keto-glutarat izreducirati pomoću NADPH + H+

α-keto-glutarat glutamat

glutamat glutamin Kao i pri sintezi glutamina, tako i pri sintezi većine aminokiselina i asparagina, glutamat služi kao donor –NH2. Djelovanjem transaminaza prenosi se amino-skupina glutamata na određenu α-ketokiselinu, npr. na oksaloacetat (pa nastane aspartat).

Glutamat i aspartat su polazni spojevi za brojne druge aminokiseline (glutamatni red, aspartatni red).

30

Aspargin prijenosom -NH2 pomoću aspargin-sintetaze prelazi u asparaginsku kiselinu.

Glutamin-sintetaza ima veliki afinitet prema NH4

+ pa bi mogla imati specifičnu funkciju „detoksikacije“ jer je NH4

+ štetan kad je slobodan (prekida fosforilaciju, ometa stvaranje NADPH + H+)

1. amidni tip biljaka – špinat, bundeva, repa – NH4+ odmah ugrađuju u obliku

glutamina i asparagina 2. kiseli ureidni tip biljaka – koprive, kiselice – stvaraju različite ureidne

spojeve; uspijevaju na tlu gdje je visoka koncentracija uree i stvaraju serotonin; one su dakle prevele NH3 u soli s organskim kiselinama. Serotonin se nalazi u orahu, pomidori, ananasu, bananama, koprivi. Dušik koji je bio vezan u glutaminu prolazi kroz neke procese i nastaje serotonin. Kada se ubodemo na koprivu serotonin izaziva kontrakciju kože i krvnih žila, a ne mravlja kiselina kako se mislilo. A rabarbara prevodi kiseli NH3 u soli s organskim kiselinama i to u stabljici, a listovi su otrovni

3. ureidni tip biljaka – breza i orah stvaraju ureidne spojeve; mahunarke stvaraju kanavanin – otrovan spoj po sastavu nalik na arginin (arginin ima –CH2 skupinu, a kanavanin umjesto –CH2 ima kisik). Većina sativa sadrži kanavanin i otrovne su, a Vicia je jestiva. Borovnica prima dušik u obliku NH3, a riža kao NH4

+. Bagrem i grašak na korijenu imaju gomolje u kojima čuvaju dušik iz zraka; dugo ga čuvaju pa su im zimi listovi dugo zeleni.

Redukcija molekularnog dušika Premda u zemljinoj atmosferi ima 78 – 80% dušika, on slabo sudjeluje u ishrani organizama jer samo neki mogu asimilirati molekularni N2 i pretvoriti ga u oblik potreban biljci. Svake se godine pomoću mikroorganizama veže 100 – 150 milijuna tona molekularnog N2 u organske dušične spojeve. Potrebe za dušičnim gnojivima velike su pa se koristi industrijski Haber-Boschov postupak u kome se N2 reducira pomoću molekula H2 pod povišenim tlakom i temperaturom u NH3. Ovako se dobije 60 milijuna tona vezanog dušika. Vezanje molekula dušika bitan je proces na Zemlji, odmah nakon fotosinteze. Više je tipova organizama koji mogu vezati dušik iz atmosfere. To su slobodnoživuće heterotrofne bakterije i simbiotske bakterije. Fotoautotrofne slobodnoživuće bakterije da bi reducirale dušik trebaju enzim nitrogenazu.

31

1. slobodnoživuće heterotrofne bakterije a. obligatno aerobne – rod. Azobacter b. fakultativno anaerobne – rod. Klebsiella (pneumoniae) c. obligatno anaerobne – rod. Clostridium (pasteurianum)

2. slobodnoživuće fotoautotrofne bakterije – Rhodospirillum rubrum, modrozelene alge: Nostoc, Ulothrix, Anabaena azolla

3. simbiotski živuće bakterije rod: Rhizobium faseoli živi simbiotski u grahu, Rhizobium japanicum živi na soji. S bakterijama još simbiotski žive joha, tropske trave, mrkva, kukuruz (rod Clebriela). Te bakterije žive u sluzavim pločicama na korijenu. Gymnospermae dolaze u kombinaciji s niz bakterija – Cyanobacteria; više paprati dolaze u kombinaciji sa zelenim algama

Simbioza mahunarki i Rhizobium-a Korijenove dlačice luče različite spojeve (lektin – glikoprotein) koji kemotaktički privlače bakterije. One pomoću enzima galakturonaze, prektinaze, glukozil-transferaze i transglukozilaze rezgrađuju stjenku na vršku korijenovih dlačica i ulaze unutar nje. Stvara se tzv. infekcijska nit. Bakterije luče sluz u kojoj su uronjene unutar korijena. Ako bi infekcijska nit pukla, došlo bi do abortiranja. Bakterije se dijele i šire u parenhimske stanice korijena. One žele ući u diploidne i tetraploidne stanice korijena. Za sve ovo vrijeme bakterije se bičevima aktivno gibaju. Hrane se sadržajem iz biljke. Zauzvrat domaćinu izlučuju auksine, gibereline i citokinine. Parenhimske stanice se počinju dijeliti pod utjecajem ta tri hormona, a dijele se i bakterijske stanice. Stvara se gomoljčić – nodul u kojem kao da su provodni elementi. Bakterije unutar gomoljčića gube sposobnost aktivnog gibanja, zadebljaju, hrane se jantarnom kiselinom – zvoemo ih bakteoridi (imaju nitrogenazu). To se dokazalo tako što se uzeo gomolj graška i hranili su Rhizobium jantarnom kiselinom – Rhizobium je povećao volumen tj. površinu kroz koju može primati dušik iz zraka.

Redukcija dušika pomoću nitrogenaze zahtjeva 6 elektrona koje in vivo daje reducirani feredoksin. Međuprodukti reakcije nisu dokazani, a sekundarno se NH4

+ oslobađa enzimom. Reakcija nitrogenazom zahtjeva ATP: N2 + 6 feredoksin(red) + nATP + 8H+ 2NH4+ 6 feredoksin(oks) + nADP + nPi

32

Nitrogenaza se sastoji od dva različita proteina: željezo-proteina koji ima željezo vezano preko sumpora (željezni protein zovemo Azoferodoksin) te molibden-željezo-protein (Molibdoferodoksin) koji sadrži dva atoma molibdena i 22 do 24 skupine sa željezom i sumporom (nehemsko željezo). Nitrogenaza je in vivo osjetljiva na kisik iako je Rhizobium aeroban organizam.

Kod aerobnih bakterija parcijalni tlak kisika je snižen možda intezivnim disanjem. Kod simbiotskih bakterija roda Rhizobium opskrbu olakšava leg-hemoglobin (luguminozni hemoglobin; gen za hem nosi bakterija); on je lokaliziran izvan stanice Rhizobiuma, a u stanici domadara leg-Hb šalje bakteroidima male količine kisika koje ne inhibiraju nitrogenazu. Od nekog fermenta (NADH + H+) ferodoksinoks prima elektron od vodika i postane reducirani feredoksin. Proton se prenosi na azoferedoksin pa na molibdoferedoksin, a potom na N2 koji se reducira do NH4

+. NH4+ se ugradi u α-

ketoglutarnu kiselinu kao aminoskupina i nastane glutaminska kiselina koja se ksilemom transportira od korijena u listove (gdje se dio spojeva reducira, a dio opet vraća u korijen).

33

Fiksatori dušika koji nisu fotosintetski tvore ATP i red feredoksin drugim načinom – djelovanjem enzima hidrogenaze koja se koristi vodikom kao donorom elektrona feredoksin se reducira feredoksin(oks) + H2 feredoksin(red) + 2H+ MIJENA SUMPORNIH TVARI Sumpor se u stanicama ugrađuje u organske spojeve u reduciranom obliku (asimilacija sumpora). Biljka sumpor iz medija prima isključivo kao SO4

2- kojeg mora reducirati u S2-: SO4

2- SO32- S2-

Reakcija se odvija u zelenim biljnim stanicama i to većinom kloroplastima, a kod viših biljaka i u korijenu. Biljka SO4

2- iz tla aktivira sa AMP pri čemu nastaje APS (adenozin-fosfosulfat). Fosforilacijom APS-a pomoću APS-kinaze nastaje PAPS (fosfoadenozin-fosfosulfat). Kod kloroplasta je postanak PAPS iz sulfata i ATP-a vezan za tilakoidnu membranu. Sumpor je u PAPS-u još uvijek vezan kao SO4

2-. U kloroplastu se aktivni SO4

2- reducira preko sulfita do sulfida, a sulfid se ne oslobađa kao H2S već se odmah ugradi SH skupina cisteina. Odavde se sumpor može prevesti u druge spojeve (npr. metionin). Feredoksin i ATP potrebni su za ove reakcije, a potječu iz svjetlosne reakcije fotosinteze. Kod kvasca za prijenos 6e- koristi se NADPH + H+. U korijenu se mali dio sumpora veže u cistein ili metionin i putuje ksilemom u organe izdanka. SH skupina u metioninu važna je pri stvaranju disulfidnih mostova preko kojih se enzimi vežu za supstrate. MIJENA FOSFATA Fosfor se ugrađuje kao fosfsatna grupa. U sjemenkama (npr. u sjemenki pšenice) nalazimo aleuronski sloj koji je ispod teste (vanjskog ovoja). Taj sloj sadrži aleuronska zrnca (a to su spremišni proteini), globulinske kristaloide, albuminski ovoj i globoide iz fitina. Fitinska kiselina je inozitol koji ima 6 fosfata

34

vezanih kisikom (tzv. inozitol-heksa-fosfat). Šest sati nakon početka klijanja javlja se mRNA za enzim fitazu i to u skutelumu (jedina supka kod monokotiledona). Fitaza odvaja fosfate iz fitinske kiseline (od inozitola) i tako biljka dobija fosfat tijekom klijanja. Ako sjemenke stavimo u otopinu sa fosfatnom soli, tada se inhibira stvaranje fitaze, inhibira se i transkripcija mRNA za fitazu. Fosfat je potreban za nukleinske kiseline, ATP, NADP+, lecitin (kloroplasti). Spojevi fosfora s Mg i K imaju značajnu ulogu u održavanju koncentracije H+ iona u plazmi što se objašnjava lakoćom prijalaza soli u mono, di i trifosfate i obratno. Nedostatak fosfora uzrokuje promjenu boje lišća od crvene do smeđe, suši se i otpada. Liebergov zakon minimuma Prema Liebergovom zakonu rast uvijek ograničava onaj činilac koji je prisutan u relativno najmanjoj količini. Manjak može biti apsolutan (zbog akutne nestašice elemenata u tlu) ili relativan. Relativna nestašica podrazumijeva često da zbog suviška nekih drugih elemenata, dotični element biva u manjku, npr. deficit K+ može biti posljedica suviška N2 ili PO4

3-. I pH određuje koliko je element pristupačan biljci, npr. Fe i Mn se slabije primaju iz tla kojemu je pH visok (jer njima odgovara kiseli pH). Patološki učinci mogu se javiti i ako je neki element prisutan u prevelikoj količini, npr. u kiselom tlu siromašnom sa Ca2+, Mg i M mogu se primati u velikim (toksičnim) količinama. Pokretljivost iona u ksilemu i floemu Neki ioni dobro su pokretni i u ksilemu (do listova) i u floemu, npr: Na+, K+, Rb2+, Cs2+. Ioni Mn2+ i Fe2+ umjereno su pokretni u floemu, a u ksilemu su dobro pokretljivi. Ioni Ca2+, Ba2+ i Pb2+ su nepokretni u floemu. Važnost pojedinih iona za biljku U floemu ima dosta PO4

3-, a Ca2+ s njime daje teško topive soli. Teški metali poput Ag, Al i Hg toksični su za biljku jer talože fosfate u okolini korijena, ali i u smaoj biljci. Biljka tada pati od deficita fosfata. Deficit fosfata manifestira se u promjeni boje lišća – oni su napadno zeleni, a same biljke su male i kržljave (lisna plojka se smanji) i lišće se rano suši i otpada. Element tungisten, ako je prisutan u tlu, rado ulazi u biljku umjesto Mo pa se ne može formirati nitrogenaza. Zato je tungisten toksičan – slijedi to da su listovi zbog nedostatka dušika blijedo zeleni i žuti (nemaju tilakoidne membrane). Željezo ulazi u sastav Mo-Fe-feredoksina, azoferedoksina i nalazimo ga u porfirinskom prstenu hema, kao i u hemu citokroma. Deficit željeza manifestira se u blijedoći listova jer se ne stvara klorofil. Naime, iako Fe ne ulazi u građu klorofila, on sudjeluje u njegovoj biosintezi – u tlu bogatom Fe dolazi do zakržljala rasta i zadebljanja korijena. Magnezij je potreban za rad ATP-a. Ako nema magnezija koji je potreban za rad ATP-a, stvara se feofitin – žuti listovi sa zelenim žilama. Silicij povećava rast nekih biljaka (klipova kukuruza, stabljika riže), a smatra se da stimulira i rast pomidora, tj. da se plodovi neće stvarati ukoliko nema silicija.

35

Nedostatak kalija uzrokuje stvaranje smeđih točaka na plojci i rubovima lista koji žuti. Ako nema K+ nastaje gel-stanje plazme u kojem enzimi ne funkcioniraju pa umire taj dio organizma. Deficit kalcija uzrokuje smežuranost najmlađih listova. BILJKE KAO INDIKATORI TLA Neke biljke rastu samo na tlima bogatim specifičnim mineralima – biljke indikatori. Bakrena mahovina raste na tlima bogatim bakrom. Xylorrhiza i Eleonapsis rastu na tlima bogatim selenom. Biljke nekrotične pjege ukazuju na višak Co, okrugao oblik grmova na visoku količinu bora, kao i veliki tamnozeleni listovi. Biljke nemaju apsolutnu sposobnost primanja elemenata koji se nude iz tla. Mangrova vegetacija (Rhizopora) ima multipolarni filter koji propušta male količine elemenata. Stanice mogu nagomilavati elemente, šećere... Ako se prima Ca(NO3)2 tada NO3

- ide do NH3 koji se ugradi u aminokiselinu, a Ca2+ se taloži u vakuoli kao CaC2O4. Smatra se da postoje dvije vrste nosača kojima se primaju tvari iz okoline:

1. Mehanizam I – odgovorni su za primanje iona iz razrjeđenih otopina (c=0,05 – 0,02mmol/dm3). Oni pokazuju veći afinitet za ione. Smatra se da je mehanizam I lociran na plazmalemi.

2. Mehanizam II – nosači odgovorni za primanje iona iz koncentriranijih otopina (c=0,5 – 50mmol/dm3). Smatra se da je mehanizam II lociran u tonoplastu

Važno je i kakav je prateći ion oko onoga koji se prenosi. Često se kod mehanizama ioni (npr. Rb, Cs, K) vežu za isto mjesto. Možda postoji samo jedna vrsta nosača čija se brzina transporta može mijenjati. Kada se stanica zasiti ionima, smanji broj nosača za te ione. Dakle, stanica može mijenjati afinitet prema ionima. TRANSPORT TVARI – IONA Pasivno primanje Iz otopine tla ioni dospijevaju strujom vode najprije u slobodno pristupačni apoplast korijena, tj. u stanične stjenke korijenovih dlačica i stanice korijenove kore. Primanje se odvija pasivno tj. bez korištenja energije mijene tvari, pri tome otopina koja struji slijedi gradijent vodnog potencijala, a difuzija iona gradijente prenosi kemijskom i električnom potencijalu.

36

Da bi iz apoplasta stigli u simplast, hranidbeni ioni moraju proći kroz membranu plazmalemu; ako trebaju doći u vakuolu, moraju prijeći i tonoplast. Ponekad te procese razlikujemo, pa ulaz neke tvari iz apoplasta i citoplazmu nazivamo intrameacijom, a transport iz tonoplasta u vakuolu permeacijom. Pasivno prelaženje neke tvari kroz membranu (npr. plazmalemu) duž pada elektrokemijskog potencijala možemo nazvati nesmetanom difuzijom. Prpusnost (permeabilnost) neke membrane za nenabijenu česticu (izuzevši vodu) je 100 – 1000 puta manja od propusnosti vodenog sloja iste debljine. Primanje tvari pasivnom permeacijom može dovesti do izjednačenja potencijala. No, uglavnom se hranidbeni element koji je prodro u staničnu stjenku dalje preradi čime se dotični element trajno uklanja iz ravnoteže pa se primanje vode može dalje odvijat. Aktivno primanje Razlike aktivnog i pasivnog transporta:

• Aktivni može uz potrošnju energije tvarne mijene trasportirati supstancije protiv pada njihovog elektrokemijskog potencijala

• Aktivni može supstancije provesti kroz membrane barijere koje za njih drugim putem ne bi bile permeabilne ili ne bi bile permeabilne dovoljnom brzinom

• Aktivni je specifično podešen za određene spojeve koji su važni za mienu tvari pojedine stanice

Mehanizam aktivnog transporta još je nedovoljno objašnjen. U mnogim slučajevima čini se da ide preko specifičnih molekula (nosača u membrani koji pokazuju supstantnu specifičnost slično enzimima). Energija potrebna za aktivni transport dobija se iz ATP-a. No, osim od ATP-a nosači mogu energiju za transport primati i od protonskih gradijenata. Na, tj. u membrani postoje ATP-aze, proteini koji kataliziraju cijepanje ATP-a, aktiviraju ih ioni vodika. Tako plazmalema i tonoplast imaju ATP-aze koje hidroliziraju ATP i s pomoću energije oslobođene pri toj hidrolizi izbacuju se protoni napolje. U citoplazmi pH ide na vrijednost 7,0. Stvara se protonski gradijent, stvara se napon od -120mV. Protoni se žele vratiti natrag u stanicu. Budući da je u stanici negativni naboj i kationi žele ući u stanicu, gibanje kationa je uvjetovano negativnim potencijalom. Kako protoni prolaze unutra, oni sa sobom mogu ponijeti saharozu (kotransport ili simport). Dakle, saharoza je uvučena energijom toka protona. Može se dogoditi da proton ide unutra, a kation ide vani, pa to zovemo antiport, a ako s protonom ide i anion to je simport. Kod tonoplasta nalazimo ATP-aze. Ovdje protoni ulaze u vakuolu gdje uzrokuju kiseli medij (pH=5,5), stara se potencijal od -90mV. Kada proton izlazi vani kationi i saharoza ulaze kotransportom unutra. Anioni kotransportom ulaze u vakuolu jer su mali i lako prolaze. Kanalni proteini i nosači funkcioniraju kao selektivne pore u membrani. Veličina i gustoća pora i povišenje naboja u njihovoj unutrašnjosti određuju njihovu trasnportnu specifičnost. Molekule koje mogu proći kroz kanale čine to kroz same pore. Za nitrate i fosfate postoje kontroverze – ulaze li preko simporta ili su tjerani primarnim crpkama? Kalijev ion može ući aktivno, ali i pasivno (difuzijom).

37

Tvari se moraju vezati na aktivno mjesto na proteinu nosaču. Dolazi do promjene konformacije proteina (promjene steričnosti). Supstrat i aktivni centar moraju se po svojoj arhitekturi poklapati. Enzimi se sa supstratom mogu vezati kovalentnom vezom ili nabojima ili može supstrat fagocitirati enzim u sebe. Izosterični enzimi imaju jedno mjesto na kojem primaju ili supstrat ili inhibitor, dok alosterični enzimi posjeduju dva mjesta – jedno za supstrat, drugo za inhibitor. Ako se prvo veže inhibitor, apoferment enzima mijenja steričnost pa se supstrat ne može vezati. To je tzv. T-stanje (eng. tension – napeto). Postoji i R-stanje (eng. relax – opušteno). Kada se prvo veže supstrat onda dolazi do enzimatske reakcije. Dok se niz enzima sastoji samo od proteina, drugim enzimima potrebne su još dodatne tvari tzv. kofaktori. Pri tome može biti riječ o metalnim ionima ili o organskim spojevima. Ako su kao kofaktori potrebni organski spojevi nazivamo ih koenzimima. Zajednički sklop enzima i kofaktora naziva se holoenzim, a sam proteinski (enzimatski neaktivan) dio apoenzim (apoferment). Primanje tvari u aerobnih i anaerobnih bakterija Aerobne bakterije imaju respiratorni lanac kojim dobivaju energiju za protonski gradijent. Kada se protoni vraćaju u stanicu, nose šećere, aminokiseline... Za svaki proton koji uđe unutra, Na+ izlazi vani. Kod anaerobnih bakterija nema respiratornog lanca – odvija se samo glikoliza koja daje 2 ATP-a. Oni služe za izbacivanje protona i uspostavu protonskog gradijenta. Kada se protoni vračaju nazad, oni nose „hranu“ sa sobom. Stanica kao otvoreni sistem Za odvijanje reakcija u stanici potrebna je energija aktivacije. Zato se odvijaju samo reakcije koje su energetski moguće. Stanica je jedan otvoreni sistem, djeluje kao protočni sistem koji je u stegi s 5 ravnoteža. Ako u čašu stavimo vodu, dobili smo zatvoreni sistem u kojem voda ne vrši nikakav rad. Vodu možemo staviti u posudu u kojoj možemo regulirati protok i istjecanje vode. Voda koja ističe može vršiti neki rad, npr. okretati turbinu. Dinamička ravnoteža (ΔG = ΔH – T ΔS) je ono stanje otvorenog sistema u kojem on proizvodi najmanje entropije, tj. uz najmanju potrošnju energije vrši i održava stanje najvećega reda. Samo sistem koji teče ka ravnoteži ima sposobnost oslobađanja energije. Zato je u svim živim stanicama situacija takva da se sustav ravnoteži kontinuirano približava, ali je nikad ne dostigne. Koncentracije kemijskih komponenata se u stanici čine stacionarnim, one su u dinamičkoj ravnoteži u kojoj početna supstanca ulazi u stanicu u istoj veličini u kojoj krajnji produkt izlazi iz stanice. ΔH = T ΔS ΔG = 0 – termodinamička ravnoteža u stanici znači smrt Katalizator u otvorenom sistemu ne samo da utječe na brzinu uspostavljanja ravnoteže, već i na položaj ravnoteže. Zato se u živoj stanici promjena aktivnosti nekog katalizatora (enzima) ispoljava u mnogo većem opsegu nego samo na reakciji koju katalizira.

38

REGULACIJA ENZIMSKE AKTIVNOSTI Postoji niz spojeva koji imaju utjecaj na aktivnost enzima (efektori) i to pospješujući (aktivatori) ili kočeći (inhibitori). Cilj je regulacije mijene tvari u skladu trenutnim potrebama. In vivo reakcije koče se uglavnom supstratima koji se u izmjeni tvari nalaze iza regulirane inhibicije, tako da inhibitori blokiraju svoj vlastiti postanak (povratna sprega, kočenje, feedback). Naprotiv, reakcije pospješuju supstrati koji su supstrati za pretovrbu, ti aktivatori stoga pospješuju svoju preradu (unapredna sprega, pozitivna sprega, aktiviranje, feed forward). U oba slučaja spriječeno je prejako nagomilavanje metabolita. Postoje dva efekta:

1. Izosterički efekt – efektor zahvaća mjesto gdje se veže supstrat. To je npr. kompetitivna inhibicija – na aktivni centar veže se neka molekula slične građe kao i supstrat. Često su izosterička kočenja povratnom spregom npr. fruktoza koči invertazu (koja inače cijepa saharozu na glukozu i fruktozu), glukoza-6-fosfat koči heksokinazu prilikom stvaranje piruvata

2. Alosterički efekt – enzim koji se može alosterički regulirati je npr. rubisko. Uvijek je riječ o enzimima koji se sastoje od više podjedinica. Česta su alosterička kočenja povratnom spregom: tu produkt nekog lanca mijene tvari blokira neki enzim koji u slijedu reakcije djeluje mnogo prije i koji najčešće katalizira početak neke sekvence (kočenje enzimske aktivnosti krajnjim produktom). Npr. na biosintezu treonina djeluje treonin – on je alosterički inhibitor za enzim aspartokinazu (on regulira početnu reakciju u sintezi treonina). Na ovaj enzim djeluju i lizin i izoleucin i metionin (jer aspartokinaza djeluje i u njihovoj sintezi) Reakcija Kako više bočnih produkata koči neki enzim, tada nastaje problem ako se on „isključi“ kada jedna od tih tvari dosegne određenu koncentraciju iako postoji manjak druge tvari. Ta se dilema riješava izoenzimima tako da izoenzimi s različitim alosteričkim specifičnostima kataliziraju ključne reakcije. Izoenzimi su različiti oblici nekog enzima, oblici koji se npr. razlikuju po svom naboju. Izoenzimi se sastoje od dvije ili više podjedinica koje mogu biti ili jednake ili različite pa ih tada kodiraju različiti geni. Tako npr. postoje aspartokinaze 1, 2 i 3. One stimuliraju fosforilaciju aspartata: Reakcija Ako se stvori puno lizina onda to produktnom inhibicijom djeluje na aspartokinazu, izoleucin djeluje na treonin, a on na aspartokinazu 3. Izoenzimi laktat-dehidrogenaze imaju afinitet prema piruvatu, a u tkivima u kojima se odvija glikoliza taj je afinitet visok (u tkivima u aerobnim okolnostima je niži). Laktat-dehidrogenaza djeluje na piruvat kao primaoc elektrona pa tako uključi NADH2: Reakcija

Aktivacija povratnom spregom je npr. povišenje aktivnosti fosfofruktokinaze pomoću fruktoza-1,6-bifosfata. Aktivacija unaprednom spregom je npr. aktivacija fosfofruktokinaze pomoću fruktoza-6-fosfata ili aktivacija piruvat-kinaze pomoću fruktoza-1,6-bifosfata.

39

REGULACIJA SINTEZE ENZIMA Informacija za primarnu strukturu enzima (slijed aminokiselina) sadržana je u DNA molekuli. DNA odsječak koji nosi informaciju za nastanak enzima nazivamo strukturnim genom. Najprije dolazi do replikacije DNA; potom se informacija transkripcijom prenosi na mRNA; ta mRNA dolazi u ribosom i tu se sekvencija kodona u mRNA prevodi u jezik aminokiselina translacijom. Sinteza proteina koje geni kodiraju može se inducirati ili reprimirati. Indukcija nastanka enzima pomoću supstrata postoji u svim stanicama. Tako nitrat npr. inducira sintezu nitrat-reduktaze. Proces nastanka enzima često izaziva produkt reakcije koju enzim katalizira (produktna represija). To je nađeno npr. kod enzima koji kataliziraju biosintezu aminokiselina. Gene koji kodiraju neki induktivni enzim (tzv. strukturni geni) aktivira induktor. Pored tih strukturnih gena uključeni su još promotorsko područje na koje se veže RNA-polimeraza i gen operator. Cjelokupan kompleks strukturnih , promotorskih i operatorskih gena zovemo operon. Operon se nalazi pod kontrolom regulatornog gena koji djeluje preko efektora – protein represor. Kod lac-operona efektor je protein koji se veže s operatorskim genom te time isključi transkripciju operona. To je represija. Laktoza uzrokuje promjenu sterične konfiguracije represorskog proteina koji više ne pristaje uz operaterski gen pa represija prestaje tj. dolazi do indukcije. Par sati nakon klijanja u skutelumu nalazimo mRNA za sintezu. Ako za vrijeme klijanja dodamo fosfor neće doći do nastanka fitaze jer ona neće biti potrebna tj. ima dovoljno fosfata. OPĆENITO O FOTOSINTEZI Fotosinteza u zelenoj biljci je kvalitativno i kvantitativno najvažniji biokemijski proces na Zemlji. To postaje jasno kad shvatimo da sva živa bića koja nisu sposobna za fotosintezu žive posredno ili neposredno od asimilata biljaka. U kvalitativnom smislu fotosinteza je najvažniji proces na Zemlji jer se u tom procesu veže sunčeva energija i pomoću CO2 i H2O nastaju organski spojevi. Smatra se da je od presudne važnosti baš vezanje sunčeve energije, a ne CO2 i H2O jer su oni ionako postojeći na Zemlji. Ti organski spojevi služe kao hrana svim ostalim organizmima. U kvantitativnom smislu fotosinteza je važna jer se svake godine u tom procesu veže 200 – 500 bilijuna tona CO2. Ciklus CO2 je u kvantitativnom smislu drugi po veličini, odmah iza ciklusa vode. Često je fotosinteza nazvana i asimilacija, ali to baš i nije najtočnije. Naime, CO2 se asimilira, ali sam naziv asimilacija ne ističe sunčevu energiju koja je tu uključena. Proces fotosinteze općenito možemo formulirati ovako: 2nH2O + nCO2 (CH2O)n + nO2 + nH2O Pri tome n redovito iznosi 6 pa slijedi: 12H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

40

Udio CO2u atmosferi iznosi oko 0,03% i često je za drveće i stablašice to element (faktor) u minimumu; trave uglavnom ne pate od ovog deficita. Kažemo da je količina CO2 u zraku suboptimalna. Na ulaženje CO2 utječe otpor graničnog sloja lista. Naime, iznad lista se pri transpiraciji stvara sloj vodene pare. Veća ili manja otvorenost puči također stvara otpor ulasku CO2. Izraz za difuziju CO2: Δc – razlika koncentracije CO2 u zraku i u kloroplastu Ra – otpor graničnog sloja Rs – otpor puči (ako su i otvorene pri punoj transpiraciji isto daju otpor) Rm – otpor mezofilnih stanica (često se množi sa 1,56 – otpor vode) Svjetlost koju biljka dobiva je sunčeva svjetlost. Na Suncu se odvijaju nuklearne reakcije fuzije: spajaju se 4H+ i nastaje He. Pri tome se oslobađaju pozitroni i energija. Dio mase pretvori se u energiju i to 0,029 jedinica mase. Ta se energija zrači od Sunca i u obliku kvanta svjetlosti ili fotona dolazi na Zemlju. Kvanti su najmanje jedinice svjetlosti koje se mogu apsorbirati. Shvatilo se što se događa sa sunčevim spektrom kada dođe na Zemlju. Sunčev spektar sastavljen je iz zraka kratkih valnih duljina: od UV-zraka, od vidljivog dijela spektra, od IR-svjetla i od radio valova. Znamo da što je val kraći energija mu je veća. Tako UV-zrake imaju veću energiju od vidljivog dijela spektra, ali ih biljke ne apsorbiraju (UV-zrake „ubijaju“ stanice). 1mol po kvantu = 6,02 1023kvanta Valna duljina od 600nm = 57mol/kvant Valna duljina od 700nm = 41mol/kvant Početna valna duljina vidljivog svijetla je 390nm, a energija je 71,5kcal. Biljke apsorbiraju sve valne duljine vidljivog spektra, ali zelenu izrazito slabije. Kratke IR-zrake slabo se apsorbiraju, a refleksija im je maksimalna. To je dobro jer su kratke IR-zrake štetne – list bi se pregrijao ukoliko bi ih apsorbirao. Za razliku od kratkovalne, dugovalna IR-svijetlost se dobro apsorbira u svim biljkama. Zašto je u šumama hladno? Tu, naime, do izražaja dolazi tzv. „hladna sjena šuma“ – kratkovalna IR svijetlost koja dolazi od sunca biva reflektirana u atmosferu i zato je hladno. Sve molekule zraka u kontaktu sa listovima primaju toplinsku energiju od lista i tako se list hladi. Primanje topline iz lista nazivamo kondukcija, a podizanje ovako zagrijanog zraka konvekcija.

41

Djelovanje svjetlosti na biljku

Plavi dio spektra utječe kod biljaka na fototropna zakrivljenja. Crveni dio utječe na klijanje sjemenki – kada su pod utjecajem crvenog dijela spektra neke biljke bolje klijaju zbog fitokroma (pigment u citoplazmi) u vršku embrija. Naime, djelovanje fitokroma pospješuje vidljiva svjetlost.

BILJNI PIGMENTI – FOTOSINTETSKI Za fotosintezu su odgovorni biljni pigmenti locirani u kloroplastima koji su poredani uz staničnu stjenku kako bi apsorbirali što više svijetlosti. Kloroplasti su u presjeku diskoidalni, a sastoje se od tilakoidnih grana i strome.

1. Klorofil Samo apsorbirana svjetlost može postati kemijski djelotvorna. Kod svih fotoautotrofnih organizama odlučujući pigment za apsorpciju je klorofil. Od svih klorofila pri fotosintezi najveće značenje ima klorofil A, a potom B, C i D. Molekula klorofila ima 4 pirolova prstena vezana u porfirinski prsten u čijem je središtu Mg2+, te od fitolnog repa. Porfirinska jezgra je hidrofilna, a fitolni rep (bogat –CH3) je hidrofoban. U kratkovalnoj UV svjetlosti klorofili fluoresciraju živahno crveno. Na prvom pirolovom prstenu nalazi se vinilna skupina. Ako je na drugom pirolovom prstenu vezana metilna skupina to je klorofil A; ako je na drugom pirolovom prstenu vezana aldehidna skupina to je klorofil B. Klorofili imaju još i specifični pentanonski izociklički prsten na trećem pirolovom prstenu. Klorofil B na četvrtom pirolovom prstenu ima propionsku kiselinu na koju je esterski vezan alkohol fitol (C20H39OH). Klorofil C nema fitol, a klorofil D umjesto vinilne skupine ima na prvom pirolovom prstenu formilnu skupinu.

klorofil A klorofil B

42

Zbog sadržaja dvostrukih veza klorofil dobro apsorbira svjetlost. U dvostrukim vezama su tzv. Π-elektroni koji ne pripadaju samo jdnom C-atomu već susjednim C-atomima pa mogu „kružiti“ po molekuli klorofila. Ti se elektroni mogu pobuditi vidljivom svjetlošću. Naime, Π-elektroni konjugiranih dvostrukih veza smanjuju razmak između energetske razine osnovnog i prvog pobuđenog stanja. Stoga omogućuju energijom siromašnim fotonima (fotoni s dugom valnom dužinom) da pobude molekulu – zato pigmentne moelkule apsorbiraju u vidljivom dijelu spektra. Oni spojevi koji se pobude vidljivom svjetlošću su obojeni spojevi

2. Karoteni i ksantofili Karoteni su žuto, narančasto ili crveno obojena lipofilna bojila (lipokromi). Najraširniji je β-karoten; krajevi lanca su mu, kao i kod drugih karotena, u vanjskim prstenima (β-ionski prsteni). Između njih su konjugirani dvostruki vezovi na kojima su –CH3 skupine. Ovaj se karoten u našem tijelu cijepa na dvije molekule vitamina A. Postoje i druge vrste karotena: α-karoten (ima jedan α i jedan β ionski prsten) – daje jednu molekulu vitamina A. Likopen karoten sa otvorenim lancem daje boju pomi i šipku, topiv je u masti. Ksantofili imaju –OH skupine i mogu se lako separirati od karotena te su topivi u polarnim otapalima.

3. Fikobili proteidi Ovdje spadaju fikocijan (modri, modrozelene alge) i fikoeritrin (crveni). Pojavljuju se u mješavinama nestalnih omjera kod modrozelenih algi, crvenih algi i Cryptophycales-a. Prekrivaju klorofil. Sastoje se od tijela proteina na koji je bojilo (fikocijanobilin ili fikoeritrobilin) kovalentno vezano. Topivi su u vodi.

FOTOSINTETSKI PIGMENTI BILJAKA

klorofili karoteni ksantofili fikobilini Skupina biljaka A B C D α β liko. lut. fukoks. fikocij. fikoeri.

Više biljke + + + + + + Mahovine + + Zelene alge + + + + + Dinoflagelate + + + + + Silikatne alge + + + + Smeđe alge + + + + + + Crvene alge + + + + + + Zlatnožute alge + + + + + Modrozelene alge + + + Fotosintetske bakt. + + + + Distribucija pigmenata kod biljaka Prvi dio spektra apsorbiraju klorofili A i B, karoteni i ksantofili. Klorofili A i B apsorbiraju i u crvenom dijelu spektra. U plavom dijelu spektra krivulje fotosinteze i apsorpcije se ne poklapaju jer se sva svjetlost koju karoteni i ksantofili apsorbiraju koristi za fotosintezu. U nekim nižim algama može 50% te svjetlosti biti u fotosinetezi.

43

Kada neki atom primi svjetlost, on prijeđe u pobuđeno stanje. Elektron se odmakne u daljnju orbitalu i tu ostane 10-4s. Pri povratku nazad energija se oslobađa kao toplina i dio kao svjetlost (fluorescencija). Molekula klorofila ima tu sposobnost. Kada se pobudi, molekula prelazi u pobuđeno stanje u vidu određenih vibracijskih stanja. Apsorpcija 490nm (plava svijetlost) uvjetuje jako pobuđeno stanje tzv. treće singulentno stanje. Pri povratku iz trećeg u prvo singulentno stanje (ima oko 41kcal) oslobađa se energija kao tzv. inertna toplina koja nema nikakvu svrhu. Tek kada se elektron vraća iz prvog singulentnog u osnovno stanje, ona energija koja se tada oslobodi koristi se za fotosintezu. Dakle, crvena svjetlost radi „ekonomičnije“. Apsorpcija 670nm (crvena svjetlost) uvjetuje pobuđivanje u prvo singulentno stanje. Kada gledamo biljku ne vidimo crvenu fluorescenciju jer se oslobađa samo 3 – 5% energije, a to je premalo da bi tu fluorescenciju zapazili. Može se osloboditi samo toplinska energija i to kada elektron iz prvog singulentnog stanja ide u prvo tripletno, a potom u osnovno. FOTOKEMIJSKE OSNOVE Svjetlost određenih valnih duljina djeluje pomoću elektronskih pobuda na atome ili molekule. Molekule klorofila, kako smo rekli, imaju dvostruke ili Π-veze u kojima elektroni kruže između susjednih C-atoma. Kada pobudima molekulu, elektron prelazi u više energetsko stanje (prvo singulentno kod crvene svjetlosti ili treće singulentno stanje kod plave svjetlosti). Pri povratku u osnovno stanje oslobađa se energija kao svjetlost (fluorescencija) ili kao toplina. Fluorescencijom se u fotosintetskom aparatu gubi 3 – 6% apsorbiranih fotona, tj. 3 – 6% apsorbiranih fotona ponovno se odzrači fluorescencijom. Kod klorofila ta je fluorescencija crvena. Naime, neovisno o dužini vala apsorbiranog fotona fluorescentna je svjetlost klorofila uvijek crvena jer se kvanti emitiraju uvijek pri prijelazu iz prvog singulentnog stanja u osnovno stanje. Za fotosintezu je najvažnije prenošenje pobuđene energije (ekscitoni) s pobuđene na susjedne molekule. To se zbiva u fotosistemima I i II.

44

Fotosistemi (pigmentni sistemi) sastoje se od tzv. antenskih pigmenata i pigmenta zamke. Antenski pigmenti služe za hvatanje i provođenje svjetlosti sve do redukcijskog centra u kojem se nalazi pigment zamke. Fotosistem I ima pigment zamke P700 (max. apsorpcija klorofila A je 700nm), a fotosistem II ima P680 (max. apsorpcija je 680nm). Dva fotosistema se ne razlikuju samo po apsorpcijskom spektru pigmenta zamke već i po sastavu antenskih pigmenata: fotosistem II je bogatiji klorofilom B. Foton ili kvant svjetlosti padne na karotene (ksantofile) i te molekule prijeđu u pobuđeno stanje. Apsorbira se foton one energije koja je dovoljna da se elektron izbaci u višu energetsku orbitalu. Viša energija se neće apsorbirati. Elektron se nakon 10-4s vraća u osnovno stanje i pri tome se dio energije gubi kao toplina ili kao fluorescencija. Za fotosintezu je važno prenošenje pobuđene energije na susjedne molekule. Da bi pobuđena molekula mogla pobuditi drugu molekulu moraju biti zadovoljeni neki uvjeti:

1. molekula u osnovnom stanju mora se nalaziti u tzv. donjem vibracijskom stanju unutar prvog singulentnog stanja. Ona će predati energiju samo onoj molekuli koju takva energija može pobuditi.

2. prilikom prijelaza pobuđene energije s davaoca na primaoca, moraju se fluorescencijski spektri molekule davaoca i primaoca poklapati

3. molekule davaoca i primaoca moraju se nalaziti jedna blizu druge (na manje od 10nm). Zbog toga su molekule klorofila gusto poredane. Prijelaz pobudne energije (ekscitona) s molekule na molekulu vjerojatno se ostvaruje rezonancijom između davaoca i primaoca. Pri prijelazu pobuđene energije s molekule na molekulu uvijek se gubi dio energije pa je energija prema Stokesovom zakonu sve manja i manja, a valna duljina sve veća.

Kada pobudna energija pobudi pigment zamke, njemu se odbija elektron kojeg prihvaća neki akceptor (feredoksin (F.S.1) ili plastokinon (F.S.2)). Klorofil A najvažniji je od svih klorofila. Izvršen je pokus sa klorofilima A i B. Naime, monomolekularne slojeve klorofila A i B osvijetlili su svjetlošću koju je maksimalno apsorbirao klorofil B. No, došlo je do fluorescencije klorofila A. Izveden je zaključak da je klorofil B apsorbirao svjetlost i predao je klorofilu A. Π-elektronima dovoljna je energija vidljive svjetlosti da prijeđu u Π* (pobuđeno) stanje jer su oni labavo vezani. Zato su mnogi spojevi s dvostrukom vezom obojani. Jednostruke veze su čvršće i elektroni u njima pobude se UV-zračenjem. U kolikoj se mjeri apsorbirana svjetlost koristi u fotosintezi? Smatra se da sva apsorbirana svjetlost u plavom dijelu spektra pomoću karotena i ksantofila ne sudjeluje u fotosintezi. Postojanje dva fotosistema u viših biljaka dokazao je Emerson: Chlorellu je izložio svjetlosti od 710nm (crvena) i intenzitet fotosinteze mjerio po stvorenom kisiku. Potom je istu algu osvijetlio svjetlom od 660nm i izlučivanje kisika bilo je još veće. Kada je osvijetlio algu s obje valne duljine istovremeno, izlučivanje kisika bilo je veće od zbroja izlučivanja s pojedinom valnom duljinom. To je tzv. Emersonov efekt – dokazano je postojanje dva fotosistema. Danas se

45

smatra da su u stromi tilakoidnih membrana smješteni fotosistemi I, a u granumu tilakoida fotosistemi II. REAKCIJE FOTOSINTEZE Obično se procesi fotosinteze dijele na primarne i sekundarne. Primarne reakcije fotosinteze odvijaju se na svjetlu i to u granulumu tilakoida. Sekundarne reakcije (tzv. Calvinov ciklus) odvijaju se u stromi kloroplasta. Ponekad se sekundarne reakcije nazivaju i reakcije u tami iako bolje teku ako na njih djeluje svjetlo. PRIMARNE REAKCIJE FOTOSINTEZE 1940. Hill i Scawysbrick su uspjeli odvojiti primarne i sekundarne reakcije (do tada se mislilo da su nerazdvojne) – smrvili su lišće, otopili u puferu te su u suspenziju dodali ferioksalat i fericijanat. Suspenziju su osvijetlili – došlo je do izlučivanja kisika što je trajalo sve dok je bilo slobodnih ferit-iona (Fe3+). Kada su se ferit-ioni izreducirali u fero-oblik (Fe2+), izlučivanje kisika je prestalo. To je dokazalo da su se primarni procesi mogli odvijati bez prisustva CO2, ako se dodaju akceptori za elektrone. To je tzv. Hillova reakcija. Pri toj reakciji nije potreban nikakav donor elektrona osim vode; CO2 uopće ne sudjeluje. Osim toga, ova nas reakcija upućuje na podrijetlo O2 iz reakcije fotosinteze – taj kisik potječe iz vode. 2H2O + 2 akceptora elektrona 2AH2 + O2 Voda može biti donor elektrona zahvaljujući fotolizi vode: 4H2O 4OH- + 4H+ 4OH- 4(OH) + 4e- 4(OH-) 2H2O + O2 2H2O 4H+ + 4e- + O2 (potreban za disanje ali može biti opasan zbog superoksidnog radikala)

Za fotolizu vode treba 114kcal/mol kvant. Tu bi energiju biljka mogla primiti apsorpcijom UV svjetlosti, ali ona ubija stanice. Stoga biljka apsorbira 3 kvanta crbene svjetlosti (600 – 700nm), a svaki kvant ima 41kcal/mol kvant. Objasnili smo kako apsorbirana energija putuje antenskim pigmentima do reakcijskog centra. Kad svjetlost padne na P700 (pigment zamke), on prelazi u više pobuđeno stanje i preda elektron nekom akceptoru (vjerojatno feredoksin za fotosistem I ili plastokinin za fotosistem II). Od akceptora može elektron krenuti različitim putevima:

1. Neciklički transport (neciklička fosforilacija) u granumu Akceptor (feredoksin) pobuđeni elektron prenosi tj. šalje ka nižim energetskim razinama (tzv. transport nizbrdo) do NADP+ kao krajnjeg akceptora elektrona. Najprije se P700 mora pobuditi i izgubiti elektron. Kada P700 izgubi elektron, postaje P700

+. Manjak svog elektrona mora nadoknaditi. To osigurava pigmentni sistem II – taj sistem apsorbira svjetlosno kvant ćime P680 postaje pobuđen. Pobuđeni P680 svoj elektron vjerojatno šalje plastokininu

46

citokrom f plastocijanin P700+. Time je P700 nadoknadio manjak

svog elektrona, a P680+ treba sad nadoknaditi manjak svog. On taj manjak

nadoknadi elektronima iz fotolize vode. Redoks razlika između plastokinina i citokroma dovoljna je da pri protoku elektronskog para nastane 1 ili 2 ATP-a Za redukciju NADP+ u NADPH+H+ potrebna su 2 elektrona i 2 protona (protoni se uzimaju iz medija)

2. Ciklički transport (ciklička fosforilacija) u stromi tilakoida U cikličkom transportu sudjeluje samo fotosistem I. Ukoliko se dogodi da nema oksidiranog NADP+, tada će elektron ići od feredoksina na citokrom b6 pa na plastocijanin (ili na citokrom f – ne zna se). Od plastocijanina elektron ide na P700

+. Kažemo da elektroni prave krug. I ovdje se „trčanej nizbrdo“ koristi za stvaranje ATP-a

3. Pseudociklički transport Ako u fotosistemu II parcijalni tlak kisika prijeđe određenu granicu, tada će elektron ići na kisik, a ne na NADP+ - nema ATP-a

Kako se stvara ATP? Na ovo pitanje odgovor daje tzv. kemiosmotska hipoteza po Mitchellu – svjetlost potiče tok elektrona u tilakoidnoj membrani, ali i rastavljanje naboja izvan te membrane. Kada sunčeva svjetlost dođe na tilakoidnu membranu, dolazi do fotolize vode. Plastokinon djeluje kao shuttle sistem – elektrone predaje citokromima, a protoni idu u unutrašnjost tilakoida (tu je pH = 5,6), dok je u stromi pri svjetlosti pH = 7,95. Svjetlost je dakle dovela do razdvajanja naboja pa se stvorio protonski gradijent. Budući vlada napon između H+ u unutrašnjosti tilakoida i OH- u stromi, stvara se potencijal pa je tu uskladištena energija. Protoni se žele vratiti (i sa OH- dati H2O) i pri povratku moraju proći kroz tilakoidne membrane. Te tilakoidne membrane propusne su za protone na onim mjestima gdje su ATP-aze. Protoni prolaze kroz taj uski prostor i energija toka protona se ugradi u ATP.

47

To su bile, dakle, primarne reakcije fotosinteze. Tu je svjetlost imala zadaću da pripremi reakcijske ekvivalente (NADPH+H+) i ATP, tj. asimilacijsku snagu. Dakle, sunčeva energija ugradila se u vidu ATP-a. Nakon toga slijede sekundarne reakcije. SEKUNDARNE REAKCIJE FOTOSINTEZE Fiksacija i redukcija CO2. Za reakcije CO2 svjetlost nije izravno potrebna. Za redukciju 1 molekule CO2 treba 2NADPH+H+ i 3ATP. Sumarno, za redukciju 6 CO2 treba 12NADPH+H+ i 18ATP. 6 CO2 + 18ATP + 12NADPH+H+ C2H12O6 + 18ADP + 12NADP+ + 18Pi Slijed reakcija redukcije CO2 kompleksan je i obuhvaća veći broj enzimatski kataliziranih faza

1. Faza karboksilacije Pentoza riboza-fosfat prima 1 fosfat iz ATP-a – nastaje ribuloza-1,5-bisfosfat (RuBP). Na taj šećer može enzim ribuloza-bisfosfat-karboksilaza (RuBisko) vezati CO2 iz zraka. Dakle, RuBP je akceptor za CO2 ; kada se CO2 veže na RuBP nastaje heksoza koja se pod utjecajem vode i sunčeve svjetlosti raspada na dvije molekule 3-fosfoglicerata.

2. Redukcijska faza U ovoj se fazi 3-fosfoglicerat pretvara u gliceraldehid-3-fosfat, a za to se treba unositi energija. Zato se3-fosfoglicerat fosforilira, tj. veže se ATP. Nastaje 1,3-bisfosfoglicerat. Tek se tada izvrši redukcija pomoću NADPH+H+ uz enzim gliceraldehid-fosfat-dehidrogenazu.

3. Faza regeneriranje akceptora Da bi se fiksiranje i redukcija CO2 mogli nesmetano kontinuirano odvijati, mora se akceptor za CO2 (RuBP) regenerirati. Time je ova asimilacija CO2 u fotosintezi postala kružni proces kojeg nazivamo Calvinov ciklus ili reduktivni pentoza fosfatni ciklus (RPPC). Kao rezultat regeneracije dobije se 6RuBP.

Obrada primarnih produkata fotosinteze Fosfogliceraldehid lako ide u dihidroksiacetonfosfat koji je keton i lako daje heksoze (fruktozu), pentoze, tetroze, heptoze... Prema današnjim predodžbama upotreba primarnih produkata fotosinteze potječe u prvom redu od trioza-fosfata i heksoza-fosfata. Kondenzacijom dvaju trioza-fosfata (gliceraldehidfosfat i dihidroksiacetonfosfat) nastaje heksoza-fosfat, npr: fruktoza-1,5-bisfosfat. Naknadnim otcjepljenjem fosfatnog ostatka sa friktoze-1,6-bisfosfat nastaje fruktoza-6-fosfat: fruktoza-1,6-bisfosfat fruktoza-6-fosfat

48

Fruktoza-6-fosfat se pomoću fosfoheksa-izomeraze pretvori u glukozu-6-fosfat, a ona pomoću fosfoheksa-glukomutaze ide u glukozu-1-fosfat: fruktoza-6-fosfat glukoza-6-fosfat glukoza-1-fosfat Glukoza-1-fosfat pomoću pirofosfataze reagira sa ATP-om i nastaje pirofosfat i ADP-glukoza (ima cca. 7000cal). Prijenos glikozilnog ostatka s ADP-glukoze na nereducirajući kraj α-1,4-glukana katalizira enzim sintaza škroba. Nastaje kratki lanac (trisaharid) u kojem je α-1,4-veza. Ako se sintetiziraju kratki lanci (nerazgranjeni škrob) zovemo ih amilaza, a razgranjeni su amilopektini. U gljiva postoje razgranati lanci glikogena koji je razgranjeniji od amilopektina. I u fotosintetskim bakterijama se u citoplazmi kao fotosintetski produkt izgrađuje glikogen. Od primarnih produkata fotosinteze (npr. trioza-fosfata, fosfoglicerata) ili međučlanova respiratornog ciklusa može se vrlo brzo sintetizirati veliki broj različitih skupina tvari, npr. organske kiseline, aminokiseline, komponente nukleinskih kiselina... Ako se otpremanje produkata fotosinteze ne može odvijati jednako brzo kao i nastajanje, tada se višak gomila u stromi kloroplasta u obliku škroba. Taj primarni ili asimilacijski škrob najčešće se u tamnoj fazi potpuno razgradi (tranzitorni škrob), a produkti se otpreme dalje. Sinteza škroba počinje, kao i sinteza saharoze, od glukoza-1-fosfata i ATP (nastaje ADP-glukoza). To se odvija u kloroplastima, kao i u amiloplastima (leukoplasti koji u spremišnim organima i tkivima izgrađuju iz šećera škrob).

49

Kad se škrob noću razgradi (pomoću fosforilaze) do glukoznih jedinica, a potom do trioza-fosfata (dihidroksiaceton-fosfat i fosfogliceraldehid) oni mogu izaći iz kloroplasta. Njih prenosi grupno specifični nosač u unutrašnjoj membrani kloroplastne ovojnice – phosphat-carrier. U citoplazmi iz trioza-fosfata nastaje saharoza. Naime, od trioza-fosfata nastaje heksoza fruktoza-6-fosfat koji ide u glukozu-6fosfat, a ova ide u glukozu-1-fosfat. Glukoza-1-fosfat reagira sa uridin-3-fosfatom i nastane UDP-glukoza. UDP-glukoza zajedno sa fruktozom-6-fosfatom daje u citoplazmi saharozu. I u kloroplastima bi saharoza mogla nastati iz heksoza-fosfata i potom biti izdvojena u citoplazmi. To još uvijek nije konačno objašnjeno. Saharoza se floemskim transportom transportira u dijelove biljke koji je trebaju. Prije ulaska u amiloplaste saharoza se mora cijepati na trioza-fosfate koji se kondenziraju u heksoza-fosfat: fruktoza-6-fosfat glukoza-6-fosfat glukoza-1-fosfat + ATP ADP-glukoza + pirofosfat Iz ADP-glukoze prijenosom glukoznog ostatka na α-1,4-glukan nastaje pričuvni škrob. OKSIDATIVNI PENTOZA-FOSFATNI CIKLUS (OPPC) OPPC je ciklus kod biljaka koji se odvija isključivo u tami i u kloroplastima i citoplazmi. Značenje ovog ciklusa je, s jedne strane u stvaranju NADPH + H+ koji je potreban za reduktivne sinteze, a s druge strane u pripremanju specifičnih šećernih fosfata za različite sinteze (nukleinske kiseline). Tri su enzma jedinstvena u OPPC-u, a u reduktivnom PPC-u nedostaju:

1. glukoza-6-fosfat dehidrogenaza (kad fali NADPH + H+) glukoza-6-fosfat ----------------------------------> 6-fosfoglukonat Ovaj se enzim inaktivira svjetlošću dok ga tama aktivira. Kada je omjer NAPDH + H+ / NADP+ visok (u osvijetljenim kloroplastima) OPPC se isključuje, a u kloroplastima se oslobodi put Calvinovom ciklusu. Ako je omjer nizak, OPPC se aktivira i time osigurava dobavljanje NAPDH + H+

2. 6-fosfoglukonat-dehidrogenaza 6-fosfoglukonat --------------------------------------> ribuloza-5-fosfat Ovim drugim stupnjem je oksidativna faza ciklusa zaključena. Slijedi restitucijska faza gdje 6 molekula pentoza-fosfata daje 5 molekula glukoze-6-fosfata. Reakcije restitucijske faze značajne su što zajedno s dijelovima puta razgradnje glukoze do piruvata omogućavaju reverzibilne pretvorbe šećera do 3, 4, 5, 6 i 7 C-atoma jednih u druge

50

3. transaldolaza Prenosi dihidroksiacetonski ostatak šećera sa 7 C-atoma na trioza-fosfat. Nastaje fruktoza-6-fosfat i eritroza-4-fosfat

Udio OPPC u razgradnji glukoze varira, a ovisi uglavnom o potrebi za NADPH + H+. OPPC je važna npr. pri klijanju. C4 TIP FOTOSINTEZE Biljke koje imaju samo RuBisko kao enzim koji veže CO2 nazivamo C3 biljke. U fiziološkom smislu one imaju klasičnu građu lista (gornja epiderma, palisadni parenhim, spužvasti parenhim, donja epiderma). Ima biljaka (kukuruz, trave, šećerna trska) koje žive u vrućim područjima i prisiljene su pritvoriti puči. Da se fotosinteza ne bi zaustavila, razvile su poseban mehanizam vezanja CO2. Njihova anatomija lista je drugačija – vjenčasta anatomija lista. Žile su im obavijene ovojem velikih stanica čiji se kloroplasti razlikuju od kloroplasta mezofilnih stanica. Naime, stanice žilnog ovoja imaju veće kloroplaste, bez grana i obilno stvaraju škrob. Tu razliku u građi kloroplasta između mezofilnih stanica i stanica žilnog ovoja nazivamo kloroplastni dimorfizam. Mehanizam prefiksacije ili mehanizam C4 dikarbonskih kiselina (Hatch-Slackov ciklus) se tiče porodica: Asteraceae, Chaemopodiaceae, Euphorbiaceae i Poaceae. U kloroplastima se piruvat pomoću piruvatfosfat-dekarboksilaze i ATP-a pretvara u fosfoenolpiruvat (PEP). Taj PEP je akceptor za CO2 iz zraka. Pri ovom procesu nastane AMP. Kad je PEP vezao CO2 (pomoću PEP-karboksikinaze) nastala je oksaloctena kiselina (ima 4 C-atoma i 2 COOH skupine). Nastala OAA reducira se pomoću oksalacetat-aspartat-transaminaze u asparaginsku kiselinu. Ova fiksacija CO2 te nastanak malata događaju se u mezofilnim stanicama. Nastali malat se plazmodezmijama prebaci u stanice žilnog ovoja. U stanicama žilnog ovoja malat se oksidira i dekarboksilira i nastane piruvat. Ovo se događa u stromi. Kod C4 vrsta nedostaju grane tilakoida u stanicama žilnog ovoja pa fotosistem II ne funkcionira normalno tako da je spriječen transport elektrona od vode na NADP+. Stoga malat stanice žilnog ovoja opskrbljuje sa CO2 ali i s redukcijskim ekvivalentom. Kod C4 fotosinteze se u stanicama žilnog ovoja ne oslobađa O2 (nema fotolize vode).

51

Oslobođeni CO2 (nakon oksidacije i dekarboksilacije malata) se preko RuBisko veže i preradi. Zašto je potreban ovaj tip prefiksacije CO2? Jer RuBisko više ne djeluje, a PEP-karboksilaza ima veliki afinitet prema CO2 pa ipak teče fotosinteza. Da bi CO2 mogao difundirati u list, mora savladati otpor. Izraz za računanje tog otpora je: Q = ΔC / Ra + Rs + Rm Q – difuzija CO2 ΔC – razlika u koncentraciji CO2 Ra – otpor graničnog sloja vodene pare Rs – otpor puči Rm – otpor mezofila lista Što su puči otvorenije, veća je transpiracija i otpor je veći. Kod C4 biljaka puči su pritvorene i kroz njih ulazi minimalna količina CO2. Stoga PEP-karboksikinaza mora imati veliki afinitet prema CO2, veći nego RuBisko. Znamo da Michaelisova konstanta (Km) označava količinu supstrata kod koje će enzim koji razgrađuje taj supstrat postići ½ maksimalne brzine reakcije. Za PEP-karboksikinazu Km je 70 µmol Za RuBisko Km je 460 µmol Maksimalni postotak CO2 u zraku kod kojeg se još vrši fotosinteza je 0,3%, a nakon toga se oštete kloroplasti. Minimalna koncentracija je 0,008% CO2. Zahvaljujući velikom afinitetu PEP-karboksikinaze prema CO2, C4 biljke održavat će fotosintezu i pri onim koncentracijama CO2 gdje RuBisko praktički više ne djeluje. Kroz pritvorene puči ulazi manje CO2, ali opet dovoljno za PEP-karboksikinazu. U kloroplastima mezofila treba 5ATP + 2NADPH + 2H+, a u kloroplastima žilnog ovoja treba 3ATP + 1NADPH + H+. Taj pojačani utrošak energije u mezofilnim stanicam omogućuje rad na koncentriranju CO2 u stanicama žilnog ovoja. Postoje tri tipa prefiksacije CO2:

1. NAD–malat enzimski tip – stvara se aspartat koji putuje iz mezofilnih stanica u stanice žilnog ovoja. Tu sudjeluju i mitohondriji. Ovaj tip C4 fotosinteze je evolucijski maksimum

2. PEP-karboksikinazni tip – troši samo 1 ATP 3. NADP-malatni enzimski tip (kukuruz, šećer, trska)

1. NAD–malat enzimski tip – posredstvom transaminaza u kloroplastima

mezofila iz oksaloacetata nastaje aspartat prenosi se plazmodezmijama u stanice žilnog ovoja u kojima se najprije deaminira pa nastaje oksaloctena kiselina koja se reducira u malat u mitohondrijima pomoću NAD+-malat-dehidrogenaze malat se oksidativnom dekarboksilacijom pomoću NAD-malatnog enzima pretvara u piruvat uz oslobađanje CO2 koji odlazi u CLK piruvat se aminira pomoću transaminaze u alanin koji se vraća u mezofil i deaminira u piruvat. Utrošena su 2ATP, kloroplasti imaju gramum

52

2. PEP-karboksikinazni tip – troši samo 1 ATP – visoka aktivnost enzima aspartat- i alanin-transaminaza te PEP-karboksikinaze stvoreni oksaloacetat pomoću PEP-karboksikinaze u mezofilnim stanicama (u citoplazmi) se pretvara u aspartat aspartat prelazi u stanice žilnog ovoja gdje se deaminacijom stvara oksaloctena kiselina pomoću PEP-karboksikinaze i ATP-a se dekarboksilira oksaloctena kiselina uz nastanak PEP i oslobađanje CO2 koji odlazi u CLK. Troši se 1ATP bez sudjelovanja redukcijskog ekvivalenta

3. NADP-malatni enzimski tip (kukuruz, šećer, trska) – u reakciji između PEP i CO2 posredstvom PEP-karboksilaze nastaje oksaloacetat koji se dalje reducira u malat pomoću malat-dehidrogenaze specifične za NADPH malat napušta kloroplast i plazmodezmijama odlazi u stanice žilnog ovoja gdje se u kloroplastu pomoću NADP-malatnog enzima oksidira i dekarboksilira. Oslobođeni CO2 veže se u CLK piruvat koji preostane nakon dekarboksilacije malata se vraća u mezofilne stanice, ulazi u kloroplaste i pomoću piruvat-fosfat-kinaze prelazi u PEP

53

Kloroplasti mezofilnih stanica imaju ulogu stvaranja ATP-a i NADPH+H+ za nastanak PEP i malata. Kloroplasti žilnog ovoja nemaju grane pa ni P680 pa H+ za redukciju NADP+ donosi malat. Nema fotolize vode pa je O2 znatno smanjen što uz visoku koncentraciju CO2 potiskuje fotorespiraciju

CAM METABOLIZAM Mnoge biljke sa rezervnim staničjem za vodu (sukulenti) i to takve koje u istoj stanici imaju kloroplaste i velike vakuole, stvaraju i gomilaju noću organske kiseline (uglavnom malat), a danju oslobađaju CO2 i redukcijske ekvivalente te se njima koriste u Calvinovom ciklusu. Ovaj metabolizam zastupljen je u prvom redu kod krasulaceja pa se označava kao Crassulacean Acid Metabolism – CAM. No, osim Crassulaceae ovdje spadaju i neke Asteraceae, Cucurbitaceae, Lamniateae te golosjemenjača Welwitchia meirabilis. CAM je u principu modificirani C4 metabolizam, samo su prethodna fiksacija CO2 pomoću PEP-karboksikinaze i konačna prefiksacija vremenski ograničene (a ne prostorno kao kod C4 biljaka). Bilje s ovim mehanizmom žive u sušnim predjelima bez kiše i zato su reducirale listove u trnove, a na epidermi imaju debelu kutikulu sa voštanom prevlakom. Kod njih nema hlađenja transpiracijom pa to riješavaju visokim sadržajem vode u tkivu. Puči su im danju zatvorene da ne bi došlo do prevelike transpiracije. Kako ove bilje održavaju fotosintezu? Noću, kada su puči otvorene, CO2 ulazi u citoplazmu. Pomoću PEP-kerboksikinaze CO2 se veže na PEP i nastaje oksaloacetat. OAA se reducira u malat (pomoću malat-dehidrogenaze koja ima koenzim NADPH + H+). Malat se zajedno sa protonima miče u vakuolu koja se tada zakiseli. Budući PEP-karboksikinaza ima veliki afinitet prema CO2, stacionarna koncentracija CO2 u stanici je niska (puči su otvorene). Ujutro malat izlazi iz vakuole i ide u kloroplast gdje se dekarboksilira i oksidira pomoću NADP+-malatnog enzima – NADP+ se reducira u NADPH + H+, a CO2 se oslobodi. Taj oslobođeni CO2 ide u Calvinov ciklus. Od malata je preostao piruvat koji ima dva puta:

1. ostaje u kloroplastu i preko dana se pretvori u PEP 2. ulazi u mitohondrije gdje ulazi u Krebsov cilklus – CLK

Zašto PEP-karboksikinaza danju ne veže CO2? Rekli smo da se po danu malat oksidira i dekarboksilira. Pri tome se oslobodi CO2. Dnevni oblik PEP-karboksikinaze ima na aminokiselini serinu –OH skupinu. Takvu PEP-katrboksikinazu malat odmah inhibira (produktna inhibicija). Noćni oblik PEP-karboksikinaze na serinu ima –PO4

3- i zato nije osjetljiv na malat pa može vršiti fiksaciju CO2. Što se događa kad je opskrba vodom dobra? Onda CAM biljke iskorištavaju na svjetlosti CO2 dobiven pri razgradnji malata. Kada se zaliha malata iscrpi, otvaraju se puči da bi pomoću RuBisko fiksirale vanjski CO2. Za vrijeme suše puči se ne otvaraju pa je primanje CO2 na svjetlu minimalno ograničeno.

54

Zašto su puči danju zatvorene? Malat izlazi iz vakuole i u citoplazmi se oksidira u piruvat. Oslobađa se CO2 (piruvat sa ATP-om daje PEP). Razvijeni CO2 se sporo troši jer se u kloroplstu mora vezati u Calvinov ciklus. Stacionarna koncentracija CO2 u zapornicama je visoka i puči su zatvorene. Otkud PEP noću? Noću se škrob iz kloroplasta razgrađuje do trioza-fosfata. Kondenzacijom trioza-fosfata nastaje fruktoza-6-fosfat pa glukoza-6-fosfat. Glikolizom može nastati piruvat (ili OPPC-om), a piruvat sa ATP-om daje PEP Ako Crassulaceae prenesemo u kontinentalne uvjete, one otvaraju puči i danju. Tada uopće ne koriste PEP-karboksikinazu. To se utvrdilo proučavanjem sastava izotopa C13 i C15 u biljci. RuBisko ne voli teži izotop, a PEP-karboksikinaza ga dobro veže. Ukoliko u biljci ima puno C13 onda je djelovala PEP-karboksikinaza, a ako ga u saharozi ima malo, onda je djelovao RuBisko. Endogeni biokemijski ritam izlaženja CO2 Endogeni biokemijski ritam kontrolira unutrašnji sistem (unutrašnji sat) i pri konstantnim vanjskim uvjetima odvijaju se tjednima ili mjesecima. Biljci Kalanchöe fedschenkor skinuli su epidermu sa pučima (a biljka je bila u uvjetima slabe difuzije svjetla 2 – 3 dana) i primjetili su ritmičnost izlaženja CO2 (kao da je danju izlazio, a noću se vezivao).Biljka je zadržala ritmiku izmjene dana i noći. To je značilo da postoje endogeni ritmovi biljaka. Kod bagrema zatvaranje listova ne traje točno 24 sata pa se to zove okodnevni ritam (cirkodijalni ritam). ADAPTACIJA VODENIH BILJAKA C1 TIP FOTOSINTEZE CO2 otopljen u vodi otopljen je sa CO2 iz zraka, ali u vodi je CO2 u obliku HCO3

-. Da biljke u vodi ne bi patile od deficita CO2 one imaju nosač za HCO3

- (hidrogen karbonat ion). Taj nosač pokreće energija iz ATP-a. Kako HCO3

- ne može proći kroz membrane kloroplasta mora se taj HCO3

- razgraditi na CO2 i H+ pomoću enzima karboanhidraze: CO2(g) CO2(aq) + H2O H+ + HCO3

- Oslobođeni CO2 se veže u Calvinovom ciklusu: Kako su mehanizam nosača i karboanhidraze aktivnijji od RuBiska, na mjestu vezanja nalaze se 10 puta veće količine CO2 nego u okolini.

55

Mehanizam nosača vodene biljke su izbjegle C4 mehanizmom. C1 tip bi bio podtip C3 mehanizma. Unutarnja ovojnica kloroplasta ne dozvoljava ni ATP-u ni NADPH2 da dođu do citoplazme, a citoplazma ipak treba energiju. Ta energija dolazi pomoću transportnog metabolita, a to je dihdroksiaceton-fosfat – on izlazi iz kloroplasta u citoplazmu i nosi sa sobom energiju. Dihidroksiaceton-fosfat se oksidira u kiselinu – oslobodi se energija u citoplazmi. Nastaje ATP iz ADP i Pi. FOTORESPIRACIJA C2 TIP FOTOSINTEZE Do fosforespiracije dolazi za vrijeme dana kada je vrlo niska količina količina CO2 u zraku, a koncentracija O2 u listovima je vrlo visoka. Količina fotorespiracije je obično viša od disanja. Treba naglasiti da ovaj proces ni po mehanizmu ni po organelima ne liči na disanje. Fotorespiracija se odvija u kloroplastima. Kako nema dovoljno CO2, umjesto da RuBP veže CO2, dolazi do njegove oksidacije. Uz pomoć enzima ribuloza-bisfosfat-oksidaze RuBP se oksidira i nastane fosfoglikolna i 3-fosfoglicerinska kiselina. Fosfoglikolna kiselina se pomoću fosfoglikolat-defosfataze oslobodi fosfata i nastane glikolna kiselina. Glikolna kiselina može se oksidirati u kloroplastima pomoću koenzima NADP+. On oduzima 2 vodika i nastane NADPH + H+, a od glikolata preostane glioksilna kiselina. Glikolna kiselina može prijeći u jedno mikrotjelešce zvano peroksisom i tu se oksidirati kisikom. Nastaje H2O2 i (ponovno) glioksilna kiselina. H2O2 se pomoću katalaze razgradi do H2O i 1/2 O2. Glioksilna kiselina može se aminirati pa nastane glicin. Kondenzacijom 2 glicina te dekarboksilacijom može nastati aminokiselina serin. No, ovo nije obavezno. Obavezna je razgradnja glioksilne kiseline na oksalnu, a potom se ova oksidira uz kisik do H2O2 ili se pak dekarboksilira, tj. izgubi CO2. Nastaje mravlja kiselina i ona se oksidira i nastane nova molekula H2O2. Vidimo da se ovim reakcijama zapravo gube neto proizvodi fotosinteze. Jedini dobitak su zapravo aminokiseline. Ova fotorespiracija je intenzivna kod C3-biljaka jer C4 imaju PEP-karboksikinazu koja ima veći afinitet prema CO2.

56

Kompenzacijska točka CO2 je ona količina CO2 koja se fotorespiracijom i disanjem oslobodi, a fotosintezom odmah veže. Za C3 iznosi oko 50 µl/l, a za C4 5 µl/l (omjer je µl CO2 na 1l zraka). Preko dana procesi fotorespiracije znatno nadmašuju respiraciju. FOTOSINTEZA U BAKTERIJA Fotoautotrofne bakterije dijelimo na:

1. Chlorobacteriaceae (zelene-sumporne bakterije) Imaju pigment zamke P1050 (mala energija po kvantu). Ovdje spada rod Chlorobium.

2. Thiorhodaceae (purpurne-sumporne bakterije) Imaju P890. Tu spadaju Chromatium, Rhodospirillum, Rhodopseudomonas. Ove dvije skupine bakterija su striktni anaerobi pa im je donor elektrona H2S, a ne voda (jer bi se tada oslobađao CO2). One imaju samo fotosistem I pa vrše cikličku fosforilaciju. Pigment im je bakterioklorofil.

3. AThyordaceae (purpurne-nesumporne bakterije) Imaju P890 ali mogu tolerirati O2 iako preferiraju anaerobne uvjete. Kao donor vodika (za redukciju NAD+) i elektrona može im poslužiti jantarna kiselina. Jantarna kiselina + ATP + NAD+ fumarna kiselina + ADP + NADH + H+

Redukcijsko sredstvo kod fotoautotrofnih bakterija nije NADPH + H+ već NADH + H+. Kako se prenose elektroni?

• Ciklički Svjetlost pobudi P890 koji šalje elektron ka feredoksinu pa na ubikinon pa na citokrom c2 pa na citokrom 550. Taj pad energije dovoljan je za stvaranje ATP-a. Nakon citokroma 550 elektron ide na citokrom c2 i na P890

+ • Neciklički

Svjetlost pobudi P890 i ovaj šalje elektron preko feredoksina i flavoproteida do NAD+. Manjak elektrona P890

+ nadoknadi elektronom iz H2S.

57

CIKLUS KARBONSKE KISELINE Kod fotolitotrofnih i fotoorganotrofnih bakterija postoji osim Calvinova ciklusa kao put za preradu CO2 i reduktivni ciklus karbonske kiseline koji dobavlja različite organske kiseline i aminokiseline. Ovaj ciklus obuhvaća citratni ciklus koji inverzno tjera asimilacijska snaga. Ukupno se u ovom ciklusu sintetizira 1 molekula oksaloacetata iz 4 molekule CO2. Svaki od međuprodukata može se izlučiti iz ciklusa i ući u zaseban metabolizam. FOTOSINTEZA KOD ALGI Kod jednostaničnih algi u moru fotosinteza je produktivna kao kod najboljih tropskih šuma. Često te alge danju svoje produkte izbacuju u ocean jer nemaju mogućnost deponiranja rezervi. Noću mogu te produkte (aminokiseline, šećere) primati natrag. Ove alge ne stvaraju škrob nego masti koje ih čine laganima, a služe im kao antifriz. Ove alge mogu adaptivno stvarati mehanizme za primanje nitrata. Ovi su mehanizmi manje zastupljeni kod priobalnih formi (veće je zagađenje). One imaju mehanizam za odupiranje promjeni slanosti vode pa mogu stvarati različite ugljikohidrate. Obzirom na prodornost svjetla, najbolje prodire plava svjetlost pa crvene alge idu najdublje u more, zelene alge idu pliće jer apsorbiraju crveni spektar. TRANSPORT ASIMILATA Asimilati nastaju asimilacijom CO2, a prenose se kao 10 – 20% vodena otopina u sva tkiva koja ih ne mogu sama sintetizirati. Analiza sastava asimilata u biljke Ricinus communis dala je sljedeće rezultate:

SUHA TVAR 100 – 125 mg/ml Saharoza 80 – 106

Reducirani šećeri (glukoza, fruktoza) / Proteini 1,45

Glutaminska kiselina + Malat -

Ketokiseline ~2,0 PO4

3- 5,0 SO4

2- Malo (0,024 – 0,04) Cl- 0,62

NO3- - (reducirani na korijenu i listu) Bikarbonati +

K+ 2,3 Na+ 0,0276

Ca2+ 0,09 Mg2+ 0,112 NH3 Malo jer su toksični

Auksini Malo Giberelini Malo Citokinini -

ATP + Vitamini +

Nukleotidi +

58

S obzirom na transportne šećere u floemu razlikujemo 3 glavna tipa biljaka:

1. vrste kod kojih je glavni transportni šećer saharoza. To su paprati, golosjemenjače, jednosupnice, a od dvosupnica su to mahunarke

2. vrste koje osim saharoze sadrže i oligosaharide reda rafinoza (rafinoza, stahioza, verbaskoza). Tu spadaju lješnjak, brijest, lipa.

3. vrste koje osim spomenutih šećera sadrže i šećerne alkohole – manitol (maslina), sorbitol (sorbus, riža), dulcit.

Tri su načina transporta asimilata:

1. Transport na kratke udaljenosti – intracelularni transport. Brzine su oko 3cm/h, a mehanizam je difuzija

2. Transport na srednje udaljenosti – kroz tkiva. Dijelimo na simplastni (plazmodezmijama kroz protoplaste) i na apoplastni (kroz stanične stjenke). Transport može biti i strujanje otopine. Brzina ovog transporta je 1 – 6cm/h

3. Transport na velike udaljenosti – floemom. Asimilati se na velike udaljenosti prebacuju u relativno kratko vrijeme. To je moguće zato što su se razvili posebni provodni putevi – sitaste cijevi, a kod nižih biljaka njihovi ekvivalenti (stanice pratilice spojene s plazmodezmijama sa sitastim cijevima i odgovorne su za punjenje i pražnjenje sitastih cijevi). U sitastim cijevima ima malo Ca2+ pa se smatra da je posljedica toga nedostatak tonoplasta. Sitaste cijevi imaju sitaste ploče koje imaju sitasta polja – ti prolazi se mogu zatvoriti halazom. Tu je i floemski protein koji je važan za prolaz asimilata, ali i za zatvaranje cijevi kada biljna uš siše sok (tlak počne zatvarati cijev, a halaza dovrši zatvaranje). Stanice pratilice imaju zadebljanja i invaginacije stjenke čime se povećava površina plazmaleme pa se tako poveća i površina transporta tvari. Brzina putovanja asimilata u sitastim cijevima je 10cm – 1m/h, a kod bundeve 3m/h. Gustoća soka je 300mg/ml, a pH = 7,6 – 8,4.

Koja je pokretačka sila za strujanje otopine? To je odgovorio Münch – fizičke osnove prikazao je u modelnom pokusu na osnovu kojeg je razvio tzv. teoriju tlačne struje. Uzeo je dva osmometra (u jendom je bila koncentrirana otopina šećera, a u drugom razrijeđena otopina šećera). U prvom je π bio -20atm, a u drugom je π bio -10atm. Spojio je osmometre, tlakovi su se željeli izjednačiti i dobio je zajednički tlak od 15atm. Ako je: ΨA = Ψπ + ΨP, tada je prvi osmometar ΨA = -20 + 15 = -5atm drugi osmometar ΨA = -10 + 15 = 5atm Voda struji u smjeru negativnijeg potencijala ka pozitivnijem: od prvog ka drugom osmometru. Dakle, kada se osmometre stavilo u vodu, voda je najprije ulazila u prvi pa onda u drugi osmometar

59

Kažemo da je u prvom osmometru bio veći turgor. Prvi osmometar odgovarao bi stanici koja proizvodi osmotski aktivnu tvar, a drugi bi odgovarao stanici koja ga troši (od izvora prema izljevu). Da bi došlo do kretanja tekućine u floemski element mora se ostvariti veća razlika u turgoru, tj. u otopljenim tvarima. U listovima je turgor veći (tu je velika koncentracija asimilata koji osmotski vuku vodu). U dijelovima koji rastu asimilati se troše – sila sisanja je manja – turgor je manji. Tu imamo već uspostavljeni turgorski gradijent. Mjesto stvaranja asimilata nazivamo izvor (source), a jesto gdje se troše asimilati izljev (sink). Za ostvarenje Münchove teorije moraju biti zadovoljeni neki uvjeti:

a) da su sitaste cijevi prohodne u uzdužnom smjeru b) da su bočne stjenke selektivno permeabilne c) da postoji turgorski gradijent

Poisseuille je dao formulu za floemski transport: F = Kr2 P1 – P2 / l n K – kvocijent r – radijus provodnog elementa P1 – tlak u izvoru P2 – tlak u izljevu l – duljina puta η (eta) – viskoznost tekućine Münch je mislio da je najveći turgor u stanicama spužvastog parenhima, ali to nije točno. U stanicama palisadnog parenhima turgor iznosi 0d 15 do 35 bara. Najveći tlak je u stanicama pratilicama i u sitastim cjevima (on tlači asimilate iz lista u druge dijelove biljke). Iz spužvastog parenhima transport je apoplastom do stanica pratilica, a iz stanica pratilica do sitastih cijevi je simplastom. Prilikom „istovarivanja“ asimilati idu iz sitastih cijevi u pratilicu simplastno. Ako asimilati idu u vegetativne organe (mlade listove) oni se iz stanica pratilica transportiraju simplastno, a ako idu u spremišne organe (gomolj) ili u plodove idu apoplastno.

60

U blizini sitastih cijevi su ksilemski elementi jer one upijaju vodu i stvara se visoki turgor koji potiskuje asimilate. Mladi list upija asimilate dok ne dostigne ½ veličine odraslog lista. Listovi bliže bazi šalju asimilate prema korijenu, a listovi koji su na vrhu šalju asimilate plodovima. Kod šećerne trske prilikom istovarivanja saharoze događa se hidroliza saharoze, a kod kukuruza, pšenice, soje, šećerne repe se to ne dogodi. Postavilo se pitanje postoji li dvosmjerni transport u sitastim cijevima. To je riješio Escherich – napravio je eksperiment na bobu – na donje listove stavio je fluorescin, a na gornje radioaktivnu ureu. U sredinu je stavio uš i pretpostavio da biljna uš punktira jednu sitastu cijev. Ako je bazipetalan transport (prema dolje), tada se u tijelu uši mora naći samo radioaktivna urea, a ako je akropetalan onda fluorescin. Nakon jednog sata je našao obje tvari i objasnio to ovako: sitaste cijevi povezane su sitastim pločama. Ako je transport u jednoj sitastoj cijevi bazipetalan, a u drugoj akropetalan mogu se te tvari miješati preko bočnih veza. U jednoj sitastoj cijevi je jedan smjer kretanja asimilata, a ali se taj smjer može mijenjati (npr. sezonski) ovisno o tome gdje je potrošač. Kada se razvija stabljika iz gomolja (npr. krumpira) smjer je prema gore, a kada se stvaraju novi gomolji, lukovice i slično tada se smjer prema dolje. Simplastni transport – tamo gdje stanice rastu obično dolazi do protoniranja, a K+ i Ca2+ se izbacuju. Sve se zakiseli; sitaste cijevi imaju pH = 7,6 – 8,4 pa protoni izlaze vani. Stvara se protonski gradijent. Kada se protoni budu vraćali nazad, ponijet će i saharozu. Ona će se kiselom invertazom razgraditi na glukozu i fruktozu. Kad rast završi, neće više dolaziti do protoniranja stanične stjenke, K+ i Ca2+ ulaze natrag, pH raste. Aktivnost kisele invertaze se zaustavi – asimilati ne ulaze. Apoplastni transport – potrebni su nosači. Stanične stjenke se protoniraju (pH stjenke je 5,5). Protoni izlaze vani i aktiviraju nosač koji veže saharozu. Ona kotransportom ulazi u stanicu. To se odvija kroz plazmalemu iz apoplasta u simplast. KEMOSINTEZA (KEMOAUTOTROFIJA) Kemoautotrofi koriste za proizvodnju ATP-a anorganske spojeve kao izvor elektrona. Oni oksidiraju anorganske spojeve i tu energiju ugrade u ATP. Kemoautotrofi su uglavnom bakterije koje imaju enzime za oduzimanje elektrona iz supstrata poput dehidrogenaze amonijaka, dehidrogenaze nitrita... Dakle, kemoutotrofi različito mobiliziraju asimilacijsku snagu od fotoautotrofa dok je put ugljika više-manje isti.

1. Nitrifikacijske bakterije Striktni su aerobi, oksidiraju NH3, odnosno NH4

+ preko nitrita do nitrata. Pri tome ekološki usko surađuju dvije skupine: vrste roda Nitrosomonas (pretvaraju NH3 u nitrit) i vrste roda Nitrobacter (pretvaraju nitrit u nitrat). 2NH3 + 3O2 2NO2

- + 2H2O + 2H+ ΔG = -657kcal = -272kJ

61

2NO2- + O2 2NO3

- ΔG = -18??kcal = -758kJ Nitrosomonas, dakle, pribavlja supstrat za Nitrobacter. Nitrificirajuće bakterije pojavljuju se u tlu zajedno sa tzv. bakterijama truleži (amonifikacijske bakterije koje razgrađuju organske spojeve do NH4

+ ili NH3). Ove bakterije sprečavaju difundiranje NH3 u zrak.

2. Željezne i manganske bakterije Ferobacillus – ferokarbonat-oksid u ferikarbonat koji se katalitički cijepa na ferihidroksid: FeCO3 Fe2(CO3)3 Fe(OH)3 One oksidiraju Fe2+ (Mn2+) do Fe3+ (Mn3+). Fero-spojevi su topivi u vodi, feri-spojevi nisu topivi u vodi pa se takva sol zadržava u tlu.

3. Sumporne bakterije Nalaze se u barama s obiljem hranjivih tvari i stanica. One mogu oksidirati sumporne spojeve, npr. H2S do S2-, a pomoću vode i kisika S2- prevode do SO4

2-: 2H2S 2S2- + 2H2O 2S + 2H2O + 3O2 2H2SO4 Tu ubrajamo Thiobacillus, Thiothrix, Beggiata...

4. Bakterije prskavog plina (vodikove bakterije) Raširene su u tlu, fakultativni su autotrofi tj. mogu rasti i na organskim spojevima. Vrste roda Hydrogenomonas oksidiraju H2: H2 + 1/2O2 H2O ΔG = -57kcal = -289kJ

5. Metanske bakterije (Methanomonas) Bacillus methanicus i Bacillus metanomonas oksidiraju metan u CO, a potom taj CO ugljikmonoksidne bakterije prevedu u CO2: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Ove bakterije izgrađuju vlastiti ATP tako što elektrone preuzete iz supstrata transportiraju lancem sličnim dišnom lancu na kisik. Ako su uvjeti anaerobni, akceptor može biti SO4

2- ili NO3-. U njihovom su lancu

nađeni citokromi tipa c. Kemosinteza prethodi fotosintezi u evoluciji. Dok nije bilo fotokemijskog aparata asimilacija CO2 bila je moguća samo istovremeno s oksidacijom anorganskih ili organskih spojeva. Tek nakon formiranja redukcijskog mehanizma za transformaciju svjetlosne energije u kemijsku, mogla se asimilacija koristiti kao donor elektrona. Sada je redukcija CO2 i prevođenje u organske spojeve postala moguća bez ograničenja.

62

HETEROTROFIJA Budući da je ATP koji nastaje ili fosforilacijom kod fotoautotrofnih biljaka ili elektronskim transportom, pri oksidaciji anorganskih tvari kod kemoautotrofa potreban za redukciju CO2, mora se ATP potreban za ostale radne aktivnosti stanice dobaviti na drugi način. Osim toga, moraju autotrofne biljke biti u mogućnosti dobavljati energiju i u tamnom periodu. Te heterofilne biljke (kao i stanice mnogostaničnih fotoautotrofnih biljaka koje nemaju kloroplaste) upotrebljavaju kao polazni materijal za sintezu organskih staničnih komponenata kao i davaoce energije isključivo reducirane ugljikove spojeve koje u krajnju ruku preuzimaju od autotrofnih biljaka. Energija kod heterofilnih biljaka uvijek se osigurava oksido-redukcijskom reakcijom. Ovisno o konačnom akceptoru elektrona razlikujemo pri razgradnji glavna dva tipa disimilacije:

1. aerobna disimilacija – disanje 2. anaerobna disimilacija – vrenje

Prijelaz iz autotrofnog na heterotrofni način života nije oštar. Euglena gracilis ima fakultativnu heterotrofnost – ako je u tami hrani se heterotrofno, a na svjetlu je autotrofna i sposobna je hraniti se organskim spojevima kada ima razvijene kloroplaste. Unutar heterotrofnih biljaka razlikujemo saprofite koji organsku tvar uzimaju sa mrtvih supstrata i parazite koji iskorištavaju žive organizme. Ako organizam sposoban za fotosintezu treba razvitak još pojedine organske tvari izvana, govorimo o miksotrofiji. Ako heterotrofni organizam treba sasvim određene spojeve (faktore rasta kod mikroorganizama ili vitamini kod čovjeka) onda takav način života tj. prehrane zovemo auksotrofija. Saprofiti Njih nema među višim biljkama. Većinom su bakterije i gljive. Kao izvor ugljika mogu koristiti ugljikohidrate, masti, bjelančevine, alkohole, organske kiseline, anorganske tvari. Saprofiti često luče egzoenzime koji razgrađuju molekule (lignin, celuloza) do produkata koje mogu resorbirati. Primljeni se materijal uključuje u normalnu mijenu tvari. Mnoge saprofitske vrste svoje potrebe za dušikom podmiruju sa NH4

+ ili NO32-, a

neke sa N2. Tako npr. kvasci uspijevaju na podlozi sa NH4+, a Aspergillus niger

(crna plijesan) treba NO32- kao jedini izvor dušika.

Penicillium glaucum iz racemske smjese lijeve i desne vinske kiseline može uzimati samo desnu koja dolazi slobodna ili kao sol u mnogim plodovima. Sposobnost razgrađivanja pektina kod saprofitnih vrsta koristi se u tekstilnoj industriji – lan se smoči tako da bakterije razgrade pektin. Lacrymons razgrađuje celulozu, napada štokove i podove u starim kućama – vodu izlučuje gutacijom. Bakterije i gljive prevode organski materijal odumrlih organizama u anorganske spojeve (remineralizacija). Truljenje je, dakle, važan segment kružnog toka tvari. Truljenje se svodi uglavnom na djelovanje bakterija pri relativno visokoj vlazi zraka i ne u kiseloj sredini, a raspadanje na aktivnost gljiva koje mogu djelovati u sušim i kiselim uvjetima. Produkti mikrobne razgradnje su polazne supstance za nastanak humusa, ugljena i nafte.

63

Paraziti Organizme koji se u prirodi prehranjuju ili saprofitski ili parazitski zovemo fakultativnim parazitima, a one koji uvijek trebaju žive organizme kao domadare zovemo obligatni paraziti. U fakultativne parazite ubrajamo npr. bakterije uzročnike tetanusa, antraksa, kolere i tifusa (oni žive saprofitski u tlu i u vodi, a paraziti su u živom organizmu). Uzročnik difterije je obligatni parazit. Velike štete na kultiviranom bilju nastaju zbog gljivičnih oboljenja, npr. Puccinia graminis na žitaricama uzrokuje žitnu rđu. Do oštećenja domadara parazitima dolazi izlučivanjem otrovnih produkata, oduzimanjem tvari ili razaranjem tkiva. Parazitske bakterije i jednostanične gljive prodiru posve u organizme domadara, a više gljive samo djelomično; to im omogućuju egzoenzimi: kutinaza, celulaza ili pektinaza. U domadaru parazit intercelularno prodire u stanice pomoću haustorija (npr. rđe). Ektoparaziti su npr. Erisifaceae (pepelnice) – micelij im je na listu, a haustorije pružaju u tkivo i sišu hranjive tvari. Endoparaziti su npr. Plasmodiofora brassicae koja kroz korijenove dlačice ulazi u korijen. Imela (Viscum album) i stupnikovice su polunametnici – mogu vršiti fotosintezu ali anorganske tvari i vodu primaju pomoću haustorija iz ksilema domadara. Njihovi su domadari specifični (npr. imela na jeli, boru i bjelogorici). Imela ima plodove velike vitalnosti, vazdazelena je. Ona je epifit jer dolazi u krošnjama zbog svjetla. Da bi mogla ući vodu iz domadara mora imati vrlo jako transpiraciju. Nametničke biljke koje u određenom razvojnom stadiju ili doživotno nemaju listova moraju aktivno lučiti vodu vani kako bi održale potreban pad vodnog potencijala između domadara i sebe. Tu vodu luče preko vodnih žlijezda koje se nalaze na ljuskama rizoma. Takve su npr. Bartsia, Tozzia... Potpuno parazitske kritosjemenjače (holoparaziti) poput viline kose povezane su sa sitastim cijevima domadara kojima pomoću transfernih stanica (za primanje tvari) uzimalju asimilate. Vilina kosa nema listove i može čak i potpuno prekinuti vezu sa svojim korijenom (ukoliko ima listiće oni su blijedi i ne vrše fotosintezu pa sve crpi iz domadara). Potajnica (Lathrea squamaria) dolazi u grmlju, veže se na korijenje domadara i iz njega crpi hranu. Potpuni je parazit, nema klorofil. Stvara stapku i to sve hranom domadara. Simbioze Simbioze podrazumijevaju usko povezan zajednički život dva organizma različitih vrsta, a oba imaju neku korist. Tipična simbioza ostvarena je kod lišajeva – gljive i alge udružuju se u simbiozu u kojem gljiva stupa u odnos s algom na razne načine, djelomično pomoću haustorija. Alge provode fotosintezu, fiksaciju dušika. Gljive algama pribavljaju mineralne soli i vodu. Lišajevi mogu sadržavati i do 27 različitih rodova algi. Ako simbioza ima zelene i modrozelene alge (npr. lišaj Peltigera) gljiva tada od zelene alge prima šećerni alkohol, a od modrozelene alge glukozu. Obje skupine tvari gljiva (mikrobiont) preradi u manit (pričuvna tvar kod gljiva). Gljive algama pribavljaju mineralne soli i vodu. Bakterije roda Rhizobium žive saprofitski u tlu. Prodiru u tkivo kroz korijenove dlačice mahunarki i stvara se tzv. infekcijska nit koju domadar obavije celulozom. Stanice domadara počnu se intenzivno razmnožavati i rasti. Njihove jezgre

64

postaju tetraploidne (ako nisu već prije bile napadnute) i tako nastanu korijenski gomoljčići u kojima su bakterije koje su izašle iz infekcijske niti. Infekcija se izvan gomoljčića ne širi i bakterije postanu nepokretne (bakteroidi). One od domadara dobivaju ugljikohidrate, a daju mu produkte fiksacije atmosferskog dušika. Mikoriza je osobito snažna simbioiza nastala na temelju zajedničkog života korijena i gljiva u području rizosfere. Kod većine našeg šumskog drveća korijen je obavijen micelijima gljiva poput gustog pletera. Time micelij funkcionalno zamijeni korijenove dlačice. Gljive prodru u koru korijena (najviše do endoderme) i to na dva načina:

a) gusto obavijaju korijen izvana, a u unutrašnjosti korijena intercelularno rastu – ektotrofna mikoriza. Znači, tu hife ulaze u intercelularne prostore, ali ne i u stanice.

b) Hife ulaze u protoplaste stanica kore – to je tzv. endotrofna mikoriza

Ektotrofnu mikorizu ima mnogo naše šumsko drveće: bor, smreka, ariš, hrast... Drveće u mikorizi dobija dušik i fosfate pošto gljive učine humus pristupačnim, poboljšana je prehrana mineralnim solima i opskrba vodom. Gljive od domadara dobivaju ugljikohidrate. U gotovo svih vrsta orhideja srećemo endotrofne mikorize. Njihove sjemenke imaju malo rezervnih tvari pa za klijanje i razvoj trebaju simbiotske gljive. Gljive im dovode vodu i hranjive tvari, organski materijal. U odraslim orhidejama nalazimo u vanjskim stanicama kore korijena hife gljiva dok se u dubljim slojevima tkiva hife probavljaju ili puknu. Orhideje koje u izraslom stadiju nisu sposobne za fotosintezu (npr. Neottia nidus avis – kokoška) moraju tada parazitirati na gljivama. Karnivorne biljke Karnivorne biljke hvataju životinje i imaju klorofil pa su sposobne za fotosintezu. Samo ako hranidbenih tvari nema dovoljno (što je često u njihovim prirodnim staništima) one moraju hvatati životinje. U prvom redu one iz leševa kukaca dobavljaju dušik i PO4

3-. Drosera rotundifolia (rosika) ima na okruglim listovima sa širokom peteljkom tzv. tentakule. Njihove žljezdane glavice luče blistave kapljice ljepljivog sekreta koji mami male životinje – one se zalijepe na žlijezde i dok se koprcaju dotiču se sve više žlijezda – podraženi tentakuli savijaju se prema sredini lista i tentakuli tako obaviju insekta. Drosera kapensis ima duge listove sa lovkama. Središnji tentakul je radijalne građe i može se gibati u svim smjerovima (ovisno o tome gdje je kukac). To je usmjereno kemotropno gibanje – ako se glavica tentakula otkine on će se i dalje okretati prema kukcu. Postoje i žlijezde koje luče sekrete kako bi se probavio kukac. Kako se tentakul giba? Kada se stanice tentakula uzbude okreću se prema kukcu. Vaukole u stanicama se smanjuju tako što ispuste vodu u plazmu. Tonoplast se fragmentira i tako se sačuva njegova površina. Voda omogućuje sol-stanje plazme, a time i aktivnost enzima. Saarracenia ima list poput tuljka koji je metamorfiran u cijev s poklopcem (sprječava ulazak kiše i privlači životinje). Stjenke cijevi su glatke pa kukac ne

65

može izaći. Unutar cijevi je probavni sok u kojem se kukac udavi, a potom i probavlja. Dionaea muscipula – venerina muholovka ima na liski jako središnje rebro te 3 dlake poput čekinja. Kukac mora dva puta dotaknuti jednu od čekinja i ona ga u roku 0,02 sekundi zgnječi i ostane skupljena dok se kukac ne probavi. Kada kukac takne čekinju stvori se akcijski potencijal od +100mV (v=6-20cm/h). Taj potencijal ide prema bazi dlake i epidermom plojke ka središnjem rebru koje ima motoričke stanice – njih podraži akcijski potencijal – voda i mineralne tvari izlaze iz motoričkih stanica u intercelulare – turgor u motoričkim stanicama padne. Turgor izgube motoričke stanice sa gornje strane. Stanice u tkivu ovisne su i o turgoru susjednih stanica. δ = π – (P + A) A – turgor susjednih stanica Gornje stanice se žele proširiti i utječu na to da se donje skupljaju. Kako je peteljka dubokim urezom odijeljena od plojke, plojka se može brzo sklopiti. Nepenthes – vrčonoša ima plojku pretvorenu u šareni vrč. Gornji dio lista ima dugačku peteljku (kojom se vješa na druge biljke). U vrču su medne žlijezde i dlake koje strše prema unutra. One onemogućuju kukce da izađu vani. Mješinarke su prozirne i spljoštene, a lebde ispod površine vode. Tkivo im je pod određenom napetošću – kada kukac uznemiri čekinju poklopac se otvori prema unutra i struja vode unese kukca unutra. Voda se istisne vani (dobije se podtlak za hvatanje 2 račića). Kada cvatu, cvijet izbace vani u vodu, a u jesen stvaraju zelene pupove koji padaju na dno rijeke (da se ne zamrznu). KATABOLIČKI PROCESI To su oni procesi u kojima se organske tvari razgrađuju i pri tome se dio energije ugrađuje u stanični ATP, a dio se gubi kao toplina. Ovisno o konačnom akceptoru elektrona razlikujemo pri razgradnji dva glavna tipa disimilacije:

1. Aerobna disimilacija (disanje) – kisik je krajnji akceptor 2. Anaerobna disimilacija (vrenje) – organska molekula je akceptor

Oba reakcijska puta imaju neke identične stupnjeve. Zajednički reakcijski put vrenja i disanja vodi do piruvata (riječ je pritom o glukoznom vrenju i glukoznom disanju). RAZGRADNJA GLUKOZE DO PIRUVATA EMBDEN-MAYERHOFOV PROCES ILI GLIKOLIZA Slijed reakcija vodi kroz 11 enzimski kataliziranih stupnjeva od glukoze do piruvata. Taj se slijed odvija u citoplazmi stanice.

1. prvi stupanj – fosforilacija glukoze – ona primi fosfat iz ATP-a uz pomoć heksokinaze i nastane glukoza-6-fosfat

2. drugi stupanj – pomoću fosfoheksokinaze glukoza-6-fosfat se prevede u fruktozu-6-fosfat

66

3. treći stupanj – fruktoza-6-fosfat se fosforilira pomoću fosfofruktokinaze do fruktoza-1,6-bisfosfata

4. četvrti stupanj – enzim aldolaza cijepa fruktozu-1,6-bisfosfat na dvije trioze: dihidroksiaceton-fosfat i gliceraldehid-fosfat

5. peti stupanj – gliceraldehid se fosforilira u 1,3-bisfosfoglicerinsku kiselinu. Enzim gliceraldehid-fosfat-dehidrogenaza uzima 2H+ i stvara se energijom bogata veza. Od 1,3-bisfosfoglicerinske kiseline nastaje 1,3-bisfosfogliceraldehid

6. šesti stupanj – 1,3-bisfosfogliceraldehid preko enzima fosfoglicerat-kinaze veže fosfat iz nekog supstrata i preda ga ADP-u. Nastane ATP i 3-fosfoglicerat

7. sedmi stupanj – 3-fosfogliceratu se pomoću mutaze premjesti fosfat na drugi C-atom i nastane 2-fosfoglicerinska kiselina.

8. osmi stupanj – enzim enolaza oduzima vodu 2-fosfoglicerinskoj kiselini i nastane 2-fosfoenolpiruvat

9. deveti stupanj – piruvat-kinaza skida i posljednji fosfat i veže ga na ADP pa nastane ATP. Kada je piruvat-kinaza odnijela fosfat ostao je enol-piruvat

10. desti stupanj – enol-piruvat prelati u keto oblik (pirogrožđana kiselina) Put razgradnje glukoze do piruvata sadrži dva identična oksidacijska stupnja, po jedan za svaku triozu. Pri ta dva stupnja svake trioze, dakle ukupno 4 reakcije nastaje ATP (postanak ATP-a prilikom razgradnje glukoze nazivamo fosforilacija supstratnog lanca). U anaerobnim uvjetima piruvat ide u vrenje, a u aerobnim ide u mitohondrije gdje će biti iskorišten u procesu disanja.

67

DISANJE U aerobnim uvjetima se iskorištava energija koja je još sadržana u piruvatu, a regenerira se također i NAD+ iz NADH + H+ uz proizvodnju ATP-a. Kod eukariota se ti procesi odvijaju u matriksu mitohondrija. Pretvorba piruvata teče kroz tri stupnja:

1. nastajanje acetil-CoA 2. krebsov (citratni) ciklus 3. elektronski transport u dišnom lancu

Ad.1 Nastajanje acetil-CoA Najprije se piruvat oksidativno dekarboksilira. Pri tome nastali acetat ne postoji u slobodnom obliku već kao acetilni ostatak vezan na CoA. Acetil-CoA predstavlja „aktiviranu HAc“ koja se preradi u citratnom ciklusu, ali služi i kao sastavni dio za brojne sinteze. Do acetil-CoA razgrade se, osim šećera i masne kiseline. Ad. 2 Citratni ciklus (Krebs-Martius ciklus) Oksalna kiselina veže se sa acetil-CoA i pomoću citrat-sintaze nastane citronska kiselina. Pod utjecajem cis-akonitaze nastane izocitronska kiselina. Ona se oksidira pomoću dehidrogenaze koja ima NAD+ kao koenzima i uzima 2H+. Produkt je NADH+ + H+ te oksal-jantarna kiselina. Oksal-jantarna kiselina se dekarboksilira i nastane α-ketoglutarna kiselina koja se dekarboksilira i oksidira (tj. gubi 2H+ i CO2). Nastane sukcinil-CoA i NADH+ + H+. Sukcinil-CoA je tioesterska veza bogata energijom. Energija tioesterske veze konzervira se u ATP-u. To stvaranje ATP-a nazivamo fosforilacija supstratnog lanca. Od sukcinil-CoA je nastao sukcinat koji se preko sukcinat-dehidrogenaze pretvara u fumarat. Vodik pri oksidaciji sukcinata (jantarna kiselina) oduzima FAD koji prelazi u FADH2. Fumaratu se ugradi molekula vode i nastane malat. Malat (jabučna kiselina) se oksidira, a vodik oduzme NAD+ (postane NADH+ + H+), a od malata preostane oksaloctena kiselina. Time je krug zatvoren. U ciklusu se, dakle, razgradio acetilni ostatak, a ujedno se i elektronski parovi prenose na primaoce (elektroni su iz H+, a H+ je prihvaćao NAD+). Enzim sukcinat-dehidrogenaza sadrži kovalentno vezani koenzim flavin-adenin-dinukleotid (FAD) koji preuzima elektronski par i uključuje ga u dišni lanac. Ad. 3 Elektronski transport u dišnom lancu Elektroni velikog negativnog redoks potencijala (-32V) koji su pomogli nastajanje piruvata, oksidativne dekarboksilacije piruvata i u citratnom ciklusu preuzeli FAD i NAD+, prolaze sada kroz lanac zvan dišni lanac na čijem je kraju kisik. Energija koja se oslobodi pri tom toku elektrona ponovno se upotrebljava za izgradnju ATP-a (oksidativna fosforilacija). Članovi dišnog lanca su oksidoreduktaze čiji je poredak u dišnom lancu ovisan o njihovom potencijalu i čiji su koenzimi: NAD+, flavoproteidi, kinon (koenzim Q), citokromi i membranski željezo-proteini. Apoenzimi su čvrsto vezani na unutrašnju mitohondrijsku membranu, a piridin-nukleotid dehidrogenaze ovdje omogućuju prijelaz elektrona od otopljenih organskih spojeva na redoks sisteme vezane za membranu. Citokromi prenose samo elektrone, a ostale redoks supstancije provode dalje 2e- i 2p+ po molekuli.

68

Prijelaz elektrona od NADH + H+ na kisik je jako egzergoni proces. Energija za taj proces oslobađa se u dišnom lancu „dozirano“ u tri stupnja od kojih je svaki dovoljno egzergon da dade energiju za 1 ATP. Dakle, od 1 NADH + H+ dobit će se 3 ATP. Pri prijelazu elektrona od FADH2 do kisika biti će dva stupnja, pa stoga dobijemo i 2 ATP-a. U prvom stupnju se 2H+ sa NADH + H+ predaju FMN-proteinu (flavin-mononukleotid) koji postane reducirani FMNH2. Potom se vodici prenose na koenzim Q. U drugom stupnju sa koenzima Q odlaze 2H+ u međumembranski prostor mitohondrija, a 2e- idu do citokroma b, a od citokroma b 2e- idu do citokroma c. U trećem stupnju 2e- sa citokroma c idu na citokrom a, a potom na citokrom a3. 2e- sa citokroma a3 idu na molekularni kisik koji postaje negativan i sa H+ daje vodu.

1. NADH2 dehidrogenaza kompleks 2. citokrom b1c1 kompleks 3. citokrom-oksidaza kompleks

Nastanak ATP-a oksidativnom fosforilacijom Prema hemiosmotskoj hipotezi prilikom prijenosa elektrona na FMN (pa na FeNH) oslobađa se energija koja se koristi za transport protona u međumembranski prostor. I energija oslobođena pri daljnjem toku elektrona koristi se za transport protona u međumembranski prostor. Stvara se protonski gradijent, stvori se jaki potencijal i tu je deponirana energija. Onda će protoni biti vučeni potencijalom i prolazit će kroz ATP-aze. Energija toka elektrona veže se na ADP i nastaje ATP – ovakav postanak ATP-a neki nazivaju i oksidativna fosforilacija. Vodici sa NADH + H+ se u mitohondrije ubacuju preko nosača gdje ih prihvaća NAD+ ili FAD. Brzina elektrona može se regulirati jer na brzinu utječe protonski gradijent: što je on veći, elektroni sporije teku duž dišnog lanca. Ako je protona malo, stvara se malo ATP-a, nužan je brz transport elektrona. U sjemenkama ricinusa se oslobađa HCN koji spriječi transport elektrona na kisik – ne stvara se ATP pa se sva energija oslobodi kao toplina (brzina elektrona je velika jer se protonski

69

gradijent smanji, a zbog velike brzine elektrona energija se gubi kao toplina). Vidimo da je HCN otrovan za dišne procese. Osim HCN postoje i druge tvari koje prekidaju ovu spregu. Zovemo ih prekidači, a to su amitol, antimicin (onemogućuje prijenos elektrona sa citokroma b1 na citokrom c1), sumpor, kobalt (onemogućuje prijenos elektrona sa citokroma c3 na kisik). Prekidačima poput dinitrofenola, arsenata, oligomicina, NH4+ i detergenata se transport elektrona ne zaustavi ali se ATP ne sintetizira. Dinitrofenol može kao deprotonirani oblik (u matriksu) ići u međumembranski prostor gdje se veže za proton i vrati nazad; on ruši protonski gradijent (može prolaziti bilo kuda kroz membranu, a ne kroz ATP-aze). Iskorištenje ATP-a pri potpunoj biološkoj oksidaciji 1 molekule glukoze

ETAPA KONAČNA OKSIDACIJA Razgradnja glukoze do piruvata

1. 3-fosfogliceraldehid 1,3-dofosfoglicerat 2. 1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat

2NADH + H+ 6ATP 2ATP–fosforilacija supstratnog lanca

Postanak acetil-CoA 2NADH + H+ 6ATP Citratni ciklus

1. izocitrat α-ketoglutarat 2. α-ketoglutarat sukcinil-CoA 3. sukcinil-CoA sukcinat 4. sukcinat fumarat 5. malat oksaloacetat

2NADH + H+ 6ATP 2NADH + H+ 6ATP 2ATP–fosforilacija supstratnog lanca 2FADH2 4ATP 2NADH + H+ 6ATP

Redukcijski ekvivalenti citoplazmatski nastalog NADPH + H+ prenose se u mitohondiju pomoću nosača i pri tome ih preuzima FAD

Ukupno: 36ATP = 1368kJ = 324kcal

Jedan mol glukoze pri potpunoj oksidativnoj razgradnji daje 36 mola ATP-a. U staničnim uvjetima to bi bilo 1368kJ ili 324kcal. Respiracijski (dišni) kvocjent Različitim dišnim supstratima potrebne su za potpuno prevođenje CO2 različite količine O2. Odnos volumena imzmeđu nastalog CO2 i utrošenog O2 izražava se kao dišni kvocjent: RQ = CO2 / O2 Ako u manometar stavimo sjemenke pšenice (imaju šećer) i začepimo manometar te napunimo vodom (ako su sjemenke proklijale obložimo manometar staniolom – sprečavamo fotosintezu). Razina vode ostat će ista jer je nCO2 : nO2 = 6 : 6 = 1 : 1. C6H12O6 6CO2 + 6H2O RQ = 6CO2 / 6O2 = 1 Ako uzmemo sjemenku koja sadrži masti, a one imaju puno H2, manometar će pokazati smanjeni volumen – više O2 se utroši nego se CO2 izluči. 5O2 + CH3CH2CH2COOH 4CO2 + 4H2O

70

RQ = 4CO2 / 5O2 < 1 (za masti RQ je 0,7) Za aminokiseline: RQ = izlučeni CO2 / utrošeni O2 > 1 Može se dogoditi da dišni proces ne teče do kraja, da se na piruvat veže CO2 pa se dobije oksaloacetat. Dolazi do vrenja, a ne do disanja jer ima previše H2O. VRENJE Kao supstrati za vrenja služe redovito heksoze i to većinom glukoza. No, neke bakterije mogu vrenjem razgraditi pentoze, masne kiseline ili aminokiseline. Rekli smo da je zajednički put glukoznih vrenja i glukoznog disanja razgradnja glukoze do piruvata.

1. alkoholno vrenje C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 - bruto jednadžba alkoholnog vrenja Kako se piruvat prevede u alkohol?

71

Piruvat se dekarboksilira u acetaldehid koji se reducira u etilni alkohol. Stvore se samo 2 ATP-a. Etanol se kao konačni produkt razgradnje glukoze javlja kod kvaščevih gljivica, kod bakterije Pseudomonas lidneri, u tkivima nekih viših biljaka (npr. sjemenkama graška) ukoliko postoji manjak O2. Kvasci, da bi zadovoljili potrebe za ATP-om mogu preraditi velike količine šećera kako bi dobili dovoljno ATP-a. Osim etilnog alkohola postoje i međuprodukti: izopropanol, butanol, amilni alkohol.

2. mliječno-kiselinsko vrenje C6H12O6 2CH3-CHOH-COOH - mliječna kiselina Ova anaerobna razgradnja javlja se u životinjski mišićima ali i kod Streptococcus lactis (upotrebljava se za pripremu jogurta), Lactobacillus delbrueckii. I ovdje se dobiju 2 mola ATP-a po molu glukoze. Kao međuprodukt može nastati i malo octene kiseline.

3. octeno vrenje Ovo ustvari nije vrenje, ali se tako po tradiciji zove (nije vrenje jer zahtijeva kisik) C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O Polazna tvar je etanol, a produkt je octena kiselina. Kada se vrši oksidacija pomoću kisika, onda je energija jako velika (kao ovdje). Ovu reakciju provode npr. vrste roda Acetobacter (za proizvodnju vinskog octa). Ponekad se mogu naseliti bakterije koje koriste octenu kiselinu za anaboličke procese pa od HAc-a nastane voda.

72

GLIOKSILATNI CIKLUS Ovaj ciklus služi uglavnom za pretvorbu masti u ugljikohidrate. Masti se u citoplazmi nalaze u vidu kuglica. Pod djelovanjem lipaza masti se razgrade na glicerol i masne kiseline. Glicerol se prevodi u dihidroksiaceton-fosfat. Masne kiseline moraju prije razgradnje biti aktivirane u reakciji kinazom, pri tome se acilni ostatak prenosi na Co-A. Za prvi sljedeći stupanj dehidratacije koji katalizira enzim acil-dehidrogenaza potreban je FAD kao primalac vodika, a za drugi stupanj NAD+ (koenzim enzima hidroksiacil-dehidrogenaze). U posljednjem stupnju tioklasičnim cijepanjem se odvoji acetil-CoA od masne kiseline – to je bila β-oksidacija masnih kiselina. Ova se β-oksidacija odvija u mitohondrijima, onda se acetilni ostatak potpuno razgradi u citratnom ciklusu. No, β-oksidacija u mitohondriju ima malo značenje u usporedbi s onom u glioksisomima. U glioksisomima (mikrotjelešca sa jednom ovojnicom) se masne kiseline razgrade do acetil-CoA kao i u mitohondrijima. Enzimi za taj proces lokalizirani su u membrani glioksisoma. Ti se acetilni ostaci dovode do citratnog ciklusa u mitohondiju. Unutarnja membrana mitohondrija nepropusna je za acetil-CoA pa mora već u glioksisomima nastati transportni metabolit, a to je sukcinat. On nastaje oksidativnom kondenzacijom dvaju acetilnih ostataka. Sukcinat napušta glioksisom i u mitohondriju se kroz nekoliko stupnjeva citratnog ciklusa prevede u malat. Malat može proći kroz mitohondrijsku membranu i ići u citoplazmu gdje tvori supstrat glukoneogeneze. Ciklus glioksilne kiseline služi, dakle, pretvorbi masti u ugljikohidrate: najprije se acetil-CoA veže za oksaloacetat i nastane citrat; citrat ide u izocitrat; pod djelovanjem izocitrat-lijaze nastane glioksilna kiselina; pod djelovanjem malat-sintetaze nastane malat (glioksilna kiselina veže se sa acetil-CoA); malat uz enzim malat-dehidrogenazu (ima koenzim NAD+) ide u oksaloacetat – time je krug zatvoren. FADH2 nastao pri β-oksidaciji masnih kiselina oksidirao se, vjerojatno pomoću O2 iz zraka, u H2O2 kojeg katalaza cijepa na H2O i 1/2O2. NADH + H* vjerojatno se premješta u mitohondrij gdje se koristi u glukoneogenezi ili oksidativnoj fosforilaciji. Glioksilatnim ciklusom koriste se i bakterije, gljive, alge kako bi iz acetata kojeg su primile iz medija proizvele ugljikohidrate.

73

GLUKONEOGENEZA Iz malata ili oksalacetata nastaju heksoze. Prvi stupanj je nastajanje fosfoenol-piruvata iz oksalacetata (enzim koji omogućava tu reakciju je PEP-karboksilaza). Ne zna se je li taj enzim u biljkama lociran u mitohondriju ili u citoplazmi. Ako je lociran u mitohondriju, tada bi PEP napustio mitohondrije te se u citoplazmi dalje prerađivao. Ako je PEP-karboksilaza locirana u citoplazmi, tada bi iz mitohondrija u citoplazmu išao malat. Malat bi malat-dehidrogenaza pretvorila u oksalacetat i on bi išao u PEP. Kada je nastao, PEP se prevodi u fruktozu-1,6-.bisfosfat. Uz enzim fruktoza-bisfosfatazu, fruktoza-1,6-bisfosfat ide do fruktoze-6-fosfata. Fruktoza-6-fosfat pomoću fosfoglukoizomeraze ide u glukozu-6-fosfat koja se većinom preradi dalje (npr. u OPPC-u). Glukoza-6-fosfat tako može prijeći u 6-fosfoglukonat pa u ribulozu-5-fosfat pa ribozu-5-fosfat te pomoću transketolaza i transaldolaza u razne šećere sa 3, 4, 5, 6 i 7 C-atoma pa do gliceraldehid-3-fosfata i fruktoza-6-fosfata. Mobilizacija pričuvnih ugljikohidrata Pri razgradnji škroba sudjeluju ovi enzimi:

1. α-amilaza - cijepa α-1,4-vezu u unutrašnjosti poliglukona. U viših biljaka nalazi se u kloroplastima; imaju je i bakterije, gljive i životinje

2. β-amilaza - cijepa nereducirajući kraj poliglukana i svaku drugu α-1,4-vezu nakon nje te oslobađa maltozu. Imaju je samo biljke.

3. R-enzim - hidrolizira α-1,6-veze (mjesto račvanja) 4. fosforilaza škroba – prenosi glikozilni ostatak na anorganski fosfat uz

istovremeno nastajanje α-glukoza-6-fosfata Zajedničkim djelovanjem ovih enzima škrob se može prevesti u glukozu i glukozu-1-fosfat. I pri mobilizaciji glikogena (pričuvni ugljikohidrat gljiva) sudjeluje jedna fosforilaza (glikogen-fosforilaza). Ona ne može cijepati ni zaobići α-1,6-veze pa mjesta razgranjenja hidrolizira u gljiva enzim amilo-1,6-glukozidaza. Mobilizacija pričuvnih proteina Mnoge sjemenke uskladištuju proteine kao rezervne tvari. Tako embrio u prvim fazama razvoja može biti neovisan o egzogenom dovodu dušika. Pričuvne proteine žitarica dijelimo na:

1. Prolamine – topivi u alkoholu 2. Gluteline – topivi u lužinama ili kiselinama

Većina pričuvnih proteina drugih biljaka pripada globulinima (netopivi su u destiliranoj vodi, topivi su u razrjeđenim otopinama soli); postoje i albumini (topivi u vodi bez soli). Biljni proteini u stanicama lokalizirani su vjerojatno u vlastitim proteinskim tjelešcima obavijenim membranama. Različiti enzimi cijepaju proteine:

1. Aminopeptidaze – napadaju N-terminalni kraj proteina 2. Karboksipeptidaze – napadaju C-terminalni kraj proteina 3. Endopeptidaze – cijepaju unutarnje molekule

74

Krajnji produkt hidrolize proteina su aminokiseline koje mogu biti izgrađene kroz nekoliko stupnjeva. Čini se da je kod biljaka važna α-ketoglutarna kiselina/glutaminska kiselina. Aminokiseline se kod bakterija i gljiva često prevode karboksilacijom u amine (rijetko kod viših biljaka). CVJETNI PIGMENTI Razlikujemo himokrome (u vakuolama), plazmokrome (u plastidima) te membranokrome (u membranama). Himokromi Modre, ljubičaste i grimizno-crvene boje cvjetova i plodova potječu u pravilu od antocijana koji su topljivi u vodi. Žute boje mogu potjecati od blijedo-žutih antoksantina (topivi u vodi) ali i od plazmokroma (topivi u mastima). Ta, u mastima topiva, bojila nazivamo još i lipokromi. Najvažniji antocijanidini su:

1. Pelargonidin – Pelargonium, Dahlia, Papaver rhoeas 2. Cijanidin – crvena boja – Rosa, Pulmonaria, Centaurea 3. Peonidin – Paeonia 4. Delfinidin – modra boja – Delphinium, sljez 5. Petunidin – Petunia, Primula 6. Enidin – ljubičasta boja – egzokarp boba grožđa 7. Malvidin – grimizno-crveni – Petunia, Malva

Često u jednom cvijetu nalazimo nekoliko pigmenata. Tako, npr. mačuhice u epidermi nnose antocijane, u subepidermi karotene. Ponekad u biljkama u istim stanicama nalazimo nekoliko članova antocijanida s različitim stupnjevima glukozilacije – bez šećera su antocijanidi, sa šećerom su antocijani. Antocijan je crven u kiselini, a u pH=7 je crveno-ljubičast, a u lužini je plavi – do plavog obojenja dolazi ako se šećeri vežu na položaj 3 i 5 u molekuli antocijana. To znači da je pH lužnat ako je boja cvijeta i ploda plava. To može bit posljedica vezanja Fe ili Mg. Često antocijani sa dvovalentnim ionima daju helatne komplekse. Razaranjem kompleksa kiselinama oslobađaju se npr. crvene molekule cijanida modrih cvijetova različka. Izdašnim gnojenjem aluminijskim solima moguće je ružičasto-crvene cvijetove hortenzija obojiti modro. Žuti pigmenti antoksantini predstavljaju najčešće oksidacijske produkte antocijanidina. Žuta boja može potjecati i od karotena (Ranunculus). Da li žuta boja potječe od antoksantina možemo dokazati dimom cigarete (tj. amonijakalnim parama) – žuta boja posmeđi. Bijeli cvijetovi sadrže bezbojne leukoantocijanide koji katkad dodatkom kiseline posmeđe. Bijela boja može nastati i kao rezultat refleksije upadne svjetlosti. U jesen listovi pocrvene – to je zbog toga što list fotosintetizira i ne može se vršiti transport šećera koji onda potiču stvaranje antocijana (rado se za njih vežu). Kopriva može biti crvena sa donje strane jer je, ako je tlo hladno, otežano primanje nitrata i fosfata – stvaraju se antocijani. U cikli se stvara β-cijanidin (β-nidin) koji požuti u lužini. To je spoj koji ima dušik, a antocijani nemaju dušik. Ovisno o radikalima koji se vežu na R položaj, dobivamo različite pigmente: β-nidin, amarantin, indoksantin. Postoji bijeli pigment betulin (u stanicama bijele

75

brezine kore). Crvena boja listova crvene bukve, crvene lijeske potječe od crvenog antocijana u kožnom tkivu i zelenog klorofila u onom tkivu koje je ispod kožnog. FIZIOLOGIJA RAZVOJA Kormus kritosjemenjača može sadržavati više od 70 vrsta stanica koje možemo razlikovati. Sve one nastaju od embrionskih stanica meristema koje, prema tome, imaju gensku potenciju da ostvare mnogolike oblike s odgovarajuće različitim funkcijama. Pri staničnoj diferencijaciji ne gubi se ni jedna genetska informacija, ne dobijaju nikakve nove nasljedne osobine i ne nastaju nove kvalitativne promjene genoma. Stoga kao mogućnost tumačenja mnogolikih diferencijacija postoji pretpostavka da se prema specifičnim endogeno i egzogeno određenim uvjetima može razne dijelove svoje cjelokupne genetske informacije opozvati. Ako se pri diferencijaciji neke meristemske stanice oslobodi neka određena grupa gena nastane članak sitaste cijevi ili, ako se transkribira neka druga grupa gena nastane npr. epidermska stanica. Glavni problem fiziologije razvoja je odgovor na pitanje: koji je uzrok aktiviranju i inaktiviranju gena i kako su oni pomoću unutarnjih i vanjskih čimbenika smišljeno regulirani da nastane funkcionalno sposoban organizam prilagođen okolišu i dorastao selekcijskom pritisku? Postoje:

1. aktivni geni – aktivni su prije i poslije djelovanja čimbenika 2. pasivni (inaktivni) geni – inaktivni su djelovanjem čimbenika 3. potencionalno aktivni geni – prije djelovanja čimbenika su inaktivni, a

nakon djelovanja postaju aktivni 4. potencionalno inaktivni geni – prije djelovanja čimbenika su aktivni, a

nakon djelovanja postaju inaktivni FIZIOLOGIJA MIJENE OBLIKA INTERCELULARNA REGULACIJA RASTA I DIFERENCIJACIJE – FITOHORMONI Kod biljaka ne postoji nervni sistem pa se koordinacija među stanicama zbiva kemijskim putem i to hormonima. Oni su djelotvorni u neznatnim količinama, a mjesta postanka i djelovanja su im različita. Kod fitohormona razlikujemo one koji pospješuju (auksini, giberelini, citokinini) i one koji koče (apscizinska kiselina, etilen). Auksini – su tvari koje u niskim koncentracijama (<0,001mol) pospješuju produženo rastenej izdanka i koče rast korijena u dužinu. Oni nisu definirani po strukturi već po djelovanju. Najvažniji prirodni predstavnik je β-indoliloctena kiselina (IAA). Glavnim mjestima nastanka IAA u višim biljkama smatraju se embrionalna tkiva (vegetativni vršci, meristemi, embriji) te fotosintetizirajući

76

organi (zeleni listovi). IAA može biti obilno prisutna u spremišnom tkivu (npr. u endospermu, supkama). U starim listovima je ima manje pa oni opadaju (i plodovi). IAA se transportira floemskim transportom. Djelovanje – inhibira rast bočnih ogranaka (apikalna dominacija – vrh dominira u odnosu na postrane pupove). Osim floemom, IAA se može transportirati i parenhimom (tada je transport polaran – potrebni su nosači energije). U izdancima se kreće bazipetalno, a u korijenu akropetalno. IAA djeluje i na produženi rast. Sintetski auksini se koriste u poljoprivredi. Neke biljke pokazuju da IAA djeluje samo kao izazivač specifične reakcije, ali to ovisi o stanju diferencijacije stanica, tj. o uzorku aktivnih gena i gena koji se mogu aktivirati i inaktivirati. Giberelini – pripadaju diterpenima. Imaju karakteristični gibanski prsten u molekuli. Giberelin koji je posebno aktivan je giberelinska kiselina (GABA). Najčešće u nekoj biljci ima više raznih giberelina (u grahu ih ima 7). Giberelini u višim biljkama nastaju u prvom redu u tkivima koja rastu, npr. u meristemima izdanaka i korijena, u nezrelim sjemenkama i plodovima, mladim listovima. Osim slobodnih giberelina pojavljuju se i giberelinski glikozidi. Transport giberelina kroz parenhim većinom je nepolaran (ukoliko je polaran potrebna je energija), a mogu se transportirati i floemski, ali i ksilemom. Imaju mnogostruko djelovanje – najbolje je proučen njihov efekt na sintezu enzima koji metaboliziraju pričuvne tvari u aleuronskom sloju zrna žitarica; pomoću njih se dobiju partenokarpni plodovi (rajčica, jabuka); mogu nadoknaditi djelovanje vanjskih faktora (temperatura, svjetlost). Većina efekata giberelina svodi se na pospješivanje stanične diobe ili produženog rasta stanice, pospješuje klijanje zrna žitarica, stvaranje cvijeta. Citokinini – kinetin, zeatin – induciraju staničnu diobu. Oni sadrže adenin na čijoj se aminoskupini na poziciji 6 nalazi nepolarni lanac. Općenito pospješuju mijenu tvari, u prvom redu sintezu DNA, RNA i proteina. Izvana primijenjen citokinin spriječava starenje (senescenciju) odrezanih listova. Transportiraju se floemom i ksilemom. U nekim slučajevima citokinini pospješuju produženo rastenje stanica (npr. listova) i klijanje sjemenke; često djeluju suprotno od IAA – pospješuju razvitak postraničnih pupova. Apscizinska kiselina (ABA) – suprotno auksinima, giberelinima i citokininima, apscizinska kiselina većinom koči mijenu tvari i rastenje. Osim u slobodnom obliku, ABA se pojavljuje i kao glukozid koji je fiziološki neaktivan i predstavlja pričuvni oblik ABA. U mnogim algama i petenjarkama ABA nije pronađena, ali je nađen drugi inhibitor – lunularna kiselina. Kod viših biljaka pojavljuje se ABA u pupoljcima, listovima, gomoljima, sjemenkama, plodovima. Najveća koncentracija ABA je pronađena u mezokarpu plodova avokada. ABA se transportira floemom i ksilemom i kroz parenhim. Mladim lisnim peteljkama i internodijima transport kroz parenhim je usmjeren prema dolje, ali se u starijima odvija akropetalno. ABA izaziva stadij mirovanja, pospješuje opadanje listova i plodova, u sjemenci ABA koči klijanje. Pri pomanjkanju vode ili pod djelovanjem drugih stresova, u listovima mnogih biljaka povisi se koncentracija ABA i izazove zatvaranje puči, povišenje sadržaja prolina i kočenje transpiracije. Visoke koncentracije ABA u sočnom dijelu ploda povezuju se s regulacijom zriobe i opadanja ploda.

77

Etilen – H2C=CH2 – plinoviti spoj, može djelovati i kao feromon - djeluje i na susjedne biljke (iste ili druge vrste). Sintezu stimuliraju npr. ekstremne temperature, infekcije, suša, ozljede. Transport etilene odvija se kroz intercelulare, eventualno i kroz ksilem i floem. Izlučuje se u zrelim plodovima. Pospješuje opadanje listova, koči polarni transport IAA i sintezu IAA. Led – većinom nastaje u staničnim stjenkama ili u intercelularima. Iskristalizirani led oduzima susjednim protoplastima vodu i djeluje kao isušenje. Preostala nesmrznuta voda sadrži visoke koncentracije osmotski aktivnih tvari te inaktivira membranski vezane enzime ili dovodi do denaturacije Oštećenje vrućinom – nastaje zbog denaturacije proteina (ako nije riječ o sušenju). Većina proteina denaturira se na 60 °C. Mnoge biljke mogu preživjeti ekstremne temperature (temperaturna rezistencija) što zahtijeva prilagođenost: često je u pitanju sposobnost protoplazme da sadrži ekstremne vrijednosti posebnih tvari (aminokiselina, šećera, šećernih derivata) jer se čini da oni štite membranske sisteme te spriječavaju ireverzibilni lom njihove strukture pri dehidraciji. Od utjecaju koje izaziva temperatura a biljni razvitak osobito su značajni prekid mirovanja sjemenki i pupova te indukcija stvaranja cvijeta. Klijanje sjemenki (stratifikacija) – pospješuje niska temperatura. Kod niza zeljastih i drvenastih biljaka niske temperature mogu sjemenku učiniti propustljivom, izazvati djelovanje hormona, sniziti sadržaj apscizinske kiseline. Indukciju cvijetova – djelovanjem određene temperature zovemo vernalizacija. Prilikom nastajanja cvijetova svjetlost i hladnoća igraju glavnu ulogu. Kod biljaka koje za indukciju cvijetova trebaju hladnoću mjesto primanja podražaja hladnoće može biti apikalni meristem (kod olistalog stadija) ili embrij u sjemenci. Povišenje temperature poništava vernalizaciju i to je tzv. devernalizacija. DJELOVANJE SVJETLOSTI NA RAST I RAZVITAK Fotomorfoze – svjetlošću inducirane promjene oblika. Mogu se pojaviti i kod biljaka i biljnih dijelova koji nisu fotoautotrofni. Kultiviramo li npr. biljke iste genetske konstitucije pod inače jednakim uvjetima i pri dostatnoj prehrani s jedne strane na svjetlosti, a s druge strane u tami, tada kod biljaka u tami nastaju karakteristične promjene koje nazivamo biljnim bljedilom ili etiolmanom. Kod dvosupnica postaju internodiji, a često i lisne peteljke vrlo dugački, dok lisne plojke ostaju rudimentarne, a najčešće izostaje i sinteza pigmenta (klorofila, karotinoida, antocijana). Nježnost etioliranih izdanaka poznata je npr. kod šparoge. Kod nekih jednosupnica ne produžuju se toliko osi izdanka koliko listovi. Od fizioloških značajki kod proklijalih izdanaka treba spomenuti slabo izražen negativni geotropizam i jaku izraženost pozitivne fototropske osjetljivosti. Ekološka korisnost tih etiolmana je u tome što biljke u tami (npr. u tlu i pukotinama stijena) mobilizira sve raspoložive tvari da bi asimilacijske organe dovele do svjetlosti. Već dnevno osvjetljenje od nekoliko minuta uzrokuje da razvitak krene u smjeru oblikovanja normalnog oblika (deetioliranje) i dolazi do redukcije rastenja internodija, rastenja lisnih plojki, sinteze bojila, odrvenjavanja, oblikovanja provodnih snopića itd...

78

Među fotomorfizmima možemo razlikovati:

- fotodiferencijacije – ireverzibilne promjene inducirane svjetlošću, npr. otvaranje hipkotilne kuke

- fotomodulacije – potpuno reverzibilne promjene, nakon prestanka djelovanja svjetlosti vraća se biljka ili organ u početno stanje

Fotomorfoze su ovisne o raznim usmjerujućim pigmentima. Kod svih zelenih ili potencijalno zelenih biljaka fitokrom je općenito rasprostranjen te predstavlja mjerodavan pigment za percepciju svjetlosnog podražaja i fotomorfogenezu koja iz toga rezultira. Utvrđeno je da fitokrom postoji u dva relativno stabilna oblika koji u fitokemijskim reakcijama prvog reda (tj. kada je brzina reakcije proporcionalna koncentraciji samo jedne reagirajuće vrste) mogu reverzibilno prelaziti jedna u drugoga. R označava fiziološki neaktivan oblik fitokroma koji apsorbira svjetlocrvenu svjetlost (SC) i pojavljuje se isključivo u tami. F je fiziološki aktivan oblik pigmenta koji apsorbira tamnocrvenu svjetlost (TC). SC prevodi R u F, a TC F u R. Fitokrom je kemijski kromoprotein čija je kovalentno vezana kromoforna skupina otvoreni lanac tetrapirola. Mnoga djelovanja fitokroma protumačena su njegovim diferencijalnim aktiviranjem gena, npr. pokretanje čitavih lanaca sinteza indukcijom enzima koji u njima sudjeluju. Međutim, u nekim slučajevima djelovanje fitokroma se ne može svesti na diferencijalno aktiviranje gena. To vrijedi za npr. usmjeravanje gibanja listova ili za brže promjene membranske permeabilnosti. Utjecaj svjetlosti na dorziventralnost – mnogi dorziventralni listovi bjelogorice pokazuju veliku ovisnost s obzirom na anatomsku građu o iskorištenju svjetlosti. Listovi sunca (vanjskog dijela krošnje) na sunčanoj južnoj strani obično imaju više palisadne stanice (katkad čak i u više slojeva koji su jedni iznad drugih) nego listovi sjene u unutrašnjosti krošnje ili na sjevernoj strani. Svjetlost može utjecati i na oblik listova i izdanaka. Campanula rotundifolia razvija npr. samo pri slaboj svjetlosti okruglaste, a pri jakoj svjetlosti uske listove. Djelovanje sile teže Sila teža uvjetuje geomorfoze. Ona suodređuje polarnost i dorziventralnost mnogih organa. Pri tome istovremeni utjecaj većinom prekriva djelovanje sile teže. Pod djelovanjem sile teže nastaje npr. dorziventralnost grana tise i jele, dorziventralnost cvjetova sabljačice (Gladiolus) – ako njene pupove izoliramo od jednostranog djelovanja sile teže cvijetovi postaju radijalno simetrični. BIOLOŠKI RITMOVI Mnoge aktivnosti organizma (mijena tvari, rastenje, razvitak, klijanje) odvijaju se ritmički. Trajanje pojedinih perioda tih ritmova može iznositi sekunde ili minute. Takve kratkovremene ritmove redovno usmjeruju endogeni ciklički procesi. Duži ritmovi idu sinhrono sa periodičkim kolebanjima uvjeta okoline – ritmika plime i oseke mnogih morskih organizama, dnevna ritmika sinhrono sa 24-satnim okretanjem Zemlje, lunarna ritmika, mijena godišnjih doba – godišnja ritmika. Za biljke su najvažnije dnevna i godišnja ritmika. Za ritmike koje su sinhrone sa okolinom ne možemo bez eksperimenta reći održavaju li se samo endogeno

79

pomoću signala koji se ritmički izmjenjuju ili ih kontrolira unutarnji sistem koji mjeri vrijeme (biološki sat, endogeni ritmovi). Izravno egzoneno se usmjeravaju fotonastijska i termonastijska gibanja, npr. latica (Bellis, Tulipa). Endogeni fenomeni dnevne ritmike u biljaka česti su s nekoliko karakteristika:

- odvijaju se non-stop pri konstantnim vanjskim uvjetima tjednima do mjesecima

- titrajna amplituda – s vremenom u nekim slučajevima opada dužina perioda tih titraja koji teku pri konstantnim uvjetima i ne iznosi uvijek točno 24 sata

- budući da endogena ritmika samo približno odgovara dužini dana, takve periodične procese zovemo cirkadijalni ritmovi (23 – 28 sati)

- ritmički proces može se pokrenuti jednim jedinim signalom. Cirkadijalni sistemi koji osciliraju mogu se prekrivanjem vanjskog titraja „poremetiti“ (povesti za njima)

Od djelovanja fitokroma možemo mnoga pripisati diferencijalnim aktiviranjem gena (npr. pokretanje čitavih lanaca sinteza redukcijom enzima koji u njima sudjeluje). U nekim slučajevima se djelovanje fitokroma ne može svesti na diferencijalno aktiviranje gena (npr. usmjeravanje gibanja listova, promjena membranske permeabilnosti). Pretvorbom R F biljke mogu mjeriti rajanje svjetlosti i tame. I cirkadijalni ritmovi slažu se sa oksidativnom tvarnom mijenom (zaustave se nakon što je nekoliko sati spriječen pristup O2). Endogeni oscilator koji se njiše stalno brzinom (fiziološki sat) sigurno nije neka tvar već slijed reakcija koje su nepoznate kao i njihova lokalizacija. Čini se da je oscilatorni sat Acetabularia lokaliziran u citoplazmi. Pomoću fiziološkog sata organizmi mogu mjeriti vrijeme kao dužinu dana, godišnjeg doba. Dnevni ritmovi u biljaka iznose 23 – 28 sati. Cirkadijalni ritmovi

a) kod fotosintetskih flagelata – luminiscencija, fotosinteza, disanje b) kod algi – fototaksije, fotosinteza, disanje, otvaranje spora c) kod gljiva – stvaranje ???, izbacivanje spora, rastenje d) kod papratnjača – oblik plastida e) kod sjemenjača – gibanje listova, gibanje latica, fiksacija CO2 u tami

FOTOPERIODIZAM Reagiranje biljke na promjene dužine dana ili noći. Podrazumijeva one morfoze koje inducira i usmjerava trajanje svjetlosti kojom biljka dnevno raspolaže. Razlikujemo:

a) biljke dugog dana (BDD) – cvatu, odnosno reagiraju samo onda ako trajanje dnevnog svjetla prelazi za tu vrstu specifično određeno minimalno vrijeme, tzv. kritičnu dužinu dana

b) biljke kratkod dana (BKD) – reagiraju (cvatu) samo onda ako se njihova specifična kritična dužina dana ne prekorači

c) dnevno neutralne biljke – mnoge biljke (osobito kozmopoliti) obično ne reagiraju na dnevnu dužinu osvjetljenja ili reagiraju jako malo tako da se (za sada) ubrajaju u dnevno neutralne biljke

80

Kritična dužina dana reakcije kratkog dana može biti duža od reakcije dugog dana. Za indukciju cvatnje kod „klasične“ BKD Xanthium pennsylvanicum kritična dužina dana je 15,5 sati (fotoperioda mora biti kraća da bi se izazvalo stvaranje cvijeta), dok kod BDD ta perioda iznosi 11 sati (za indukciju cvatnje treba je prekoračiti). Ako dan traje 13 sati onda cvatu obje biljke. Dužina dana, tj. noći može utjecati i na početak i kraj razdoblja mirovanja, aktivnosti kambija, obrok rastenja i dužinu internodija, na razgranjenje, oblik i sukulenciju lista, stvaranje spremišnih organa, opadanje listova i otpornost protiv mraza. Danas postoji podjela na apsolutne (kvalitativne) BDD (BKD) i na kvantitativne BDD (BKD). Prvobitne, dnevno neutralne biljke cvatu kod svih mogućih fotoperioda, ali ih produženje dnevnog svjetla lako potiče na cvatnju – kvantitativne BDD. Druge vrste koje također cvatu pri stalnom osvjetljenju na cvjetanje potiče skraćivanje trajanja osvjetljenja – kvantitativne BKD. Postoje i biljke dugog-kratkog dana (Bryophyllum) i biljke kratkog-dugog dana (Campanula) koje trebaju uzastopno dvije različite fotoperiode da procvatu. Biljke dugog-kratkog dana kod nas cvatu za jesenskih kratkih dana, a ne za proljetnih kratkih dana. Stanje na ekvatoru – tamo je dužina dana jednaka čitave godine pa se biljke ne mogu koristiti mjerenjem dužne dana da bi spoznale koje je godišnje doba. Porastom zemljopisne visine mijenja se i dužina dana. Postoji povezanost između domovine neke biljke i njezinih periodičnih odnosa – tropske biljke moraju biti BKD ili dnevno-neutralne (u tropima nema dugog dana). Biljke velikih zemljopisnih širina su BDD i često moraju cvasti ljeti da bi se zimi razvio plod i sjeme. Broj induktivnih ciklusa potrebnih za indukciju cvatnje različit je kod različitih vrsta. Tako je kod BKD (Xanthium pennsylvanicum i Xanthium pharbitis) dovoljan jedan kratki dan, a kod BDD (Lolium temulentum) jedan dugi dan. Salvia occidentalis treba 17 kratkih dana, Plantago lanceolata 25 dugih dana. Fotoperiodična indukcija neovisna je o jakosti osvjetljenja ako nije prekoračen prag intenziteta (0,1 – 1luks). Prema tome, svjetlost punog mjeseca (0,5luksa) može biti fotoperiodički djelatna. FLORIGEN – HORMON CVATNJE Fotoperiodičke uvjete u normalnim okolnostima percipiraju listovi. Često je dovoljan jedan list ili dio lista da preživi odgovarajuću dužinu dana da bi se izazvala cvatnja. Do formiranja cvijeta dolazi na vegetacijskom čunju izdanka na kojem umjesto zametka listova nastaju razni dijelovi cvijeta. Preusmjerenje od vegetativnog na generativno stanje prati stvaranje specifične RNA i specifičnih proteina. Očito je riječ o aktivaciji gena. Od lista koji percipira svjetlost do vegetacijskog čunja mora postojati transport stimulansa cvatnje – hormona cvatnje ili florigena. Florigen se može izmijeniti između dva partnera kalemljenjem. Pri tome inducirana BKD može dovesti do cvatnje svog partnera BDD i obrnuto. Hormon cvatnje BKD i BDD očito je identičan (kao i u DNB). Kemijska priroda florigena

81

još je nepoznata. Smatralo se da bi to mogao biti giberelin jer oni mogu kod niskih BDD nadomjestiti dugi dan. Kod BKD sadržaj giberelina ne ograničava stvaranje cvijeta. Giberelini nisu, dakle, identični s florigenom. Pretpostavlja se da florigen nije neka supstanca već mješavina tvari rastenja i kočenja koja u određenom sustavu može inducirati cvatnju. FIZIOLOGIJA GIBANJA Rastenje i razvoj nužno su povezani s određenim, većinom vrlo polaganim gibanjima organa koji se razvijaju i oblikuju – to su gibanja rastenjem. Postoje i brža gibanja – podražajna gibanja koja omogućuju organizmu da dopre do povoljnih područja okoliša te izbjegne nepovoljna. Neke niže biljke (alge, gljive) ili dijelovi viših biljaka (spore, gamete) mogu slobodno mijenjati položaj u prostoru (one se kreću lokomotorno, aktivno plivajući ili puzeći). Viša biljka izvodi savijanja ili zaokretanja i slično. Podražaj je fizički ili kemijski signal koji u stanici izaziva niz reakcija čije potrebe za energijom podmiruje sam organizam, a ne podražaj. Većina podražaja dolazi kroz okoliš – tada govorimo o invociranim (aitiomnim) procesima. Neke reakcije uvjetuje unutarnji podražaj (nepoznat!) i to su autonomni (endogeni) procesi. Za primanje podražaja potreban je neki primalac – pigment za svjetlosni podražaj, akceptorska molekula za kemijski podražaj. Adekvatan podražaj, pošto je percipiran, uzrokuje promijenjeno fiziološko stanje podražene stanice:

1. uzbuđenost – u podraženoj stanici pojavi se akcijski potencijal. Velike internodijske stanice porožina (Chara, Nitella) imaju potencijal mirovanja u iznosu od -190mV. Pri podražaju se javi akcijski potencijal (dolazi do obrata potencijala mirovanja) koji iznosi 228mV. Prilikom porasta akcijskog potencijala u stanicu ulaze Ca2+ pa se povećava + naboj. Istodobno K+ izlazi vani pa se ponovno uspostavi potencijal mirovanja. Zatim se aktivnim izlaženjem iona Ca2+, a ulaženjem K+ vraća stanica u prvobitno stanje. Nakon uzbuđenja slijedi:

2. restitucijska faza – za koju je potreban energija, u kojoj se opet uspostavlja prvobitno stanje. Za vrijeme restitucijske faze ponovni podražaj ne može izazvati akcijski potencijal (ili može ali ne potpuno). Stoga ne dolazi do nikakve reakcije ili se samo izazove smanjena uzbuđenost odnosno reakcija (apsolutni, odnosno relativni refraktni stadij).

Da bi se mogla potaknuti neka reakcija mora podražaj prijeći vrijednost praga podražaja. Minimalno vrijeme koje protekne dok podražaj određene jačine ne izazove vidljivu reakciju zovemo prezentacijsko vrijeme. U blizini praga podražaja vrijedi zakon o količini podražaja: R = I t R – efekt podražaja I – intenzitet podražaja T – trajanje podražaja

82

Što je intenzitet veći, to je prezentacijsko vrijeme kraće. Vrijeme od početka podražaja do vidljivog početka reakcije zovemo reakcijsko vrijeme, a vrijeme od završetka djelovanja podražaja do početka reakcije latentno vrijeme. Reakcije „sve ili ništa“ – neovisno intenzitetu i trajanju podražaja dolazi do reakcije. Slobodna lokomotorna gibanja – ako ne uzmemo u obzir gibanja kojima se klice i podanci lagano kreću tako što na vrhu rastu, a na stražnjem kraju odumiru (npr. klice viline kose) onda na slobodna lokomotorna gibanja nailazimo i u nižih biljaka (bakterije, alge, gljive). Njihove stanice aktivno plivaju pomoću bičeva, pužu ameboidno, izlučuju sluz... Taksije – ako smjer slobodnog lokomotornog gibanja određuje neki vanjski činilac govorimo o taksiji. Ako je gibanje usmjereno prema izvoru podražaja govorimo o pozitivnoj taksiji, a obrnuto je negativna taksija. Ako organizam pliva prema izvoru podražaja to je tapotaksija. Nađe li slobodno pokretni organizam optimalno područje unutar polja podražaja samo tako što daje prednost pravom smjeru, a ne pogrešnom govorimo o fobotaksiji. Kemotaksija – omogućuje saprofitnim i parazitskim bakterijama i gljivama da pronađu izvor hrane ili domadara, te izbjegnu područja sa štetnim tvarima. Gametama omogućuje pronalaženje spolnog partnera. Tvar koja privlači većinom je specifična. To može biti pad koncentracije (kod spermatozoida mahovina i paprati) ili vremenska razlika u koncentraciji (fobna reakcija kod npr. bakterija). Receptori za kemotaksijski djelujuće tvari su proteini lokalizirani u plazma membrani ili periplazmatskom prostoru. Nastije – posljedice građe organa, a podražaja je samo signal Kemonastija – dorziventralni rubni tentakuli rosike (Drosera) reagiraju na podražaj vlastite glavice savijanjem prema sredini lista. Pri tome reagiraju najjače na kemijske podražaje, a slabije na podražaje škakljanja kikca. Seizmonastije – su gibanja uzrokovana potresom; tu dolazi do turgorskih promjena određenih stanica. Svaki udarac (kap kiše, vjetar) odmah dovodi do reakcije i to obično punom jačinom. Ova su gibanja najizraženija kod tropskih mimoza čije lisne peteljke imaju lisne zglobove koji brzo reagiraju. Mimosa pudica (sramežljivica) ima na bazi primarne i na bazama 4 sekundarne lisne peteljke po jedan zglob. Taj zglob čine odozdo čine parenhimske stanice tankih stjenki. Vijenac žila koji je u peteljci periferno raspoređen spaja se u središnji snop i pri savijanju daje mnogo manji otpor. Podražaj izaziva sklapanje perastih liski koso prema gore, sekundarne lisne plojke se međusobno bočno približe i konačno se lisna peteljka sklopi prema gore. Pri potresanju se naglo snizi turgor u zglobnom jastučiću zbog izlaska vode i osmotski aktivnih tvari iz parenhimskih stanica u stanične stjenke, intercelulare, te djelomično i u provodne žile. Lisna peteljka se sklopi prema dolje, a liske prema gore. Razni prašnici se pri podražaju sklope prema unutra (tj. prema stigmi) ili vani. Ako je kukac izazvao to gibanje on može biti posut peludom. Tigmonastija – kod biljaka koje se penju pomoću vitica važna su tigmonastijska gibanja. One se mogu na taj način učvrstiti. Donje strane vitica graška osjetljive su na dodir, one postaju konkavne. Ako gornje podražimo istovremeno s donjima neće doći do svijanja. Nastijska gibanja puči -fotonastije -hidronastije

83

84

Turgorom uvjetovana gibanja nastaju zbog promjene turgora u pojedinim susjednim tkivima ili slojevima tkiva nekih plodova (kod plodova štrcalica). Razlikujemo turgorske mehanizme za izbacivanje (osnivaju se na tkivnim napetostima) i turgorske mehanizme za štrcanje (izbacivanje spora iz askusa). Higroskopska gibanja – tu gibanja uzrokuju samo fizički procesi bubrenja, odnosno odbubravanja mrtvih staničnih stjenki. Stoga se mogu neograničeno ponavljati. Pri paralelnom rasporedu mikrofibrila staničnih stjeni dolazi prilikom bubrenja do rastezanja gotovo okomito na smjer mikrofibrila (anizotropija bubrenja). Higroskopska gibanja služe rasprostranjenju spora, peluda, sjemenki i plodova. Kohezijska gibanja – isušenje može biti mehanički djelotvorno tako da kohezijske sile koje vežu međusobno molekule vode u stanici uzrokuju savijanje mrtvih (rjeđe živih) dijelova tkiva. IZLUČEVINE Dijele se na ekskrete i sekrete. Ekskreti nemaju više nikakvu funkciju, to je sve ono što biljka izbacuje, a što je nepotrebno (CaCO3, soli kod halofita) Sekreti su tvari koje se izlučuju, a imaju još nekakvu funkciju u biljci (nektar, antibiotici kod mikroorganizama) Ekskrecija je izbacivanje, a sekrecija izlučivanje. Vrste izlučivanja Intracelularno lučenje ekskreta – produkti se odlažu izvana u citoplazmu ili organele citoplazme. Primjer su čestice kaučuka u citoplamzi člankovitih mliječnih cijevi rodova Ficus, Papaver, Taraxacum. Kod mliječike sok se nalazi u vakuolama. Intercelularno izlučivanje ekskreta – tvari napuštaju protoplast, ali ne i stanicu. Tako se izlučuju eterična ulja kod Lauraceae i Piperiaceae. Granulokrino izlučivanje – sekret ili ekskret koji je nastao u citoplazmi ili organelima prolazi kroz unutrašnju citoplazmatsku membranu uz tvari koje je stvorio Golgijev aparat ili endoplazmatski retikulum. Ekrano izlučivanje – tvari se izlučuju u staničnu stjenku ili napolje. Tako se izlučuje nektar iz žljezdanih stanica, soli, voda i lipofilni sekreti. Često turgorski tlak stanice potiskuje otopinu. Holokrino izlučivanje – dolazi do rastvaranja stanice i iz nje se izlučuje eterično ulje u ekskretne prostore. To se događa kod citrusa, limuna, naranče i drugih.

KRAJ