Historické experimenty s výživou rastlín - PDF na stiahnutie zadarmo

Historické experimenty s výživou rastlín Už v roku 1771 uskutočnil anglický prírodovedec a duchovný Joseph Priestley nasledujúce experimenty. Pri ich predkladaní sa chceme obmedziť na najdôležitejšie údaje. a) Ak vložil myš a vložil sviečku do dvoch samostatných, vzduchotesných sklenených nádob, myš zomrela a sviečka zhasla. b) Rastlina držaná vo vzduchotesnej sklenenej nádobe tiež po určitom čase zomrela. c) Ak bola myš a rastlina v tej istej vzduchotesnej sklenenej nádobe, obaja prežili. d) Ak priniesol rastlinu na také množstvo vzduchu, v ktorom zhasla sviečka (a), rastline sa darilo (b) a po chvíli mohla sviečka na tomto vzduchu opäť dobre horieť (c). Výživa rastlín spočíva v tom, že syntetizujú energeticky bohaté výživné látky z nízkoenergetických anorganických látok (voda, oxid uhličitý) a pri tomto procese sa uvoľňuje kyslík. Dôležitosť fotosyntézy Autotrofné rastliny Štruktúra materiálu prostredníctvom energetickej väzby Produkcia 170 biliónov t biomasy/a Výživový základ pre všetky heterotrofné organizmy Produkcia kyslíka pre všetky aeróbne organizmy.

experimenty

UHLÍKOVÝ CYKLUS alebo producenti cyklu látok anorganické zlúčeniny organické látky O 2 CO 2 deštruktívni spotrebitelia mŕtvy org. Materiálové ekosystémy: plocha v 10 6 km 2 rastlinnej biomasy v 10 9 t C čistá produkcia primérov v gc/m 3/rok tropický dažďový prales 17,0 344,0 988 šíre more 322,0 0,45 56 savany 15 27 407 ATP je kozubstrátom všetkých kináz ! P EP ATP glukóza 6 P apoenzým pyruvátkináza ADP ATP apoenzým pyruvátkináza BTS ADP glukózový substrát 1 produkt NADH 2 2 apoenzým NAD NADH 2 produkt apoenzýmu 1 NAD substrát 2 NAD je kozubstrát všetkých dehydrogenáz strana 140

Nikotínamid adenín dinukleotid Enzým 8 NAD + koenzým prenášajúci vodík (stačí si uvedomiť význam!) Reaktívne miesto NADP + nikotínamid ribóza PP ribóza nikotínamidová rovnica fotosyntézy: svetlo 6 CO 2 + 6 H 2 OC 6 H 12 O 6 + 6 O 2 chlorofylové vzorce Môže čerpať z chlorofylov a karoténu ! Štruktúra porfyrínu zložená zo 4 pyrolových kruhov (I IV) s centrálnym atómom horčíka β-karotén strana 141

Môže kresliť ! Chloroplasty vo svetelnom mikroskope Jeden z niekoľkých modelov pre štruktúru tylakoidnej membrány chloroplastu. Kvantazómy sa tu považujú za membránové zložky. Ožarovanie bielym svetlom Kontinuálne spektrum všetkých spektrálnych farieb Surový roztok chlorofylu absorbuje svetlo určitých vlnových dĺžok odrazené svetlo žiadne kontinuálne spektrum Spektrum s medzerami pri určitých vlnových dĺžkach Vnútorná farba: zmiešaná farba z neabsorbovaných spektrálnych rozsahov strana 142

(viac na strane 144) Extrakcia chlorofylom - drvené listy - morský piesok - alkoholové zmesi rozpúšťadiel - homogenizácia a extrakcia acetónom Papierová chromatografia Rozlišujú sa rôzne farbivá: karotenoidy xantofyly chlorofyly (a + b) spoločné pre chlorofyl a/ba karotenoidy: SYSTÉM KONJUNKČNÝ DVOJITÝ DLHOPIS Ľahko excitované elektróny, dôležité pre absorpciu svetla ! Epizóda 143

Celková rovnica fotosyntézy ľahkého chlorofylu 6 CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O môže čerpať elektrónový transport a fotofosforyláciu. Poznámka: Redoxné systémy = enzýmy = e - -transprotové reťazce Zostatok: 12 H 2 O 24 H + + 24 e - + 6 O 2 12 NADP + 24 H + + 24 e - 12 NADPH 2 (redukčné ekvivalenty) 18 ADP + 18 P 18ATP ( Energetické ekvivalenty) 12 H 2 O + 12 NADP + 18 ADP + 18 P 12 NADPH 2 + 18 ATP + 6 O 2 strana 147

2. Reakcia nezávislá od svetla = REDUKCIA OXIDU UHLIČITÉHO NA HROZNOVÝ CUKOR Temná reakcia fotosyntézy Predpoklady pre redukciu CO 2 na vysokoenergetické uhľohydráty: 1. Redukčné činidlo: NADPH 2 = koenzým prenášajúci vodík 2. Energia: ATP ako zásobník a nosič energie Adenozín P

= vysokoenergetická väzba Konverzia oxidu uhličitého na uhľohydráty Tieto reakcie zvyčajne prebiehajú na svetle popri svetelných reakciách, ale môžu pokračovať v tme, pokiaľ je dostatočný prísun ATP a NADPH 2 zo svetelnej reakcie. Reakcie môžu prebiehať nepretržite v tme, ak pridáte umelo ATP a NADPH 2. Mevin Calvin (Nobelova cena 1961) experimentálne sledoval cestu CO 2 od príjmu rastlinou po hotové uhľohydráty pomocou metódy autorádiografie: boli ponúkané zelené riasy rodu Chlorella * CO 2 (* = označené rádioaktívnym 14-C), ak sú vystavené svetlu, riasy ju obsahujú. Fotosyntetická aktivita sa v rôznych časoch preruší nalievaním vriaceho alkoholu. Teraz môžete izolovať a skúmať medziprodukty fotosyntézy, ktoré obsahujú * 14 ° C, v rôznych časových intervaloch. 1. Extrakcia medziproduktov 2. Chromatografia medziproduktov: Rôzne látky prechádzajú rôznym stupňom separácie; Látky bezfarebné, nič nevidíte 3. Zviditeľnenie IMP: Naneste filmový pás, oblasti s rádioaktívnymi zlúčeninami (* C!) Zčernte film, teraz viete, kde je IMP na chromatograme! Strana 149

4. Vymyte IMP z chromatogramu (nie z filmových prúžkov) 5. Chemická identifikácia Už 5 sekúnd po pridaní * CO 2 sa vytvorilo veľa rôznych látok, napr. Sacharóza a iné cukry. Calvin skracoval čas testu krok za krokom, so zastavením po 1,7 sekundách dostal jednu látku obsahujúcu * C, kyselinu glycerovú-3-fosfát alebo kyselinu 3-fosfoglycerovú = 3-PGS. Toto je teda prvý hmatateľný IMP fotosyntézy. Odkiaľ však pochádza kyselina fosfoglycerová s jej 3 atómami uhlíka? Ďalšie testy ukázali, že primárnym akceptorom pre C02 je telo C5 so slávnym názvom RuDP, tj. Ribulóza-1,6-difosfát, ktorý sa neustále dopĺňa v temnej reakcii v kruhovom procese, v Calvinovom cykle. 3-PGS Teplotná závislosť fotosyntézy ATP NADPH 2 Pri svetelných reakciách sa vyprodukuje tak málo suroviny, že sa úplne spracuje aj pri nízkych teplotách. Zvýšená aktivita v tmavom oddelení je zbytočná. Iná situácia je pri silnom svetle: ATP NADPH 2, strana 150

Centrálny redukčný krok: 12 ATP 12 ADP + 12 P 12 NADPH 2 12 NADP kyselina glycerová-3- P glyceraldehyd-3- P 3 PGS 3 PGA 6 CO 2 + 12 H 2 O * C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 * + 6 H 2 O Vplyv fotosyntetického výstupu vonkajšími faktormi Rýchlosť fotosyntézy závisí od 1. intenzity svetla (intenzity osvetlenia) 2. kvality svetla (λ svetla = farba svetla) 3. obsahu oxidu uhličitého vo vzduchu 4. teploty 5. vlhkosti do 1. intenzity svetla: rozlišuje sa medzi Hrubá a čistá miera fotosyntézy Hrubá miera fotosyntézy = celková miera fotosyntézy Čistá miera fotosyntézy = hrubá miera fotosyntézy Spotreba glukózy počas dýchania Skutočný prírastok glukózy (prírastok v biomase) Vplyv intenzity svetla: - v tme: rastlina reaguje - s určitou intenzitou svetla: dosiahol sa bod kompenzácie svetla K, tj. Dýchanie (spotreba glukózy) a hrubá fotosyntéza (tvorba glukózy) sa navzájom kompenzujú (rušia). - Intenzita svetla navyše: čistý zisk začína ! Obrázok 1: Závislosť sieťovej fotosyntézy od osvetlenia v tieni a slnečných rastlinách strana 152

Pokiaľ ide o 2. Kvalitu svetla, porovnajte spektrum fotosyntézy s 3. Obsah oxidu uhličitého vo vzduchu je 0,03%, čo je takzvaný minimálny faktor (= abiotický faktor prostredia, ktorý obmedzuje fotosyntézu v prírodných podmienkach). Obrázok 2: Závislosť rastu rastlín od obsahu CO 2 vo vzduchu; Rôzna tolerancia CO 2 rôznych rastlín Každá rastlina vykazuje - maximum CO 2 (nemožno tolerovať veľmi vysoké koncentrácie) - optimum CO 2 (koncentrácia mierne nad normálnym obsahom CO 2 vo vzduchu) - minimum CO 2: fazuľa: predstavuje ak je koncentrácia CO 2 znížená, rast čoskoro prestane. Kukurica: toleruje nízku koncentráciu CO 2, iba spomaľuje rast ! Príčina: Kukurica, iné trávy, kaktusy (obyčajné rastliny na suchých miestach) sú často nútené uzatvárať prieduchy z dôvodu vysokých vonkajších teplôt a súvisiaceho rizika nadmerného odparovania. Je možná malá absorpcia CO 2! Napriek tomu tieto rastliny môžu uskutočňovať fotosyntézu: Ich metabolizmus je prispôsobený zníženej schopnosti absorbovať CO2. CO 2 produkovaný počas dýchania sa môže chemicky skladovať a zavádzať do fotosyntézy. Strana 153

do 4. Teplotný diagram 3: Teplotná tolerancia Reakčná rýchlosť sa všeobecne zvyšuje s enzymatickými reakciami so zvyšujúcou sa teplotou, až kým denaturácia enzýmov teplom nespôsobí zníženie reakčnej rýchlosti, nakoniec sa celý metabolický proces zastaví! Všeobecne: Nárast fotosyntézy so stúpajúcou teplotou, zastavenie fotosyntézy, keď sú teploty príliš vysoké. Každá rastlina má teplotu minimálnu, optimálnu, maximálnu! Okrem minima a maxima rastlina prestane produkovať látky a zomrie. do 5. Vlhkosť Vlhkosť musí byť dostatočná. Zvýšenie môže mať pozitívny vplyv na rýchlosť fotosyntézy! Analýza faktorov fotosyntézy V súhrne možno proces fotosyntézy znázorniť v nasledujúcej hrubej rovnici: Na mol vyrobenej glukózy je potrebné množstvo energie 2825 kJ. C6H12O6 chlorofyl fotosyntéza (schéma) chlorofyl aab strana 154

Postup: svetlo krátke: 6 CO 2 + 6 H 2 OC 6 H 12 O 6 + 6 O 2 chlorofyl predĺžené svetlo: 6 CO 2 + 12 H 2 OC 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O chlorofyl ľahká reakcia Tmavá reakcia Svetlá reakcia: Tmavá reakcia: 12 H 2 O 24 H + + 24 e - + 6 O 2 12 NADP + 24 H + + 24 e - 12 NADPH 2 18 ADP + 18 P 18 ATP 12 H 2 O + 12 NADP + 18 ADP + 18 P 12 NADPH 2 + 18 ATP + 6 O 2 6 CO 2 + 18 ATP + 12 NADPH 2 C 6 H 12 O 6 + 18 ADP + 18 P + 12 NADP + 6 H 2 O zostatok: 6 CO 2 + 12 H 2 OC 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O Je pekné byť autotrofný, aspoň občas. autotrofné organizmy (autotroph = self-výživný) = organizmy, ktoré môžu vytvárať vysokoenergetické organické látky pomocou fotosyntézy z jednoduchších anorganických zlúčenín, a preto sú nezávislé od vysokoenergetických organických živín. heterotrofné organizmy (heterotrofné = živiace sa ostatnými) = organizmy, ktoré sú závislé od prísunu energeticky bohatých organických látok s ohľadom na ich metabolizmus. Tieto sa buď premieňajú na telu vlastné látky, alebo sa rozkladajú uvoľňovaním energie. Strana 156

Farby naznačujú reakciu tráviacich štiav: zelená = neutrálna červená = kyslá modrá = alkalická odbúravanie orgánov enzýmy ústna dutina škrob maltóza amyláza (ptyalín) proteíny žalúdka polypeptidy tenké črevo škrob maltóza maltóza glukóza pepsín, katepsín (hlien, HCl) amyláza maltáza proteíny nukleázy Fette Nukleotidové polypeptidy Aminokyseliny Glycerín + mastné kyseliny Nukleázy Trysín, Chymotrypsín proteázy Lipázy Strana 157

Uvoľňovanie energie degradačnými procesmi AERÓBNA STANOVENIE LÁTKY s O 2 Konštrukcia mitochondrie (schopná čerpať!) Mitochondria pod elektrónovým mikroskopom Prehľad procesov zahrnutých do STANOVENIA LÁTKY = Dissimilácia Glukóza C 6 1. GLYKOLÝZA Kyselina pyrohroznová 2 x C 3 CO 2 2. Oxidačný dekarboxylát .CO 2 Cyklus kyseliny citrónovej CO 2 NADH 2 FADH 2 Kyslík z dýchania je potrebný iba v kroku 4. 4. 2 H koncová oxidácia: 1 O 2 H 2 2 O Hlavný zdroj energie! ATP ! Strana 158

Fermentácia kyselinou mliečnou BTS anaeróbna degradácia glykolýza C 6 H 12 O 6 2 BTS aeróbny rozklad oxid. Dekarboxil. 2 BTS regenerácia kyseliny mliečnej NAD 2 NADH 2 2 ATP 2 acetyl-CoA + 2 CO 2 2 NADH 2 alkohol. Fermentačný cyklus BTS citrát 2 acetyl-CoA etanol + CO 2 4 CO 2 regenerácia NAD endoxidácia 6 NADH 2 2 FADH 2 2 GTP 10 NADH 2 2 FADH 2 + 6 O 2 12 H 2 O 34 ATP strana 159

Rovnováha rovnováhy pre oxidačnú degradáciu 1. Glykolýza C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O 38 ADP + 38 P 38 ATP Reakčný reťazec bez spotreby kyslíka v cytoplazme. Veľmi starý metabolizmus. - Procesy rovnaké u všetkých živých bytostí - Procesy v cytoplazme, pretože v čase prokaryotov neexistovali mitochondrie. - Anaeróbny proces glykolýzy, pretože pôvodne v atmosfére nebol žiadny O 2 Bilancia: C 6 H 12 O 6 + 2 NAD + 2 ADP + 2 PH 3 CC COOH + 2 ATP + 2 NADH 2 BTS 2 C 3 - telá = pyruvát O Zjednodušené znázornenie glykolýzy (môže!) Glukóza C 6 H 12 O 6 C 6 Telo Fosforylácia ATP ADP a izomerizácia Clukóza 6 PC 6

P ATP ADP fruktóza 1,6 difosfát P

P ČISTENIE 2 glyceraldehyd 3 P 2 C 3 telo

P 2 ADP 2 P 2 ATP OXIDÁCIA 2 H 2 O 2 NAD 2 NADH 2 2 kyselina glycerová 3 P 2 C 3

K (2 H20) 2 kyselina fosfoenolpyrohroznová 2 C 3

P 2 ADP 2 ATP 2 x kyselina pyrohroznová 2 C 3 telo strana 160

Formulácia kroku centrálnej oxidácie so štruktúrnym vzorcom 2 + 2 H 2 O 2 NAD 2 NADH 2 2 ADP + 2 P 2 ATP (len pre pochopenie.) Vyvážte glykolýzu: OC 6 H 12 O 6 + 2 NAD + 2 ADP + 2 P 2 CH 3 C COOH + 2 ATP + 2 NADH 2 strana 161

2. Oxidačná dekarboxylácia BTS migruje do mitochondrií (cez dvojitú membránu, ale iba o polovicu väčšiu!). Telo C3 (BTS) dáva vznik C2 telieskam (kyseline octovej) vylučovaním CO 2 GAIN z 2 NADH 2. Zostatok: O 2 CH 3 C COOH + 2 NAD + 2 H - S CoA 2 CH 3 C + 2 CO 2 + 2 NADH 2 S CoA BTS (= pyruvát) sa uvedie do pohybu pomocou enzýmu, HS koenzýmu A, t. J. Aktivovanej kyseliny octovej = acetyl koenzýmu A (hrá CELÚ rozhodujúcu úlohu v CELOM metabolizme buniek.) O Acetyl-koenzým 3. cyklus kyseliny citrónovej = cyklus trikarboxylových kyselín (TCC) = Krebs-Martiusov cyklus - reakčné miesto v mitochondriách - rozpad tela C2 acetyl koenzým A za vzniku molekúl CO 2 - tvorba redukcie a energetických ekvivalentov (NADH 2) (ATP) Štart: Acetylový zvyšok aktivovanej kyseliny octovej sa prevedie do tela C4 (kyselina oxalactová), vytvorí sa telo C6 = kyselina citrónová. (musí byť schopný!) strana 162

Pretože 2 acetyl-CoA sa tvoria, keď sa rozloží 1 molekula glykózy: Zostatok: 2 + 2 ADP + 2 P + 6 NAD + 2 FAD + 6 H 2 O 4 CO 2 + 2 ATP + 6 NADH 2 + 2 FADH 2 + 2 HSCoA (iba pre pochopenie!) strana 163

Prehľad, ktorý nájdete na strane 166

Prehľad aeróbnej degradácie glukózy 1. krok: Glykolýza 2. krok: Oxidačná dekarboxylácia v mitochondriálnom priestore Glukóza (C6) 2 ATP 2 NADH 2 2 x BTS (C 3) 2 CO 2 2 NADH 2 2 x aktivovaná kyselina octová (C 2) 3. krok: Cyklus kyseliny citrónovej 6 NADH 2 2 FADH 2 2 x 2 CO 2 úplné odbúranie glukózy! 2 ATP 4. krok: Koncová oxidácia = sa zavedie vnútorná membrána dýchacieho reťazca mitochondrií 10 NADH 2 2 FADH 2 na získanie ATP. 10 NADH 2 30 ATP 2 FADH 2 4 ATP ATP rovnováha dva z glykolýzy dva z cyklu kyseliny citrónovej 34 z dýchacieho reťazca 38 ATP strana 167

FERMENTÁCIA Rozklad materiálu = disimilácia Základné procesy sú u ľudí a zvierat rovnaké. Význam: Zisk ATP z energeticky bohatých organických molekúl, ako je glukóza. 2 spôsoby: anaeróbne = bez O 2 = fermentácia, veľmi starý metabolizmus aeróbny = s O 2 = dýchanie, dôjde neskôr v priebehu vývoja Tu: alkoholové kvasenie Poznámka: Ak chcete vytlačiť zvyšný vzduch v hornej časti banky s guľatým dnom, môžete napr. Zaviesť dusík! Súčetová rovnica: C6H12O6 + 2 ADP + 2 PC 2 H 5 OH + 2 CO 2 + 2 ATP Etanol (alkohol) Počas anaeróbnej degradácie je cesta ku kyseline pyrohroznovej (BTS) rovnaká, pretože sa nedosahuje žiadna spotreba O 2 glykolýza; V cytoplazme; Zisk na molekulu glukózy: 2 ATP; vodík dvoch NADH2 nemôže byť nakoniec oxidovaný. Typy fermentácie sú pomenované podľa ich konečných produktov! Strana 168

1. fermentácia kyselinou mliečnou 1. krok: Glykolýza Dextróza (C 6) 2 x kyselina pyrohroznová (C 3) OC 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 P + 2 NADP 2 H 3 CC COOH + 2 ATP + 2 NADH 2 BTS Energetický zisk = 2 ATP je preto doplnený fermentormi s glykolýzou. NAD však musí byť regenerovaný (= regenerovaný), inak by sa glykolýza zastavila (a s tým aj životne dôležitý zisk ATP!) Preto je nevyhnutný druhý degradačný krok, ktorý sa teraz líši v závislosti od typu fermentácie. Krok 2: Regenerácia NAD 2 C 3 H 4 O 3 + 2 NADH 2 2 C 3 H 6 O 3 + 2 NAD (súčtová rovnica) O 2 H 3 CC COOH + 2 NADH 2 2 H 3 CC COOH + 2 NAD OH H rovnováha kyseliny mliečnej: C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 P kyselina mliečna - 2 C 3 H 6 O 3 baktérie kyselina mliečna + 2 ATP OH C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 P 2 H 3 CC COOH + 2 ATP H Význam fermentácie kyselinou mliečnou: - keď je mlieko kyslé, jogurt, tvaroh - kostrové svaly pri nedostatku kyslíka - výroba kyslej kapusty - výroba siláže 2. alkoholová fermentácia 1. krok: glykolýza OC 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 P + 2 NADP 2 H 3 CC COOH + 2 ATP + 2 NADH 2 strana 169

Krok 2: Regenerácia NAD 2 C 3 H 4 O 3 + 2 NADH 2 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + 2 NAD (súčtová rovnica) O 2 H 3 CC COOH 2 H 3 CC + 2 CO 2 HO OH 2 H 3 CC + 2 NADH 2 2 H 3 CCH + 2 NADH HH etanol O bilancia: C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 P kvasnice 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + 2 ATP etanol význam alkoholu Fermentácia: - Výroba alkoholických nápojov - Konzervácia POZOR: Kvasinky môžu tiež dýchať, ak je prítomný O 2. Aeróbny rozklad glukózy (vnútorné dýchanie) C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O 38 ADP + 38 P i 38 ATP P i i = anorganický = anorganický fosfát strana 170

Počas aeróbnej degradácie sa kyselina pyrohroznová (C 3) tvorená pri glykolýze absorbuje do mitochondrií. Strana 171