FIKSACIJA CO2 KOD SUKULENTNIH BILJAKA

-u suvim i vrlo toplim predjelima biljke sa sukulentnim organima čine posebnu ekološku grupu, sa posebnim morfološkim i anatomskim osobinama

- u fiziološkom pogledu dobro su prilagođene uslovima sredine, jer su razvile sposobnost da ograniče transpiraciju, a da ipak vrše fotosintezu

-karateriše ih poseban način koncentrisanja CO2 u hloroplastima, koji obavljaju reduktivni pentozni ciklus—slično C-4 biljkama

-kod C-4 biljaka fiksacija CO2 iz vazduha i njegova redukcija su odvojeni prostorno u različitim ćelijama

-kod sukulenata ova dva procesa su odvojena vremenski---fiksacija CO2 se obavlja noću, a korišćenje u fotosintezi danju, u istoj ćeliji

-sukulentne biljke pripadaju taksonomski različitim grupama (oko 10000 angiospermi, naročito familije Crassulaceae i Cactaceae gdje su svi predstavnici sukulente biljke; familije Liliaceae, nekoliko hiljada orhideja i mnoge agave)

- pošto je poseban način fiksacije CO2 u vezi sa metabolizmom jabučne kiseline, a prvo je proučen kod Crassulaceae, ovaj fiziološki proces je nazvan CAM-metabolizam tj. CAM-biljke (Crassulacean acid metabolism)

Morfološke i ekofiziološke osobine CAM-biljaka

-stabla i listovi su metamorfozirani u zadebljale, krupne organe, sa relativno malom površinom u odnosu na zapreminu-listovi su često redukovani ili pretvoreni u bodlje- ćelije ovih organa su krupne, sadrže hloroplaste i velike vakuole sa rezervama vode-epiderm ovih organa nosi različite zaštitne tvorevine, koje sprječavaju transpiraciju preko kutikule; kontrolu transpiracije i razmjene drugih gasova obavljaju i stome koje su danju najvećim dijelom zatvorene a noću otvorene

- ali sve CAM biljke nisu tipične sukulente. Zato postoje i drugi kritetijumi po kojima se biljke svrstavaju u CAM-grupe ---dnevna fluktuacija jabučne kiseline -jabučna kiselina se akumulira noću u vakuolama, a razgrađuje se danju

- razlike pH ćelijskog soka između dana i noći iznosi i do dvije jedinice, pri čemu je noćni pH oko 3,5-----sa tim u vezi su recipročne fluktuacije skroba i dr. ugljenih hidrata, čija količina opada kad jabučna kiselina raste i obratno

- CAM biljke se odlikuju visokom aktivnošću enzima PEP karboksilaze i dekarboksilaze

Metabolizam CO2 Fiksacija CO2 u toku noći

- stome su danju zatvorene jer bi gubitak vode mogao biti veći od usvajanja korjenom-zato se stome otvaraju noću, transpiracija je smanjenja ali je i usvajanje CO2 ograničeno samo na taj period

- CO2 ulazi iz intercelulara u ćelije hlorenhima (asimilaciono tkivo) i u citoplazmi se kao HCO3- vezuje za PEP pomoću enzima PEP karboksilaze-nastaje oksalsirćetna kiselina koja se odmah redukuje pomoću NAD-dehidrogenaze i daje jabučnu kiselinu (malat)

-kao kod C-4 biljaka samo je malatna dehidrogenaza vezana za citosolni NAD koenzim

-PEP vodi porijeklo od skroba, ili drugih ugljenih hidrata, koji se razlažu glikolitičkim putem do PEP- jabučna kiselina tokom noći ulazi u vakuolu (aktivan transport; ATPaza na tonoplastu pumpa protone u vakuolu, a malat ulazi kao posljedica elektrohemijskog gradijenta protona)- danju količina malata u vakuoli iznosi 10-20 mola g-1, a u toku noći dostiže vrijednost od 200 mola g-1

Dekarboksilacija malata u toku danaMetabolizam CO2

- akumulacija malata traje tokom cijele noći, ali se brzina, pri kraju tog perioda smanjuje- dok temperatura ne poraste stome su otvorene—za to vrijeme se prima CO2 iz vazduha i koristi kako za karboksilaciju PEP i proizvodnju malata tako i za karboboksilaciju Ru 1,5-BP- postepeno se stome zatvaraju i korišćrnje spoljašnjeg CO2 se manjuje- počinje dekarboksilacija malata, koji izlazi iz vakuole citoplazmu (enzim NAD-jabučni enzim - malatna dekarboksilaza)

- ima mišljenja da se sva tri vida dekarboksilacije malata kod C-4 biljaka javljaju kod raznih CAM biljaka--- u svakom slučaju CO2 ne može da izađe iz lista, jer su stome zatvorene pa se koristi u hloroplastima za reduktivni ciklus

- najvažniji enzim u CAM-metabolizmu je PEP-karboksilaza- vrlo je specifičan kod CAM-biljaka i omogućava regulaciju aktivnosti u ciklusu dan/noć- postoje dva oblika – jedan oblik je danju inhibiran niskom koncentracijom malata

- oblik koji je aktivan noću osjetljiv je prema malatu

- za jedan CO2 i CAM-biljke u reduktivnom ciklusu troše 2NADPH i 3ATP, treba im 1-2 ATP za regeneraciju PEP (slično C-4 biljkama) i oko 0,5 ATP za sintezu polisaharida koji su izvor za PEP tokom noći

Regulacija CAM-metabolizma

SEKUNDARNI PROIZVODI FOTOSINTEZE-hromatografska analiza obilježenih jedinjenja je pokazala da se CO2 za vrlo kratko vrijeme ugrađuje i u jedinjenja koja nisu dio Kalvinovog ciklusa---što ukazuje na postojanje alternativnih puteva za neke intermedijente ciklusa, koji predstavljaju početni materijal za sintetu sekundarnih jedinjenja---tako se radioaktivni ugljenik vrlo brzo ugrađuje u razne ugljene hidrate, masne kiseline i lipide, pigmente hloroplasta, neke organske kiseline, aminokiseline i proteine

Sinteza skroba u hloroplastima-primarni skrob koji se izgrađuje u hloroplastima nastaje od F-6-P koja je napustila reduktivni ciklus- pomoću heksoza-fosfatne izomeraze F-6-P prelazi u G-6-P- fosfoglukomutaza prevodi G-6-P u G-1-P- G-1-P se vezuje za ATP, a enzim ADP-glukozna pirofosforilaza proizvodi ADP-glukozu koja služi za izgradnju skroba (pirofosfat PPi koji nastaje se hidrolizuje dejstvom pirofosfataze na dva fosfata 2Pi)

- sintezu skroba obavljaju dva enzima:-glukozidna transferaza-gradi 1-4 glukozidne veze-nerazgranata amiloza-Q-enzim –gradi 1-6 glukozidne veze---razgranat amilopektin

- kada se fotosinteza uspori i kad nestane u mraku, skrob se obrnutim putem razlaže do G-1-P (a u mraku se skrob razlaže amilazom pa u citoplazmu izlazi glukoza)

Sinteza saharoze u citosolu - u novije vrijeme je dokazano da se sinteza saharoze obavlja isključivo u citoplazmi mezofilnih ćelija a ne u hloroplastu- trioza-fosfat koja izađe u citosol uvijek je preko izomeraze u ravnoteži sa izomerom-dvije trioze se kondezuju (aldoza) u F 1,6 BP - F 1,6 BP gubi Pi i dobija se F-6-P ovo je prvi stupanj u sintezi saharoze-F-6-P se prevodi u G-6-P a ova u G-1-P- G-1-P se vezuje za uridin trifosfat (UTP) i daje uridindifosfoglukozu (UDPG) i PPi - UDPG se veže sa F-6-P i dobija se saharoza-fosfat i UDP (saharoza-fosfatna sintetaza)-hidroliza fosfatne grupe (saharoza-foafatna fosfataza) i dobija se saharoza

- PPi se dejstvom pirofosfataze radlaže na dva Pi---od F1,6 BP do saharoze, 4 Pi grupe se odvajaju od supstrata što podiže nivo Pi u citoplazmi ---translokator trioza-fosfata TPT na jedan izneseni trioza-fosfat unosi u hloroplast jedan Pi----da ovo nije povezano hloroplasti bi ubrzo ostali bez Pi i fotosinteza bi bila obustavljena

Regulacija sinteze skroba i saharoze

1. sinteza ATP i redukcija NADP u membranskom sistemu hloroplasta2. ugrađivanje CO2 u šećere u reduktivno pentoznom ciklusu3. sinteza skroba u stromi hloroplasta4. transport trioza iz hloroplasta u citosol fotosintetičke ćelije5. sinteza saharoze u citosolu6. transport saharoze iz ćelije lista u floem i dalje u druhe organe biljke

- ključna uloga—odnos neorganskog fosfata (Pi) prema triozama DHAP i GAP ili prema 3-PGA

- ujutro kada se biljka osvijetli ----izgrađuju se ATP i NADPH- ugrađuje se CO2 u 3-PGA i redukcijom nastaje znatna količina trioza (GAP i DHAP)-pošto citosol obično sadrži Pi, preostao iz prethodnog perioda sinteze saharoze, uključuje se trioza-fosfatni translokator TPT, koji razmjenjuje trioze i Pi između hloroplasta i citosola

- u stromi hloroplasta ostaje niska koncentracija 3-PGA i trioza, a pojavljuje se reletivno velika količina Pi

-odnos 3-PGA/Pi utiče na aktivnost glavnog enzima koji reguliše sintezu skroba ADP-glukozna pirofosforilaza ---aktivirana je 3-PGA, a inhibirana Pi

- znači, u ranom dnevnom periodu, kada je količnik 3-PGA/Pi nizak, ADP-glukozidna pirofosforilaza ima slabu aktivnost i skrob se ne izgrađuje; tada trioze izlaze u citosol i služe za sintezu saharoze

- iz više razloga tokom dana može doći do usporavanja procesa sinteze saharoze---razlog može biti i što se usporava floemski transport iz ćelija lista, jer su organi-potrošači zasićeni:

- tada se u hloroplastu akumulira 3-PGA jer se ne udaljavaju trioze, translokator nije aktivan i smanjuje se količina Pi

- ovo stimuliše aktivnost ADP-glukozidne pirofosforilaze i intezivira se sinteza skroba- sinteza skroba je u antagonizmu sa sintezom saharoze

- još jedan faktor obezbjeđuje da se skrob izgrađuje samo na svjetlosti kada je 3-PGA obilna:

F-6-P je početni supstrat za sintezu skroba, djelimično se koristi za održavanje reduktivnog ciklusa, ali je značajan dio upućen na izgradnju skroba preko G-6-F

F-6-P nastaje defosforilacijom F 1.6-BF –enzim fruktoza-1,6-bisfosfatazakoja je aktivna samo na svjetlosti (pod uticajem tiorediksin/ferodoksin sistema)-znači, na svjetlosti se pojačava dejstvo ove fosfataze i stvaranje F-6-P, a u mraku ovaj prekursor nedostaje

- na kraju dana i u toku noći prestaje sinteza 3-PGA, pa sinteza skroba nije stimulisana, a izlaz trioza-fosfata se nastavlja- Pi koji se akumulira u hloroplastu sada se koristi za razlaganje skroba (enzim skrobna fosforilaza)

- sinteza skroba je važna jer se na taj način akumuliraju ugljeni hidrati koji se trenutno ne koriste---kada bi se oni nakupljali kao šećeri to bi u velikoj mjeri poremetilo osmotske odnose u fotosintetičkoj ćeliji

- trioze koji su izašle mogu da idu u glikolizu ili za sintezu saharoze-da bi došlo do sinteze saharoze potrebno je da F 1,6-BP defosforilacijom pređe u F-6P

- i ovdje je ključni enzim fruktoza-1,6-bisfosfataza ali je drugačije regulisana njegova aktivnost u odnosu na hloroplast

-ovaj enzim je pod kontrolom posebnog molekula –fruktoze-2,6-bisfosfata (F 2,6-BP)

-ovaj molekul se od pravog razlikuje samo po tome, što nosi fosfatnu grupu na C-2, umjesto na C-1 atomu

-F 2,6- BP je značajan inhibitor fosfataze i sprječava defosforilaciju F 1,6-BP a time i dalji proces u sintezi saharoze

- nastaje od F-6-P, pomoću enzima fruktoza-6-fosfatne-2-kinaze a razgrađuje je fruktoza-2,6-bisfosfataza (od odnosa kinaze i fosfataze zavisi i količina F 2,6-BP)

POKAZATELJI FOTOSINTEZE

1. Intenzitet (brzina) fotosinteze – količina usvojenog CO2 na jedinicu lisne površine u jedinici vremena CO2 mg/dm2 h- ili količina izdvojenog O2 po jedinici površine za određeno vrijeme

2. Fotosintetička efikasnost – odnos između akumulirane i apsorbovane energije------izražava se u džulima (J) po molekulu usvojenog CO2 ili izdvojenog O2

3. Produktivnost fotosinteze – količina stvorene organske materije po jedinici lisne površine i za određeno vrijeme g/m2 dan- može biti izražena i kao biološki prinos ili kao poljoprivredni prinos

- biološki prinos- ukupno stvaranje organske materije za sve biljne organe- poljoprivredni prinos – stvorenu organsku materiju u organima, radi čega se dotična biljna vrsta i gaji

4. Koeficijent efikasnosti fotosinteze – odnos čiste produktivnosti fotosinteze i usvojenog CO2

5. Koeficijent poljoprivredne efikasnosti fotosinteze – odnos količine suve organske materije u poljoprivrednom dijelu prinosa i količine ukupne organske materije

6. Koeficijent energetske efikasnosti formiranja prinosa – odnos količine usvojenog CO2 na jedinicu površine usjeva i količine energije sunčeve radijacija koja je pala na njega

7. Kompenzaciona tačka fotosinteze – intenzitet fotosinteze koji je jednak intenzitetu disanja. To znači da kompenzaciona tačka predstavlja onaj intenzitet fotosinteze kada je količina CO2 primljenog za fotosintezu jednaka količini CO2 izdvojenog u procesu disanja u toku istog perioda vremena

FOTOTINTEZA I PRODUKTIVNOST U RAZLIČITIM EKOLOŠKIM USLOVIMA

-u toku evolucije biljne vrste su se na različite načine prilagodile klimatskim i drugim uslovima sredine

-u određenim regionima i staništima održale su se one vrste koje su mogle da modifikuju svoje fiziološke procese, tako da na najbolji mogući način održe nivo fotosinteze nephodan za njihovo razviće i razmnožavanje

- prilagođenost se ogleda prije svega u sposobnosti da se u fotosintezi izgradi više organskih produkata, nego što se potroši u disanju i drugim aktivnostima

- pošto biljke uzimaju CO2 kroz stome, preko kojih takođe gubi vodu, usklađenost između fotosinteze i transpiracije ima najveći značaj- prilagođenost mnogih biljaka na topla i suva staništa ogleda se u sposobnosti da prime dovoljno CO2, a da se pri tome ne izgubi suviše vode

-znači, kada se razmatra dejstvo spoljašnjih činilaca na fotosintezu, ne može se od toga odvojiti njihov efekat na disanje i transpiraciju

-osobine svake biljke su ograničene njenim genetičkim okvirima, ali čitav niz individualnih svojstava može da varira što omogućava optimizaciju fotosinteze

-razvojni stadijumi biljke, a naročito starost listova, utiču na efikasnost fotosinteze

- mnoge biljke mijenjaju položaj lista u toku dana i prate položaj sunca, tako da sunčevi zraci uvijek padaju pod optimalnim uglom

-najvažniji spoljašnji faktori koji utiču na fotosintezu su CO2, svjetlost, mineralne soli i temperatura

- produktivnost u različitim ekosistemima je različita (u pustinjama i dr. suvim predjelima ograničavajući faktor je najčešće nedostatak vode; na visokim planinama i u arktičkoj tundri to je niska temperatura i kratak vegetacioni period; u okeanima i morima najčešći ograničavajući faktor u fornjim slojevima gdje su temperatura i svjetlost povoljni je nedostatak nutrijenata)

- fotosinteza se obično mjeri po količini proizvedenog kiseonika ili utrošenog ugljen-dioksida u jedinici vremena- disanje se može mjereiti nezavisno od fotosinteze ako se biljka drži u mraku- ali, ako se osvijetli počinje i fotosinteza i fotorespiracija-na jakoj svjetlosti fotosinteza je dominantan proces-intenzitet svjetlosti pri kome su ova dva procesa izjednačena –kompenzacina tačka za svjetlost- na kompenzacionoj tački biljke proizvode org. mat. onoliko koliko i troše---žive kraće vrijeme---ne rastu---propadaju

-fotosinteza i disanje mogu biti u ravnoteži i preko koncentracije CO2- kada se biljke drže u hermetički zatvorenom prostoru, onda one u

fotosintezi troše CO2 koji stvaraju u disanju i fotorespiraciji---uspostavlja se ravnoteža tri procesa---koncentracija CO2 u ravnoteži zove se kompenzaciona tačka za CO2

-kod C-3 biljaka sa pojačanjem fotosinteze raste količina O2, čime se pojačava fotorespiracija, a time i količina vraćenog CO2 (ova količina CO2 ne može da bude iscrpljena pa ove biljke imaju visoku komp. tačku za CO2)- kod C-4 koje nemaju fotorespiraciju zahvaljujući vrlo aktivnoj PEP-karboksilazi---vrlo niska komp. tačka za CO2