Kloroplasti

FotosintezaMitohondriji

Stanično disanje

PLASTIDI

Organeli biljnih stanica i stanica algi

Proizvodnja i pohranjivanje šećera i drugih molekula

Pigmenti

Diferencijacija od ishodišnog tipa – proplastida

Vlastita DNA u obliku nukleoida (plastom, ptDNA)

Podrijetlo – endosimbiotska teorija

http://en.wikipedia.org/wiki/Plastid

Nastanak fotosinteze u purpurnih bakterija: 3500 MYA

Odvajanje eukariotskih stanica iz arhebakterijske linije: 2700 MYA

Ulazak α–proteobakterije u stanicu: 1900 MYA (mitohondrij)

Odvajanje biljnih od životinjskih stanica: 1600 MYA

Fotosintetska, prokariotska cijanobakterija

Evolucija i nastanak plastida

Tipovi plastida i mogućnosti pretvorbe plastida iz jednog oblika u drugi

Proplastidi u stanicama korijenova vrška gorušice. (Kleinig, Sitte, str. 296, snimak: Wrischer)

Figure 12-3. Razvoj plastida. (A) Proplastidi se nasljeđuju putem citoplazme jajne stanice. Kad se stanica diferencira proplastidi se razvijaju u: kloroplaste, leukoplaste ili kromoplaste. U mraku se razvijaju etioplasti, a plastidi u odumiranju su gerontoplasti.

Copyright © 2002 Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and James D. Watson

Proplastidi i njihova diferencijacija

www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/fo23/04a.jpgSlika je možda zaštićena autorskim pravima.U nastavku je slika na: www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e23/4.htm

ETIOPLASTI se razvijaju u tami, sadrže prolamelarno tijelo i protoklorofil iz kojeg se na svjetlosti razvijaju tilakoidne membraneispunjenje klorofilom.

ETIOPLASTI

Prolamelarnotijelo

botit.botany.wisc.edu/.../Chloroplast_EN.gifSlika je možda zaštićena autorskim pravima.

Kloroplasti. Lijevo svjetlosno-mikroskopska slika, desno elektronsko-mikroskopska slika (ultrastruktura kloroplasta).

KLOROPLASTI

Promjene tijekom pretvorbe kloroplasta u kromoplast

Kromoplasti (globularni tip)(Kleinig, Sitte, Zellbiologie)

Tipovi kromoplasta

mrkva

globularni

tubularni

membranski

kristaloidni

Boje cvjetova i plodova, pigmenti u plastidima (kromoplasti) i pigmenti otopljeni u staničnom soku.

KLOROPLASTI-sadrže zeleni pigment klorofil, enzime i druge molekule koje sudjeluju u fotosintezi

-listovi i ostali zeleni dijelovi biljaka i alga

-nastaju iz proplastida izloženih svjetlu i diobom iz već postojećeg kloroplasta

-ovojnica – dvije membrane; vanjska i unutarnja

-unutar kloroplasta nalazi se sustav membrana -organiziran u obliku spljoštenih vrećica –tilakoidi; granum-tilakoid – višeslojna nakupina tilakoida i stroma-tilakoid – jednoslojni tilakoid

-stroma – tekućina izvan tilakoida

-unutrašnjost kloroplasta – tilakoidi i stroma

-fotosinteza, sinteza lipida, masnih kiselina i škroba

1. Svjetlosna (primarna) reakcija – pretvaranje Sunčeve ukemijsku energiju

2. Biokemijska (sekundarna) reakcija neovisna o svjetlosti –Calvinov ciklus – redukcija ugljikovog dioksida i sintezaugljikohidrata

Svjetlosna reakcija koristi Sunčevu energiju za stvaranje ATP-a i NADPH u kojima je pohranjena kemijska energija koja se koristi tijekom Calvinovog ciklusa za redukciju CO2 i sintezu ugljikohidrata. Tilakoidne membrane (grana-tilakoidi) su mjesta gdje se odvija svjetlosna reakcija, dok se Calvinov ciklus odvija u stromi.

Fotosinteza se izvodi u dvije faze reakcija

Vidljiva svjetlost i ostali oblici elektromagnetske energije – širenje u obliku valova različitih valnih duljina.

Vidljivi dio spektra - valna duljine od 380-760 nm

Svjetlost se ponaša kao skup čestica – fotona

Fotoni - sadrže određenu količinu energije – obrnuto proporcionalna valnoj duljini; što je valna duljina manja energija fotona je veća.

FOTOSINTEZA

• jedini biološki proces u kojem se djelovanjem Sunčeve svjetlosti anorganske tvari mogu pretvarati u organske spojeve

• svjetlosna energija se pretvara u kemijsku – ugljikov dioksid iz atmosfere i voda povezuju se u organske spojeve uz oslobađanje kisika

6CO2 + 12H2O + svjetlosna energija C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Samo klorofil a direktno sudjeluje u svjetlosnoj reakciji i pretvara svjetlosnu u kemijsku energiju. Drugi pigmenti u tilakoidnim membranama apsorbiraju svjetlost i prenose je do klorofila a koji onda pokreće svjetlosnu reakciju.

Klorofil b - apsorpcijski spektar u plavom području spektra vidljive svjetlosti i njegova boja je žuto-zelena.

Klorofil a i klorofil b: klorofil a –maksimalni apsorpcijski spektar klorofila a je u plavo-ljubičastom i crvenom dijelu spektra vidljive svjetlosti - boja klorofila aplavo-zelena.

Struktura molekule klorofila

10.11. Campell 5th, struktura klorofila

Apsorpcija fotona dovodi klorofil u ekscitirano (pobudno) stanje – elektron se premješta u orbitalu veće potencijalne energije. Ako klorofil nije više pobuđen svjetlošću elektron se odmah vraća u prvobitno stanje pri čemu se oslobađa energija u obliku topline i fluorescencije.

10.12. Campbell 5th

Fotoekscitacija izoliranog klorofila

Kako fotosustav hvata energiju? –u membrani tilakoida nalazi se molekula klorofila i primarni akceptor elektrona koji hvata visokoenergizirane elektrone i sprečava vraćanje elektrona u prvobitno stanje. Primarni akceptor elektrona nalazi se uz reakcijsko središte. Ostale molekule kao antene (antenske molekule) hvataju elektrone te prenose energiju do reakcijskog središta (klorofil a).

Reakcijsko središte zajedno s antenskim kompleksom i primarnim akceptorom elektrona čini fotosustav

U membranama tilakoida nalaze se dva fotosustava; fotosustav I i fotosustav II.

-reakcijsko središte u fotosustavu I – molekula klorofila P700

-reakcijsko središte u fotosustavu II – molekula klorofila P680

Fotosintezahttps://www.youtube.com/watch?v=joZ1EsA5_NY

Neciklički protok elektronaKada elektroni kliznu iz fotosustava II u fotosustav I, transportni lanac crpi protone kroz membranu tilakoida; snaga proton-motiva započinje sintezu ATP-a; reakcijsko središte fotosustava II nadoknađuje elektrone iz vode; za svaki par elektrona proizvedenih u svjetlosnoj reakciji apsorbiraju se 4 fotona

pH=5

pH=8

ATP proizvodi ATP sintetaza temeljemrazlike u konc. protona.

Reakcija neovisne o svjetlosti – Calvinov ciklus

-niz reakcija u kojima se koriste molekule NADPH i ATP proizvedene u svjetlosnoj reakciji za redukciju ugljikovog dioksida i stvaranje ugljikohidrata

-u Calvinov cikus ulazi CO2, a izlazi gliceraldehid-3-fosfat koji sadrži tri atoma ugljika i služi kao ishodišni spoj u sintezi glukoze i drugih ugljikohidrata

-za proizvodnju jedne molekule šećera ciklus se mora ponoviti dva puta pri čemu u svaki ciklus ulaze 3 molekule CO2

Vezanje CO2 za ribuloza difosfat; enzim ribuloza-1,5-difosfat karboksilaza (rubisko)katalizira reakciju

Za svake 3 molekule CO2, 3 molekule RuBP se karboksiliraju i nastaje 6 molekula 3-fosfogliceratne kiseline

1,3-difosfogliceratna kiselina

Visokoenergizirani elektroni iz NADPH reduciraju 1,3-difosfogliceratnu kiselinu u gliceraldehid-3-fosfat

Od 3 mol. CO2dobiveno je 6 molekula gliceraldehid-3-fosfata

1 molekula gliceraldehid-3-fosfata koristi se za sintezu šećera, a 5 molekula se vraća u Calvinov ciklus; potrebne za sintezu rubiska pri čemu se utroši dodatne 3 molekule ATP-a

Produkt reakcije je nestabilni intermedijer s 6 atoma ugljika koji prelazi u dvije molekule

3-fosfogliceratne kiseline

Za svake 3 mol. CO2 utroši se 6 ATP-a

Za proizvodnju jedne molekule gliceraldehid-3-fosfata uCalvinovom ciklusu potrošeno je 9 molekula ATP-a i 6molekula NADPH

Za sintezu glukoze potrebne su dvije molekule gliceraldehid-3-fosfata, odnosno dva Calvinova ciklusa

Ukupno:

Za sintezu jedne molekule glukoze u Calvinovom ciklusuutrošeno je 18 molekula ATP-a i 12 molekula NADPH

Biljke kod kojih tijekom Calvinovog ciklusa nastaje molekulas 3 ugljikova atoma nazivaju se C3 biljke, npr. šećerna repa,soja.

C3 vs c4 biljke

• ~95% biljaka• evolucijski starije• efikasnija fotosintezau umjerenim uvjetimai mnogo vode

• ~5% biljaka• evolucijski novije• efikasnija fotosintezau suhim i vrućim uvjetima te niskekonc CO2

C4 tip fotosinteze – intercelularnitransport C4 dikarbonske kiseline malata iliaspartata u stanice žilnog ovoja

C4 biljke – stanice žilnogovoja i mezofilne stanice(kloroplasti tih stanica serazlikuju)

šećerna trska, kukuruz

1. Korak –vezanje CO2 za fosfoenolpiruvat (PEP) pri čemu nastaje oksalacetat –reakcija katalizirana PEP karboksilazom (ima veći afinitet prema CO2 od rubiska)

PEP karboksilaza veže CO2učinkovitije od rubiska usuhim i vrućim uvjetimakada zbog zatvorenosti pučipada koncentracija CO2, akoncentracija kisika raste

Nakon fiksacije CO2, iz stanica mezofila u stanicežilnog ovoja C4 biljaka dolazi molekula s 4 ugljika(malat) iz koje se oslobađa CO2 koji ulazi uCalvinov ciklus

Fotosintezahttps://www.youtube.com/watch?v=joZ1EsA5_NY

Reakcije ovisne o svjetlostihttp://www.youtube.com/watch?v=hj_WKgnL6MI

Komplementarnost dvaju organela u staničnom metabolizmu

MITOHONDRIJI-u svim eukariotskim stanicama

-njihov broj ovisi o metaboličkoj aktivnosti stanice (nekoliko stotina do nekoliko tisuća)

-pokretljivi, mijenjaju oblik, dijele se i stapaju

-otkriveni u 19. stoljeću →vidljivi svjetlosnim mikroskopom

-1948. izolirani iz stanica jetre →upoznavanje biokemije i fiziologije

-ovojnica – dvije membrane; vanjska glatka i unutarnja nabrana (kriste)

-membrane razdvajaju mitohondrij u dva odjeljka; međumembranski prostor i mitohondrijski matriks

Vanjska membrana

- prijenos malih molekula - porini 5000 Da; velike molekule - kanali

Međumembranski prostor

- obzirom na sadržaj malih molekula sličan citosolu ali se razlikuje u sadržaju proteina – apoptoza

Matriks

- odvijanje metaboličkih koraka u procesu staničnog disanja; sadrži različite enzime Krebsovog ciklusa

Unutarnja membrana

- Specifični lipid kardiolipin, proteini koji sudjeluju u staničnom disanju uključujući enzim odgovoran za sintezu ATP-a

- 75% unutarnje membrane čine proteini

-nabori povećavaju površinu unutarnje membrane –učinkovitost staničnog disanja

Wikipedia.org

Mitohondriji se dijele binarnom fisijom – sinkrono sa stanicom, alii ovisno o fiziološkoj potrebi stanice.

Fuzija mitohondrija – popravak DNA i ojačavanje organela

Životni ciklus mitohondrija

Kemijske reakcije - oksidacija i redukcijaoksidacija – gubitak elektrona sa ili bez vodika iz molekule; oksidativna reakcija razgrađuje složene molekule u jednostavnije – kataboličkiproces – oslobađa se energija

redukcija – dodavanje elektrona sa ili bez vodika nekoj molekuli –mijenja se sastav molekule ali ne nužno i veličina; npr. sinteza lipida obično uključuje sintezu složenijih molekula i predstavlja primjer anabolizma

živi organizmi – oksidacija i redukcija ugljika; reducirani ugljik ima više energije nego oksidirani, npr. metan CH4 je eksplozivan dok CO2 nije

energiju pohranjenu u kemijskim spojevima stanica koristi za rad; ostatak odlazi u toplinu

šećeri kao glavno gorivo – visoka energetska vrijednost (istodobno oslobađanje energije pohranjene u svim kemijskim vezama u obliku topline - letalno visoka temperatura)

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energija

∆G0 = -686 kcal mol-1

izdvajanje energije iz šećera i drugih organskih spojeva sporom oksidacijom molekula tijekom niza kemijskih reakcija

enzimi – proteini pomoću kojih stanica razgrađuje složene organske spojeve bogate energijom na jednostavne produkte manje energetske vrijednosti

Usporedba biološke kontrolirane i kemijske nekontrolirane reakcije

1. Glikoliza

2. Krebsov ciklus – ciklus limunske kiseline

3. Transportni lanac elektrona i oksidativna fosforilacija

Glikoliza

• odvija se u citosolu; započinje razgradnjom glukoze na dvijemolekule pirogrožđane kiseline

Krebsov ciklus

• odvija se u matriksu mitohondriju; razgradnja derivatapirogrožđane kiseline na ugljikov dioksid

Stanično disanje – kumulativna funkcija triju metaboličkih procesa

Glikoliza i Krebsov ciklus – sinteza male količine ATP-aGlikoliza i Krebsov ciklus u funkciji proizvodnje energijom nabijenih elektrona za odvijanje oksidativne fosforilacije – nastaje najviše ATP-a

Transportni lanac elektrona i oksidativna fosforilacija – velike količine ATP-a

•transportni lanac elektrona – skupina proteinskih kompleksa u unutarnjoj membrani mitohondrija

•energetska vrijednost elektrona, odvojenih od visoko energiziranih molekula nastalih tijekom glikolize i Krebsovog ciklusa, u transportnom lancu elektrona obara se pomoću kisika do nižeg energetskog stupnja

•proces završava oksidativnom fosforilacijom – vezanje egzergonog klizanja protona sa sintezom ATP-a

Stanično disanje – kumulativna funkcija triju metaboličkih procesa

Stanično disanje – kumulativna funkcija triju metaboličkih procesa

-pregled-

Fermentacijom i staničnim disanjem nastaje molekula adenozin trifosfat (ATP) - pohranjena energija koju stanica koristi za rad i povezivanje reakcija metabolizma

Drugi spojevi uključeni u proizvodnju energije

•Anorganski pomagači – kofaktori-ioni: Mn2+, Mg2+, Na+ (prijenos fosfatnih skupina)

•Organski pomagači – koenzimi•Nukleotidi – količina pohranjene energije ovisi o njihovom oksidativnom stanjuili prisutnosti/odsutnosti određene fosfatne veze (prijenos elektrona)

Npr. Nikotinamid-adenin-dinukleotid – NAD+

-aktivni dio je nikotinamid (prsten koji sadrži dušik), derivat nikotinske kiseline(B3 vitamin)-reducirani oblik je NADH-NAD+ + 2H+ + 2 e- NADH + H+

Nikotinamid-adenin-dinukleotid fosfat– NADP+

-slične strukture kao i NAD s dodatkom fosfatne skupine

-reducirani oblik - NADPH

-u fotosintezi (anaboličke reakcije)

Flavin-adenin-dinukleotid – FAD

-FAD + 2 e- + 2 H+ -> FADH2

- koenzimski oblik riboflavina (vit. B) – sudjeluje u staničnom disanju

Citokromi

-proteini koji sadrže metale; prenose elektrone; kada željezo u citokromuoksidira nalazi se u obliku Fe3+, a kada primi e- ono se reducira u Fe2+

Enzimi

-globularni proteini kataliziraju reakcije smanjenjem energije aktivacijeneke reakcije

Drugi spojevi uključeni u proizvodnju energije

Faza ulaganja energije

Faza isplate energije

Neto

Glikoliza, sumarno

Što raditi s pirogrožđanom kiselinom ako kisika nema ili nam ne treba?

bakterije i kvasci: pivo i vino mliječna industrija i „muskulfiber”

Krebsov ciklus – ciklus limunske kiseline

1. korak – oksidacijska dekarboksilacija pirogrožđane kiseline kojom sestvara acetil-koenzim A (acetil-CoA); aktivirani acetil se tada potpunooksidira do CO2 u ciklusu limunske kiseline

9.10, Campbell 5th, Stvaranje acetil-CoA

1. Razgradnja pirogrožđane kiseline u matriksu mitohondrija odvajanjem karboksilne skupine (nizak energetski potencijal) i spajanje acetila s CoA u acetil-CoA (visokoenergetska nestabilna veza) koji ulazi u Krebsov ciklus; NAD+

reducira se u NADH.

2. U svakom krugu Krebsovog ciklusa ulaze 2 ugljika u relativno reduciranom obliku acetilne skupine, a dva ugljika u oksidiranom obliku molekule CO2napuštaju Krebsov ciklus

3. Energija nastala tijekom oksidativnih reakcija u Krebsovom ciklusu pohranjena je u elektronima visokog potencijala molekula NADH i FADH2. Za svaku acetilnu skupinu koja ulazi u ciklus tri mokelule NAD+ i jedna molekula FAD+ se reduciraju u NADH i FADH2. U jednom koraku stvara se ATP fosforilacijom na razini supstrata.

Oksidativna fosforilacija i transportni lanac elektrona

Oksidatvna fosforilacija je proces u kojem nastaje ATP kada se elektroni prenose sa NADH i FADH2 na molekulski kisik putem niza nosača elektrona.

•Oksidativnom fosforilacijom nastaje najveća količina ATP-a putem kemiosmotskog mehanizma

•Od 30-32 molekula ATP koje nastaju potpunom oksidacijom glukoze na CO2 i H2O, njih 26-28 nastaje oksidativnom fosforilacijom

•U ovoj fazi staničnog disanja kisik je nužan

•U nizu redoks reakcija transportni lanac prevodi elektrone od NADH i FADH2 do kisika

•Transportni lanac koristi protok elektrona za crpljenje protona kroz unutarnju membranu mitohondrija, a energiju pohranjuje u obliku protonskog gradijenta

Transportni lanac elektrona

Svaki član lanca (prvi član flavoprotein, zatim slijedi željezo-sumporni protein, citokromi) oscilira između reduciranog i oksidiranog stanja

Reducirano stanje kada prihvaćaju elektrone, a oksidirano kad ih otpuštaju

Prijenos elektrona nizvodno do kisika koji ima veliki afinitet prema elektronima

Kisik prihvaća dva vodikova iona i stvara vodu. Za svake dvije molekule NADH reducira se jedna molekula kisika i dvije molekule vode9.13. Campbell 5th

Gradijent protona stvara se na tri mjesta (proteinska kompleksa) transportnog lanca – neki proteini crpe protone dok drugi prenose elektrone

Sinteza ATP tijekom difuzije protona kroz enzim ATP-sintazahttps://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5Kw

pH 7

pH 8

Elektrokemijska priroda gradijenta protona

Kemijska komponenta = gradijent pHElektrična komponenta = pozitivno nabijeni H+ ioni inegativno nabijena unutarnja strana lipidnog dvoslioja matriksa.

Gradijent protona povezuje oksidaciju s fosforilacijom

Egzergoni proces u kojem elektroni teku od NADH do O2 povezan je sa sintezom ATP-a

Gradijent protona koji prolaze kroz membranu koristi se za sintezu ATP; ioni se nastoje vratiti difuzijom

ATP-sintaza proteinski kompleks – pumpa, smješten u unutarnjoj membrani dopušta prolaz protona difuzijom niz gradijent

ATP-sintaza fosforilira ADP kada protoni prolaze kroz protein

NADH = 3 ATP

FADH2 = 2ATP Stvaranje protonskog gradijenta potaknuto je sunčevim svjetlom u slučaju fotosinteze ili energijom od organskih spojeva tijekom staničnog disanja

Fo

F1

Summa summarum energetike stanične respiracije/disanja

Integracija katabolizma molekula koje daju energiju

http://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5Kw

https://www.youtube.com/watch?v=3y1dO4nNaKY

http://www.youtube.com/watch?v=jRdJB7ID5lY&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=LTIg9I3N-JM&feature=relmfu

http://www.youtube.com/watch?v=XJiYpa3hwEA&NR=1&feature=endscreen