FOTOSINTEZA
• Fotosinteza • Proces u kome biljka pomoću zelenog pigmenta (hlorofila) apsorbuje energiju sunčeve svjetlosti, i uz CO2 i H2O usvojene iz spoljne sredine, pretvara u energetski bogata organska jedinjenja. 6CO2 + 6H2O
hlorofil
C6H12O6 + 6O2
Energija koja se stvara je 2850 kJ mol 2
• Jedini sistem pomoću koga se ugljenik iz vazduha i sunčev zrak transformiše u hemijsku energiju organskih jedinjenja je zelena biljka • Održavanje života na zemlji ne bi se moglo zamisliti bez fotosinteze. • Fotosintetički organizmi kao donor elektrona, odnosno vodonika za redukciju CO2 ili nekog drugog akceptora koriste vodu. • Usled oksidacije vode dolazi do oslobañanja O2: 6CO2 + 6H2O hlorofil C6H12O6 + 6O2 3
• Značaj – oslobaña se kiseonik (1t C – 2,7t O2). • Osim ugljenika, kiseonika i vodonika za sintezu organske materije potrebni su i drugi elementi (azot, fosfor, sumpor i dr). Sav C za 250 g. proñe kroz fotosintezu. • Zahvaljujući fotosintezi dolazi do kruženja min. elemenata u prirodi. • Cilj biljne proizvodnje je stvaranje organske materije (44 mild t – 6 t se vraća u atm., 16t se veze na kopnu, 22 t u mora i okeane).
• Organska materija je rezultat fotosinteze - osnovni zadatak biljne proizvodnje je maksimalno iskorišćavanje potencijala fotosintetičkog aparata (čovjek iskoristi 20% uk.biljne mase gajenih biljaka). • Potrebno je poznavanje mehanizma i ekologije fotosinteze. 4
Fotosinteteski pigmenti
• Uloga fotosintetičkih pigmenata je da apsorbuju svjetlost i da je preko fitohemijskih reakcija učine korisnom za biljku. • U fotosintetičkom aparatu viših biljaka najznačajniji pigmenti su hlorofili i karotenoidi, sastavljeni od jedinjenja koja apsorbuju svjetlost: tetrapiroli i izoprenoidi.
5
• Hlorofil • Hemijske i fizičke osobine. • Više biljke sadrže dvije vrste hlorofila: • hlorofil a (C55H72O5N4Mg) i • hlorofil b (C55H70O6N4Mg). • Oni se nalaze u tilakoidima hloroplasta. • Osnovna gradivna jedinica hlorofila su četiri pirolova prstena koji su petočlana meñusobno povezani metinskim grupama (-CH=) čineći tako porfirinski prsten u čijem središtu se nalazi Mg vezan za atome azota pirolovog prstena. 6
7
• Hlorofil b se razlikuje od hlorofila a samo po tome što se na trećem ugljenikovom atomu drugog pirolovog prstena umjesto metil (CH3) nalazi aldehidna grupa (COH), što čini da se razlikuju po apsorpcionom spektru i boji. • Hlorofil a ima maksimum apsorpcije u crvenom dijelu spektra, a u plavom spektru hlorofil b.
8
• Za fotosintezu je naročito značajan hlorofil a, čija dva oblika, P700 i P680 sa maksimumom apsorpcije pri 700 odnosno 680 nm, predstavljaju reakcione centre u fotosistemu I (FSI) odnosno II (FSII).
hlorofil 9
Količina hlorofila a : b u listovima većine biljaka kreće se u odnosu oko 3:1. Hlorofil b u odnosu na hlorofil a ima manju važnost za fotosintezu, i veoma efikasno prenosi sopstvenu energiju iz pobuñenog stanja na hlorofil a. Od ukupne količine hlorofila preko 90% nalazi se u hlorofilprotein kompleksima, koji su duboko uronjeni u lipidni sloj membrana tilakoida. Apsorpcioni spektar hlorofila a (hl.a) i hlorofila b (hl.b) 10
• Ekstrakcija hlorofila – organskim rastvaračima (aceton, alkohol). Razdvajanje hromatografijom. • Dvojaka svojstva molekula hlorofila: – fitolni rep hidrofoban –nerastvorljiv u vodi, – porfirinsko jezgro (prsten) –rastvorljivo u vodi
Prekursor za sintezu porfirina su glicin i sukcinil-CoA, metabolit iz ciklusa limunske kiseline. Sinteza protohlorofilida iz kojeg nastaju hlorofil a i b
11
• Dva fotosistema (FSI i FSII) sa P700 i P680 • Učestvuju u fotosintetičkom transportu elektrona • Oko 90% hlorofila nalazi se u tri pigment-protein kompleksa – FSI, sadrži P700 – FSII, sadrži P680 – LHCI i LHCII (light harvesting complex) –kompleksi za skupljanje energije. U njima se nalazi oko 50% hl a i sva količina hl b Prigment-protein kompleksi su duboko uronjeni u lipidni sloj membrane tilakoida 12
Organizacija proteinskog kompleksa membrane tilakoida. Fotosistem II je najčešće lociran na spojenim regionima membrane tilakoida; Fotosistem I i ATP sintetaza se nalaze u nevezanim regionima koji se produžavaju u stromu. Cit b6f kompleksi su sporadično rasporeñeni. Ova separacija dva fotosistema zahtijeva da se elektroni i protoni proizvedeni u fotosistemu II transportuju dosta dugo prije nego se uključe u fotosistem I i ATP enzim spajanja. 13
Činioci koji utiču na sadržaj hlorofila • Spoljašnji: - svjetlost – etiolirane biljke; utiče kvalitetom (crvena ) i intenzitetom (zasjenjeni) - temperatura – opt. 25oC, max. 40oC - mineralna ishrana – Mg i N utiču na sintezu. Fe - koncentracija kiseonika, vlažnost zemljišta i vazduha, zagañenost sredine pesticidima, teškim metalima i štetnim gasovima.
• Unutrašnji: - botanička pripadnost – genotipovi sa većom konc.hlorofila - starost, fiziološka aktivnost listova - zdravstveno stanje i dr. 14
Karotenoidi • Pored hlorofila u fotosintetskom aparatu nalaze se i narandžasto-žuti pigmenti, karotenoidi (produkti izoprena, 8 izoprenskih jedinica, zbog vel.broja konjugovanih dvostrukih veza su obojemi).
• Dijele se na karotene (narandžastocrvene boje) i ksantofile (žute boje). Karotenoidi se nalaze u tilakoidnim membranama. • Najzastupljeniji karoteni su: karoten, likopen, neurosporen, fitofluen i fitoen, • najzastupljeniji ksantofili: violaksantin, zeaksantin, fukoksantin, lutein, neoksantin, kapsantin, rubiksantin. 15
• Fiziološka uloga. Karotenoidi apsorbuju svjetlost u plavom dijelu vidljivog spektra (od 422 do 491 nm) i dijelom u zelenom (od 492 do 550 nm) te proširuju spektar apsorpcije fotosintetičkog aparata. Apsorbuju 10 do 20% ukupne sunčeve svjetlosti i da tu svjetlosnu energiju prenose na hlorofil a. • Pripisuje im se i zaštitna uloga, jer oni štite fotolabilan fotosintetički sistem od oksidativne fotodestrukcije. • Sa agronomskog stanovišta - utiču u velikoj mjeri na izgled a time i tržišnu vrijednost poljoprivrednih proizvoda i ukrasnih biljaka, u prvom redu voća, povrća i cvijeća. • Pošto je β-karoten provitamin A, njegov sadržaj je značajan za biološku vrijednost brojnih proizvoda, posebno povrća. Karoten C40H56 produkt izoprena
16
Značaj svjetlosne energije u procesu fotosinteze • Zračenje koje u prirodi dospijeva do biljaka pripada oblasti kratkotalasne sunčeve radijacije u intervalu od 300 do 4000 nm (integralna) i dalekotalasne radijacije preko 4000 nm (toplotna). • Za životne procese biljaka najveći značaj ima integralna, kratkotalasna radijacija koja se uslovno može dijeliti na: – ultraljubičasto zračenje (od 300 do 390 nm), 9%, – vidljivi dio spektra (od 390 do 760 nm), 40% i – blisku infracrvenu radijaciju preko 760 nm, 51%. 17
Značaj svjetlosne energije u procesu fotosinteze Spektralni sastav sunčeve svjetlosti
Pod fotosintetički aktivnom radijacijom (FAR) smatra se opseg talasnih dužina zračenja pri kojem se vrši fotosinteza. Ona se u viših biljaka kreće od 390 do 710 nm. Svjetlost kraćih talasnih dužina ispod vidljivog dijela spektra, biljke još koriste za fotohemijske reakcije sve do 300 ili 290 nm. Ultraljubičasto zračenje kraćih talasnih dužina od 290 nm djeluje destruktivno na žive organizme. Biljke u toku vegetacije prosječno iskorišćavaju sunčevu energiju sa svega 1-2%.
18
Svjetlost koja dospijeva na površinu biljke jednim dijelom se: -Reflektuje -Neiskorišćena prolazi kroz tkivo -Koristi se za fiziološke procese FAR se apsorbuje 70-90%, reflektuje 5-12% a 5-8% propušta Biljke iskorišćavaju sunčevu energiju oko 1-2%
Spektar apsorpcije nekih fotosintetskih pigmenata 1-bakteriohlorofil a, 2-hlorofil a, 3-hlorofil b. 4-fikoeritrobilin, 5-βkaroten. U većini slučajeva spektar fotosintetičkih pigmenata direktno je pod uticajem uslova sredine fotosintetičkih membrana
19
Mehanizam fotosinteze
• Fotosinteza se može podijeliti na dvije faze, na svjetlosnu i tamnu fazu. Povezanost svjetlosne i tamne faze fotosinteze
20
Svijetla faza obuhvata sledeće etape: -apsorpciju i migraciju svjetlosne energije, -razgradnju vode - obrazovanje O2, -stvaranje redukcionih ekvivalenata – NADPH i fotofosforilaciju – sintezu ATP. -Za ovu fazu fotosinteze potrebna je svjetlost.
Tamna faza fotosinteze obuhvata: fiksaciju CO2 i njegovu redukciju pomoću NADPH i ATP koji su stvoreni u svjetlosnoj fazi fotosinteze. Za odvijanje ove faze fotosinteze nije potrebna svjetlost.
21
Apsorpcija i preobraćanje svjetlosne energije • Pobuñivanje molekula hlorofila. Kada jedan molekul apsorbuje jedan kvant svjetlosti (foton) on prelazi u pobuñeno stanje (S1). • Za fotosintezu je naročito značajno pobuñeno singletno stanje, pošto se apsorbovana svjetlosna energija u fotosintetičkom aparatu prenosi takvim stanjem preko pojedinih oblika hlorofila do reakcionog centra. • Vraćanje molekula u osnovno stanje. Molekul ne ostaje dugo u pobuñenom stanju, on za kratko vrijeme gubi višak energije i prelazi u osnovno stanje (So). • Pri prelazu sa prvog pobuñenog singletnog stanja u osnovno stanje (S1 → So) • višak toplote može da se oslobodi u različitim oblicima: - U vidu toplote (gubitak e.), - Emisijom kvanta svjetlosti – fluorescencija (gubitak energije). - Prenosom energije na susjedni molekul bez zračenja (membrane tilakoida). - Fotohemijski rad (reakcioni centar). 22
Usvajanje i emisija svjetlosti u hlorofilu. (A) energetski dijagram. Apsorpcija ili emisija svjetlosti je označena vertikalnim linijama koje povezuju osnovno stanje sa stanjem pobuñenog elektrona. Plava i crvena apsorpcija hlorofila odgovara vrtikalnim strelicama ukazujući da je apsorbovana energija svjetlosti uzrokovala promjenu molekula od osnovnog na pobuñeno stanje.
Više pobuñeno stanje
Gubici toplote
Niže pobuñeno stanje
Fluorescencija
Strelice koje pokazuju na dolje ukazuju na fluorescenciju, u kojoj molekul ide od najnižeg pobuñenog stanja do osnovnog stanja u toku emitovanja energije u obliku fotona. (B)spektar apsorpcije i fluorescencije. Duge talasaste linije (crveno) apsorpcione trake hlorofila odgovaraju svjetlosti koje ima dovoljno energije da izazove transmisiju od osnovnog stanja do prvog pobuñenog stanja. Kratka talasasta linija (plava) apsorpciona traka 23 odgovara tranziciji ka višem pobuñenom stanju.
• Prenos energije pobuñenog stanja. Da bi jedan molekul hlorofila mogao da učestvuje u transportu elektrona potrebno je da je u neposrednoj vezi sa molekulom donora elektrona i sa molekulom akceptora elektrona. Ovaj uslov je ispunjen kod malog broja molekula hlorofila, odnosno samo kod molekula fotosintetičkih centara (P700 i P680). Svjetlosna energija koju je apsorbovao molekul jednog pigmenta može da se prenosi na drugi ako spektar apsorpcije ili fluorescencije molekula donora energije jednim dijelom prekriva spektar apsorpcije molekula akceptora energije, ako razdaljina izmeñu centara molekula nije veća od nekoliko nm.
24
Prenos energije izmeñu dva različita molekula. Apsorpcioni spektar molekula donora energije (A) i akceptora (B) se neznatno preklapaju, dok se spektar fluorescencije molekula A i apsorpcioni spektar molekula B jako preklapaju
Prenos energije uvijek se vrši iz pravca molekula sa kraćom talasnom dužinom apsorpcije, prema molekulu sa dužom talasnom dužinom apsorpcije (npr. hla670 → hla678→ hla695 → hla700). Svjetlosna energija koju apsorbuju pomoćni pigmenti može se koristiti u fotosintezi samo ako se prenosi do reakcionih centara, hlorofila a. 25
• Fotosintetička jedinica • Predstavlja najmanji hlorofil-protein kompleks koji je sposoban da obavi fotosintezu. • Fotosintetičkoj jedinici pripada i elektron transportni lanac koji povezuje reakcione centre. Na osnovu toga može se reći da molekuli hlorofila u fotosintezi učestvuju u grupama. • Za izlučivanje jednog molekula O2 i redukciju jednog molekula CO2 potrebno je 8 do 11 kvanata, to znači da 180 do 400 molekula hlorofila čine jednu fotosintetičku jedinicu. • U organizmima koji pri fotosintezi oslobañaju O2 zajednički djeluju dvije svjetlosne reakcije, I i II, odnosno fotosistem I (FSI) i fotosistem II (FSII).
26
Osnovni koncept prenosa energije tokom fotosinteze. Brojni pigmenti zajedno služe kao antena skupljajući svjetlost i transportujući njegovu energiju prenosom elektrona od hlorofila do molekula akceptora elektrona.
Odnos stvaranja kiseonika i svjetlosne energije. U fazi zasićenja energijom, maksimalna proizvodnja O2 je 1 molekul na 2500 molekula hlorofila.
Donor elektrona tako ponovo redukuje hlorofil. Prenos energije u anteni je fizički fenomen i ne uključuje hemijske promjene 27
• Fotosintetski fotohemijski sistem. Ovaj sistem sastoji se od tri osnovne komponente: - molekula pigmenata vezanih za proteine, koje apsorbuju, transportuju i koncentrišu svjetlosnu energiju, - fotohemijskog reakcionog centra koji svjetlosnu energiju pretvara u hemijsku - elektron transportnog lanca koji prenosi redukcionu snagu (pobuñene elektrone) do krajnjeg akceptora, NADP, koji se redukuje i nastaje NADPH.
Lokalizacija fotosintetičkog lanca transporta elektrona u membrani tilakoida FSI – fotosistem I, FSII – fotosistem II, CIT – proteinski kompleks transporta elektrona, CF0- CF1- proteinski kompleks fotofosforilacije, Fd – feredoksin, FNR – feredoksin-NADP-reduktaza, PC – plastocijanin, Ph – feofitin, QA, 28 QB – plastohinon, PQH2 – redukovani plastohihon, Pi – neorganski fosfor
29
30
Transport elektrona
• Apsorpcija kvanta svjetlosti izaziva oksido-redukcione procese pri čemu dolazi do transporta elektrona od jednog jedinjenja do drugog. • Zavisno od putanje elektrona razlikuju se tri tipa transporta elektrona: – ciklični, kada se elektroni u kružnom transportu vraćaju na sopstveni reakcioni centar (P700); – neciklični, elektroni se ne vraćaju na sopstveni reakcioni centar (P680) zbog čega putanja ima izgled otvorenog lanca; i – pseudociklični transport elektrona koji zavisi od aktivnosti oba fotosistema i pripada necikličnom tipu.
31
• U elektron transportnom lancu elektroni se prenose od jedinjenja sa negativnijim ka jedinjenju sa manje negativnim redoks – potencijalom, tj. po gradijentu redoks potencijala. Redoks-potencijal sastojaka hloroplasta je od P680 u FSII (+0,9) do PC (0,0), a onda ka citohromu b6 (-0,05 i -0,17) do FA, FB i Fx u FSI (-0,55, 0,59, odnosno -0,73) ATP sintetaza.
• Ovaj tip prenosa elektrona odvija se spontano, bez utroška energije. • Kao redoks sistemi učestvuju: metaloproteidi, citohromi, hinoni, flavoproteidi i piridinnukleotidi (NADP kod biljaka i NAD kod fotos.bakt., P700 kod biljaka). 32
Oba FS I i II u centralnom dijelu sadrže veliki broj za proteine vezanih molekula hlorofila a
Prenos elektrona i protona u tilakoidnim membranama je vertikalno sa 4 proteinska kompleksa. Oksidacijom vode protoni se oslobañaju u lumen sa FSII. FSI redukuje NADPH u stromi preko aktivnosti feredoksina (Fd) i flavo-protein-feredoksin-NADP reduktaze (FNR). Protoni se takoñe transpotuju u lumen aktivnošću citohroma b6f kompleksa i doprinose elektrohem.protonskom gradijentu. Ovi protoni se moraju kretati do ATPaze gdje se njihova difuzija niz elektrohem.gradijent koristi za sintezu ATP u stromi. 33 Redukovani plastokinon (PQH2) i plastocijanin prenose elektrone u citohrom b6f odnosno u PSI.
Jak reduktant Slab reduktant
Slab oksidant
Fotosistem I Jak oksidant
Z šema fotosinteze. Fotosistem II
Crvena svjetlost apsorbovana od FSII daje jakog oksidanta i slabog reduktanta. Apsorbovana daleka crvena svjetlost u FSI daje jakog reduktanta i slabog oksidanta. Jaki oksidant pokrenut u FSII oksidiše vodu, dok jaki reduktant u FSI redukuje NADP+.
Ova šema je osnova za razumijevanje fotosintetskog transporta elektrona. P680 i P700 odnose se na maksimalnu apsorpciju reakcionih centara hlorofila u FSII osnosno FSI.
34
• Ciklični transport elektrona. • U cikličnom transportu elektrona učestvuje samo FSI. Odigrava se u tilakoidima grana i strome. • Svjetlosna energija koju skupljaju antena pigmenti fotosistema I prenosi se od molekule do molekule sve do reakcionog centra P700. • U reakcionom centru dolazi do ekscitacije jednog elektrona koji redukuje primarni akceptor, zatim elektron prelazi na feredoksin (Fd) gdje redukuje atom gvožña: Fe3+ + e* → Fe2+ U energiji bogati elektron feredoksina daje svoj elektron cit b6 odnosno cit b6-f kompleksu, odakle se preko plastocijanina (Pc) vraća na svoje polazište, na P700. stvorena energija se kortisti za stvaranje protonskog gradijenta izmeñu unutrašnje i spoljašnje strane membrane. Time je ciklična putanja elektrona u FSI završena. Krajnji proizvod cikličnog 35 transporta elektrona je ATP.
• Neciklični transport elektrona. • U necikličnom transportu učestvuju oba fotosistema • Reakcioni centar FSII P680 se pod uticajem apsorbovane svjetlosne energije ekscitira i otpušta elektron. • Primarni akceptor elektrona je feofitin (Ph), posle toga elektron prvo redukuje plastohinon (QA i QB) a zatim prelazi na citohrom b, citohrom f i posredstvom plastiocijanina, mobilnog proteina koji sadrži Cu dospijevaju na oksidisani P700. • FSII se nalazi na unutrašnjoj (oksidacionoj) strani membrane tilakoida i povezan je sa enzimskim kompleksom u kojem se odigrava fotoliza tj. razgradnja vode pomoću svjetlosti. Sumarna jednačina necikličnog transporta elektrona: 2NADP+2H2O+2ADP+2Pi hloroplast 2NADPH2+2ATP+O2
36
Detaljna Z šema. Redoks nosači su smješteni u sredini redoks potencijala (na pH 7). (1) Verikalna strelica pokazuje usvajanje fotona od reakcionog centra hlorofila: P680 za FSII i P700 za FSI. Pobuñeni hlorofil reakcioni centar FSII, P680* predaje elektron feoftinu (Pheo). (2) Na oksidativnoj strani FSII (lijevo od strelice koja povezuje P680 sa P680*) P680 oksidisan od svjetlosti se re-redukuje sa Yz, koji prima elektrone iz oksidacije vode. (3) Na reduktivnoj strani FSII (desno od strelice koja povezuje P680 sa P680*), feoftin-prenosi elektrone do akceptora plastokinona (PQ) QA i QB. (4) Citohrom b6f kompleks prenosi elektrone do plastocijanina (PC), rastvorljivog proteina, koji redukuje P700* (oksidovan P700). (5) Akceptor elektrona od P700* (A0), smatra se da je hlorofil, a sledeći akceptor (A1) je kinon. Serija u membrani vezanih Fe-S proteina (FeSx, FeSA i FeSB) prenosi elektrone na rastvorljivi feredoksin (Fd). (6) Rastvorljiva flavoprotein feredoksin-NADP 37 reduktaza (FNR) redukuje NADP+ u NADPH, koji se koristi u Kalvinovom ciklusu za redukciju CO2. Isprekidana linija pokazuje ciklični transport elektrona oko FSI
Unutrašnjost tilakoida
• Za obrazovanje jednog molekula O2 potrebno je iz dva molekula vode oduzeti cetiri elektrona. • Molekul P680+ može elektrone da primi samo pojedinačno. • Oslobañanje kiseonika vezano je sa kompleksom kojem u odreñenom stepenu oksidacije nedostaju četiri elektrona - tada se oksidacijom vodi oduzimaju 4 elektrona i kompleks time prelazi u osnovno stanje. • Donorna strana reakcionog centra FSII u toku izdvajanja jedne molekule O2 nalazi se u različitim stanjima oksidacije, tj. prelazi kroz S-stanja (skladištenje).
Fotosistem II
• Enzimski kompleks u kojem dolazi do fotolize vode sadrži mangan, kalcijum i hlor. 38
39
40
Pseudociklični transport elektrona – učestvuju oba fotosisteme FSI i FSII. Obrazuje se ATP ali ne i NADPH. Primarni produkt redukcije kiseonika je superoksid O2* radikal koji se hidratiše u H2O2 ili se vraća u O2 pomoću SOD. Pseudociklični transport elektrona značajan za regulaciju asimilacije CO2 i kao zaštita hloroplasta od fotoinhibicije.
41
Fotofosforilacija • Kao rezultat transporta elektrona u fotosintetičkom elektron transportnom lancu dolazi do obrazovanja NADPH2 i nakupljanja svjetlosne energije u vidu ATP. • Teorija Michella, prema kojoj vezu izmeñu transporta elektrona i fosforilacije čini razlika u koncentraciji H+ jona izmeñu dvije strane membrane, odnosno razlika u električnom potencijalu.
Šematski prikaz Michellove hemiosmotske teorije fotofosforilacije i protonske pumpe, I i II – fotosistem, PQ – plastohinon izmeñu redoks ciklusa, CF0 – protonski kanal, CF1 – dio ATPaze 'faktora povezivanja'
• Za sintezu ATP dovoljno da postoji razlika od dvije pH jedinice u gradijentu izmeñu spoljašnje i untrašnje strane tilakoidne membrane. Unutrašnja strana pH je kisela, a pH spoljašnje strane je alkalna. 42
U transportu protona u unutrašnjosti tilakoida centralnu ulogu ima plastohinon (PQ) Redukovani molekuli PQ na unutrašnjoj strani membrane se oksiduju i odgovarajuće elektrone prenose na FSI. Na taj način se nadoknañuje manjak elektrona u FSI. Elektrone osloboñene iz reakcionog centra FSII nadomjeste elektroni koje se oslobañaju pri fotooksidaciji vode. Izvor energije predstavlja nastala razlika u vrijednosti pH čije se izjednačenje iskorišćava za sintezu ATP.
43
Sintezu ATP od ADP, Pi i protona katalizuje ATP-aza ili ATP sintetaza. Naziva se i faktor povezivanja (CF) pošto povezuje tok elektrona (i protona) u fosforilaciji.
ATP-aza se u hloroplastima nalazi u membrani tilakoida strome.
Struktura ATP sintetaze. Ovaj enzim se sastoji od velikog kompleksa podjedinica. CF1 zakačen je za membranu sa strane strome i prolazi kroz cijelu membranu, poznato kao CFo. CF1 sastoji se od 5 različitih polipeptida, označenim grčkim slovima α3, β3, γ, δ, ε. CFo sadrži vjerovatno četiri polipeptida označenim kao a, b, b’, c12.
44
Tamna faza fotosinteze, vezivanje i redukcija CO2 • U tamnoj fazi fotosinteze dolazi do vezivanja i redukcije CO2 pomoću NADPH + H+ i ATP, koji se obrazuju u svijetloj fazi fotosinteze. • Za odvijanje tamne faze fotosinteze nije potrebna svjetlost. Tamna faza se odigrava u stromi hloroplasta i u normalnim prilikama odvija se na svjetlosti paralelno sa svjetlosnim reakcijama fotosinteze. • Vezivanje i redukcija CO2 u tami brzo prestaje zbog nedostatka asimilacionih činilaca (NADPH + H+ i ATP) koji se stvaraju u svijetloj fazi. • Put ugljenika su otkrili Calvin i saradnici (1948-1953) i zato se ovaj reakcijski proces naziva Calvinovim ciklusom (1961.g. NN).
45
trioza fosfati Svijetla faza fotisinteze
Reakcije svjetlosne i redukcije ugljenika u fotosintezi. Svjetlost je potrebna za stvaranje ATP i NADPH. ATP i NADPH se troše u reakciji C, u kojoj se redukuje CO2 do ugljenih hidrata (trioza fosfati) 46
• Biljke koje vezuju i redukuju CO2 prema reakcijskom nizu na osnovu primarnih produkata koje čine jedinjenja sa tri ugljenikova atoma nazivaju se C3 biljkama. • Neke biljke vezuju CO2 stvarajući produkte koji imaju četiri ugljenikova atoma nazivaju C4 biljkama. Meñusobne razlike izmeñu C3 i C4 biljaka postoje i u strukturi. • Različito od ova dva načina vezuju CO2 biljke iz porodice Crasulaceae i taj put se zove CAM ciklus. Dok je C3 put univerzalan, druga dva puta postoje samo u manjem broju biljaka. 47
Kalvinov ciklus Put CO2 do ugljenih hidrata u Kalvinovom ciklusu ima cikličan tok i sličan je direktnoj oksidaciji glukoze s tim što protiče u suprotnom smjeru. Može se podijeliti u tri faze: karboksilacija, redukcija i regeneracija.
48
•
Faze reakcije u tamnoj fazi fotosinteze – Kalvinov ciklus Enzimi
•
•
•
Faza karboksilacije Ribuloza-1,5-bifosfat + CO2 + H2O → 2 x 3-fosfoglicerat Faza redukcije 3-fosfoglicerat + ATP → 1,3-difosfoglicerat + ADP 1,3-difosfoglicerat + NADPH + H+ → Gliceraldehid-3-fosfat + NADP+ + Pn Faza regeneracije Gliceraldehid-3-fosfat↔ dihidroksiaceton-fosfat Gliceraldehid-3-fosfat + dihidroksiaceton-fosfat↔ fruktoza-1,6-bifosfat Fruktoza-1,6-bifosfat + H2O → fruktoza-6-bifosfat + Pn Fruktoza-6-fosfat + gliceraldehid-3-fosfat ↔ ksiluloza-5-fosfat +eritroza-4-fosfat Eritroza-4-fosfat + dihidroksiaceton-fosfat Sedoheptuloza-1,7-bifosfat Sedoheptuloza-1,7-bifosfat → sedoheptuloza-7fosfat + Pn Sedoheptuloza-7-fosfat + gliceraldehid-3-fosfat ↔ riboza-5-fosfat + ksiluloza-5-fosfat Riboza-5-fosfat ↔ ribuloza-5-fosfat Ksiluloza-5-fosfat ↔ ribuloza-5-fosfat Ribuloza-5-fosfat + ATP → ribuloza-1,5-bifosfat + ADP
Ribuloza-bisfosfat-karboksilaza
Fosfoglicerat-kinaza Gliceraldehid-fosfat-dehidrogenaza
Trioza-fosfat-izomeraza Aldolaza Fruktoza-bifosfat-1-fosfataza Transketolaza Aldolaza Sedoheptuloza-bifosfat-1-fosfataza Transketolaza Pentoza-fosfat-izomeraza Ksiluloza-fosfat-epimeraza Ribuloza-fosfat-kinaza
49
50
• Faza karboksilacije – Utvrñeno je da je primarni akceptor CO2 ribuloza-1,5 bifosfat, koji je sa CO2 supstrat za ribulozu-1,5-bifosfat-karboksilazu. Reakciju katalizuje karboanhidraza, koja se nalazi u citoplazmi i hloroplastima, a po molekuli sadrži šest atoma cinka. Izmeñu aktivnosti karboanhidraze i intenziteta fotosintičke asimilacije CO2 postoji direktna zavisnost (smatra se da odreñuje količinu CO2 koja se stavlja na raspolaganje enzimu primaoca ribulozi-1,5-bifosfatkarboksilazi). Aktivnost karboanhidraze zavisi od nivoa obezbijeñenosti cinkom. Karboksilacija
Ribuloza-1,5-bifosfat + CO2 + H2O → 2 x 3-fosfoglicerat Odvija se preko nestabilnog meñuprodukta koji se hidrolitički razlaže na 2 molekula 3-fosfoglicerata.
51
• Faza redukcije – • Dolazi do redukcije 3-fosfoglicerata u gliceraldehid-3-fosfat pomoću ATP i NADPH + H+ koji su nastali u svijetloj fazi fotosinteze. • Ovu reakciju katalizuje enzim fosfoglicerat-kinaza.
Faza redukcije Kalvinovog ciklusa 1- fosfoglicerat-kinaza; 2- gliceraldehid-fosfat-dehidrogenaza
52
• Faza regeneracije – da bi se Kalvinov ciklus mogao kontinuirano odvijati potrebno je da se polazno jedinjenje, akceptor CO2 ribuloza-1,5-bifosfat (RuBP) stalno obnavlja. • Bilans Kalvinovog ciklusa • Nastajanje RuBP: 6 RuP + 6 ATP → 6 RuBP + 6ATP • Faze karboksilacije i redukcije: 6 RuBP + 6 CO2 + 12 NADPH + H+ + 12 ATP + 6 H2O → 12 C3 - P + 12 NADP +12 ADP + 12 Pn • Faza regeneracije: 6 CO2+12 NADPH + H+ +18 ATP+ 6 H2O → C6 – P + 18ADP + 17 Pn 53
Kalvinov ciklus. Karboksilacija 3 molekula ribuloze1,5-bifosfata daje jedan molekul gliceraldehid-3fosfata i regeneraciju 3 molekula početnog materijala. Ovaj proces počinje i završava se sa 3 molekula ribuloza1,5-bifosfata, pokazujući cikličnu prirodu ovog puta.
54
Kalvinov ciklus
55
šećer
56
• Uključivanje intermedijera Kalvinovog ciklusa u druge metaboličke procese • Intermedijeri Kalvinovog ciklusa su polazne supstance za brojne biosintetske procese unutar i izvan hloroplasta. • Smatra se da se od ugljenih hidrata trioza-fosfati transportuju iz hloroplasta u citoplazmu gdje se koriste u metabolizmu ugljenih hidrata. • Od primarnih produkata fotosinteze u druge metaboličke procese se pretežno uključuju heksoza-fosfati i trioza-fosfati.
57
• Krajnjim produktom redukcionog ciklusa CO2 može se smatrati fruktozafosfat. • Meñujedinjenja koja nastaju veoma brzo u toku fotosinteze su: šećer-fosfati, aminokiseline, organske kiseline i dr. • Za nastajanje aminokiselina i organskih kiselina značajno je prevoñenje triozafosfata, 3-fosfoglicerata u fosfoenol-piruvat. Karboksilacijom fosfoenolpiruvata (PEP) nastaje: malat • PEP → oksalacetat aspartat • a djelimično putem dekarboksilacije PEP → piruvat → acetil CoA → ciklus limunske kiseline Alanin
masne kiseline
glutamat
• Druge aminokiseline glicin, serin, kao i glikolat nastaju tokom fotorespiracije. 58
59
60
61
62
Redukcija CO2 u C4-biljaka • U brojnim biljkama, a najčešće meñu pripadnicima familija Poaceae (šeć.trska, kukuruz), Amaranthaceae, Chenopodiaceae, CO2 se redukuje pomoću C4 puta (Hatch-Slack put). C4 biljke se razlikuju od C3 biljaka ne samo po hemizmu redukcije CO2 već i po anatomiji lista.
Anatomska graña lista C3 i C4 biljaka
63
C3 biljke
C4 biljke
Ćel.omotača sprov.sud.
Ćel.omotača sprov.sud.
Sprovodni snopići u listu C4-biljaka obavijeni su u obliku vijenca velikim parenhimskim ćelijama u kojima se kod malat tipa nalaze agranularni hloroplasti sa velikim skrobnim zrnima. Vijenac parenhimskih ćelija opkoljen je sa jednim ili nekoliko slojeva obično radijalno poreñanih ćelija mezofila koje većinom ne sadrže skrob i u kojima se nalaze granularni hloroplasti. 64
• Fotosinteza je aktivnija u ćelijama koje obavijaju sprovodne sudove nego u ćelijama mezofila. • Ćelije mezofila snadbijevaju ćelije omotača sa CO2 i tako omogućavaju da se na mjestu njegovog (CO2) konačnog usvajanja pomoću RuBP-karboksilaze održi visoka koncentracija CO2. • Fiksacija CO2 u C4-biljaka odigrava se u citoplazmi ćelija mezofila gdje se vrši karboksilacija fosfoenolpiruvata pomoću PEP-karboksilaze, pri čemu nastaje oksalacetat, koji se dalje prevodi u malat. 65
• Malat se zatim kroz plazmodezme prevodi u ćelije omotača sprovodnog snopića. Tu se cijepa na piruvat, NADPH + H+ i CO2. Osloboñeni CO2 se uključuje u Kalvinov ciklus, NADPH + H+ se koristi u istom ciklusu za redukciju • Piruvat se vraća u hloroplast ćelije mezofila gdje se fosforilira pri čemu se troši 2 ATP i nastaje PEP. • Na taj način se krug zatvara - PEP prelazi u citoplazmu i prihvata nov molekul CO2. Fiksacija CO2
Šema reakcija u procesu fotosinteze u C4-biljaka, malat tip
66
Pored malatnog tipa postoji i aspartatni tip C4 puta asimilacije CO2(Panicum, Atriplex, Amaranthus), u kojem ulogu malata preuzima aspartat, a piruvata alanin. Prevoñenje aspartata u alanin odigrava se u mitohondrijama. Dekarboksilacija se vrši pomoću PEP-karboksilaze (Panicum-tip) ili pomoću mitohondrijalnog NAD-specif.malat enzima (Atriplextip). • C4-tip asimilacije CO2 je rezultat prilagoñavanja biljaka odreñenim klimatskim uslovima: visokoj temperaturi i obilnoj osvijetljenosti u kojima koncentracija CO2 ograničava fotosintezu. Zato C4 biljke u tropskim i suptropskim uslovima imaju visoku neto produktivnost fotosinteze. • Neto produkcija organske materije veća je u C4 biljaka i zbog odsustva fotorespiracije. C4 biljke bolje iskorišćavaju vodu. Za C4 biljke Na je u malim količinama neophodan element. 67
C4 fotosinteteski put. Hidroliza dva ATP vodi ciklus u pravcu strelica, pumpajući CO2 iz atmosfere u Kalvinov ciklus koji se odvija u hloroplastima omotača sprovodnih sudova.
68
Fiziološki pokazatelji
Biljke C3
1. Primarni produkt fiksacije CO2. 2. Maksimalni intenzitet neto fotosinteze (mg CO2 x dm-2 x dan-1) 3. Neto produktivnost fotosinteze (g suve materije x dm-2 x dan-1) 4. Iskorišćavanje svjetlosne energije u procesu fotosinteze (%) 5. Prag zasićenja fotosintetičkog aparata sa svjetlošću 6. Potreba u ATP-u pri asimilaciji CO2 (mol ATP x mol CO2-1) 7. Optimalna temperat. fotosinteze (oC) 8. Aktivnost karboanhidraze 9. Fotorespiracija (list) 10. Struktura hloroplasta 11. Odnos količine hlorofila b:a 12. Transpiracioni koeficijent (g H2O x g suve materije-1) 13. Godišnja produkcija suve materije (t x ha-1)
Kiseline sa 3 C atoma (fosfoglicerat)
C4
15-40
Kiseline sa 4 C atoma (malat, aspartat i oksalacetat) 40-80
0,5-2
4-5
< 1-3
>5
Od 25 do 50% od potpune osvijetljenosti 3
Praktično ne postoji
5-20
30-47
Visoka Aktivna Granularna 0,35
Niska Nije vjerovatna (min) Granularna i agranular 0,25
450-950
250-350
10-20
30-40
5
69
• Vezivanje CO2 u CAM (Crassualceae Acid Metabolism) – biljaka • Sukulente, u prvom redu Crasulaceae, mnoge halofite. • U toku noći se nakupljaju kiseline usled čega se vrijednost pH ćelijskog soka smanjuje na oko 3,8, a u toku dana kada se organske kiseline razlažu povećava se na 5,6. • Do ritmične promjene vrijednosti pH dolazi usled nakupljanja malata u vakuoli. • CAM ciklus predstavlja prilagoñavanje metabolizma biljaka ekstremno suvim staništima sa visokim dnevnim i niskim noćnim temperaturama.
U većini CAM i C4 biljaka vezivanje CO2 je slično s tom razlikom što je kod C4 biljaka primarno vezivanje i uključivanje CO2 u Kalvinov ciklus prostorno (ćelije mezofila/ćelije omotača sprovodnih sudova), a u CAM biljaka vremenski (dan/noć). 70
Stome tih biljaka su danju zatvorene da bi se smanjilo odavanje vode, zbog čega u toku dana ne mogu da usvajaju CO2. U toku noći stome se otvore, usvaja se CO2 iz atmosfere i istovremeno koristi i CO2 koji se oslobaña u procesu disanja. Usvojeni CO2 gradi oksalacetat, koji pomoću malat-dehodrogenaze prelazi u malat.
•U citoplazmi se dio malata oksidativno dekarboksilira. • Osloboñeni CO2 u mraku, u odsustvu produkata fotosinteze ne može da se uključi u Kalvinov ciklus. •Zato dekarboksilacija malata u mraku brzo prestaje i on se nakuplja u vakuoli. CAM biljke karakteriše mala produkcija organske materije
Fiksacija CO2 u CAM biljaka: 1- PEP-karboksilaza; 2- NAD-specif malat dehidr; 3- malat-enzim.
71
CAM. Vremenska odvojenost usvajanja CO2 od fotosisntetske reakcije: usvajanje i fiksacija CO2 dešava se noću a dekarboksilacija i refiksacija osloboñenog CO2 dešava se tokom dana. Adaptivna prednost CAM je redukcija gubitka vode transpiracijom, koja se postiže otvaranjem stoma noću.72
•Druge reakcije zavisne od svjetlosti koje se odigravaju u hloroplastima • U hloroplastima se pored asimilacije CO2 odvijaju i drugi procesi zavisno od svjetlosti odnosno od produkata koji nastaju u toku fotosinteze: ATP, NADPH, redukovani Fd i šećer fosfati. • Takvi procesi su: asimilacija N i sulfata, biosinteza masnih kiselina i redukcija O2. • Redukcija nitrata do nitrita odvija se u citoplazmi – donor el. NAD ili NADP; • Redukcija nitrira do amonijaka u hloroplastima – donor el.redukovani Fd; • Nastajanje glutamina iz glutaminske kis i amonijaka treba ATP; • Usvajanje atmosferskog N-donor el. redukovani Fd a energija od ATP; • Reduktivna asimilacija sulfata u hloroplastima – zahtijeva reduk.Fd i ATP; • Biosinteza masnih kiselina u hloroplastima – ATP i NADPH; • Fotoredukcija O2 povezana sa fosforilacijom ADP i uspostavljanjem ravnoteže ATP:NADPH u hloroplastima. 73
TRANSPORT ASIMILATA
• Produkti fotosinteze troše se: – Dijelom na mjestu njihove sinteze – Dijelom transportuju u centre potrošnje ili nakupljanja rezervnih materija
Transport asimilata može biti: - na mala rastojanja - na veća rastojanja 74
• Transport asimilata na mala rastojanja – počinje u centrima asimilacije CO2 u hloroplastima • Produkti fotosinteze najvećim dijelom se transportuju u vidu saharoze, koja se sintetiše u citoplazmi iz trioza-fosfata ili nastaje poslije razgradnje skroba. • Transport asimilata iz hloroplasta u citoplazmu i iz citoplazme podrazumijeva prolaženje molekula kroz biomembrane pomoću posebnih transportnih mehanizama. Pokretačka snaga transporta šećera iz apoplasta u simplast sitastih cijevi je gradijent potencijala, a transport se odvija pomoću protonšećer ko-transporta (simport) potpomognutog specifičnim transportnim proteinom. Model transporta šećera posredstvom proton-šećerkotransporta i uniportni transport kalijuma i aminokiselina
75
• Disaharid saharoza je podesna za transport jer nema slobodne glikozidne hidroksilne grupe. • Transport asimilata iz hloroplasta u citoplazmu i iz citoplazme podrazumijeva prolazak kroz biomembrane pomoću transportnih mehanizama. • Od ćelija mezofila do sitastih cijevi ugljeni hidrati mogu se transportovati kroz simplast i apoplast. • Na putu do sprovodnih sudova molekuli putem difuzije prolaze kroz pore ćel.zida.
76
• Transport kroz ćelijski zid u značajnoj mjeri zavisi od njegove hidratacije. • Nedostatak vode usporava transport asimilata iz ćelija fotosintetičkog aparata u sprovodne sudove. • Transport asimilativa zahtijeva energiju, zbog učešća aktivnog mehanizma prenošenja u transportu. • U sitastim cijevima na mjestima sinteze koncentracija asimilata je znatno veća nego u centrima njihovog primanja, odnosno potrošnje.
77
Transport asimilata na veća rastojanja
•Vaš prilikom ishrane rilicom u floemu
• Pretežno se odvija u floemu. • Floem čine sitaste cijevi, ćelije pratilice, parenhim floema, ćelije korinih zrakova i mehaničke ćelije. Ćelije sitastoh cijevi i ćelije pratilice povezane su brojnim plazmodezmima. • U soku floema, odnosno sitastih cijevi, 90% organske materije čine ugljeni hidrati. Oni se pretežno transportuju u vidu disaharida saharoze. • Organska jedinjenja azota u floemu se transportuju u vidu aminokiselina i amida. • U soku floema utvrñeno nalaze se mineralne materije kalijum, magnezijum, a u tragovima natrijum, kalcijum, bor i dr. • Sok floema se karakteriše visokom pH vrijednošću i visokim udjelom K. 78
Organske materije se u malim količinama transportuju i ksilemom. U ksilem dospijevaju bočnim transportom iz floema i iz korjena gdje se sintetišu. Kod v.loze koncentracija saharoze u floemu je 5-10x veća nego i ksilemu.
Korišćenje lisnih vaši za sakupljanje i analizu soka floema. Vaš (Longistigma caryae) se hrani na grani lipe (Tilia americana). Visok turgor usmjerava tok iz sprovodnih sudova u kanal za ishranu vaši.
79
Mehanizam transporta. • Postoji veći broj hipoteza o mehanizmu transporta asimilata u floemu od kojih se najčešće navode tri: • - hipoteza koja transport asimilativa objašnjava na osnovu strujanja rastvora pod dejstvom pritiska. Pokretačku snagu u tom mehanizmu predstavlja razlika u osmotskom potencijalu na krajevima translokacionog sistema. • - najrasprostranjenije mišljenje se zasniva na protoku mase koji pokreće aktivan dovod asimilata (nasuprot gradijentu koncentracije, što je moguće uz potrošnju energije) sa mjesta njihove sinteze i njihovo aktivno odvoñenje u centre potrošnje. • - bidirekcioni transport koji polazi od pretpostavke da se u sitastim cijevima istovremeno vrši transport u oba pravca. Da bi u floemu moglo doći istovremeno do transporta u oba pravca potrebno je da sitaste cijevi budu pomoću poprečnih veza meñusobno povezane. 80
• Pravac i intenzitet transporta asimilata • Zavisi od potreba pojedinih tkiva ili organa u biljci za asimilativima. • Mjesto potrošnje obično predstavlja meristemsko tkivo izdanka, korjena i lista i organi odnosno tkiva za nakupljanje rezervnih materija. • U rano proleće ugljeni hidrati se transportuju u pravcu pupoljka. • U toku ljeta iz fotosintetički aktivnih i potpuno razvijenih listova ugljeni hidrati transportuju u tkivo za nakupljanje rezervnih materija grana, u parenhim floema.
81
• Od sredine ljeta u drvenastim djelovima višegodišnjih biljaka počinje nagomilavanje skroba, a od sredine oktobra do sredine novembra počinje preobraćanje skroba u šećer, čime se povećava otpornost biljaka prema zimskim mrazevima. • Mladi, još nerazvijeni listovi dok ne dostignu 1/3 svoje maksimalne veličine potrebe u asimilatima obezbjeñuju obično stariji potpuno razvijeni fiziološki aktivni listovi. • Iz tih listova oko 50% asimilata translocira se u druge organe.
Pravac transporta similata u vršnom dijelu grane listopadnog drveta u toku vegetacije. a- sasvim mlad list, 82 b- mlad list, c- potpuno razvijen list, d- parenhim floema.
• Pojava pojedinih organa može da mijenja pravac transporta asimilativa: – Obrazovanje grozdova kod v.loze – asimilate obezbjeñuju najbliži listovi, a kasnije i ostali – Kod krompira se prije obrazovanja krtola nakupi oko 25% potrebnih uglj.hidrata u nadzemnim djelovima Intenzitet fotosinteze zavisi i od odvoñenja asimilativa Fitohormoni imaju ulogu u rastenju i razviću – to utiče na odnos sinteze i potrošnje. Smatra se da brza promjena odnosa potrošnje i sinteze asimilativa prouzrokovana dejstvom ABA Poznavanje pravca transporta – folijarna ishrana, primjena herbicida 83
Činioci koji utiču na fotosintezu • U zdravom listu prepoznate su tri metaboličke aktivnosti koje imaju značajnu ulogu u optimalnom odvijanju procesa fotosinteze: • 1. Aktivnost Rubisca • 2. Regeneracija ribuloze bifosfata (RuBP) • 3. Metabolizam trioza fosfata
84
ČINIOCI KOJI UTIČU NA FOTOSINTEZU • Zavisnost fotosinteze od unutrašnjih činilaca • Značaj sadržaja hlorofila. • Neophodan za odvijanje fotosinteze, u normalnim prilikama rijetko ograničava fotosintezu. • Nedostatak nekih elemenata (Fe, Mg, N i dr.) dovode do smanjenja sadržaja hlorofila, do pojave hloroze. • U jesen, sa smanjenjem sadržaja hlorofila smanjuje se i sadržaj fotosinteze - kompleks fizioloških i anatomskih promjena do kojih dolazi starenjem listova na kraju vegetacije.
85
• Značaj lisne površine i njene trajnosti. Veličina lisne površine. Od veličine lisne površine zavisi količina apsorbovane svjetlosne energije, zbog čega je visina prinosa vezana sa veličinom lisne površine, naravno samo do odreñene granice. Indeks lisne površine (LAI-leaf area index) - ukupnu površinu listova usjeva po jedinici sjetvene površine (m2 x m-2). U gajenih biljaka kreće se u širokim granicama od 4 do 8. Kod drveća zavisno od veličine stabla dostiže od 3 do 7,5. Previše veliki LAI je podjednako štetan kao i mali, jer dolazi do zasjenjivanja donjih listova pa osvijetljenost često dostiže kritičnu granicu. Kod vinove loze pri većem opterećenju čokota okcima za 3 do 4 puta lisna površina po čokotu se poveća od 1,5 do 2 puta, dok se pojedinačno površina listova smanjuje. Povećanjem broja okaca po čokotu povećava se i LAI.
86
Za karakterizaciju lisne površine koriste se: gustina lisne površine (Lad), odnos lisne površine prema masi cijele biljke (LAR), specifična lisna površina (SLA). Dužina trajanja listova – LAD (leaf area duration) zavisi od spoljašnjih i unutrašnjih faktora, prije svega od naslednih osobina. Trajanje života lisne površine zavisi u velikoj mjeri od snabdjevenosti biljaka vodom, mineralnim materijama, zdravstvenog stanja listova i dr. • Lisna površina je obično najveća u fazi obrazovanja generativnih organa, kada su i potrebe za asimilativima najveće. • Da bi se postigao visok prinos potrebno je da se lisna površina brzo obrazuje i dugo ostane aktivna. 87
• Značaj orjentacije listova u prostoru. Položaj listova u prostoru značajan je ne samo za fotosintezu već i za sve druge fiziološko-biohemijske procese koje odreñuje apsorpcija sunčeve svjetlosti. Listovi različitih vrsta i genotipova u većini slučajeva na istoj biljci zaklanjaju prema stablu različit ugao. U kojoj mjeri će doći do meñusobnog zasjenjivanja listova na usjevu ne zavisi samo od položaja listova već i od gustine sklopa, geografske širine i doba dana. Biljka će najviše svjetlosti apsorbovati ako je većina listova pod uglom od 30 do 60o u odnosu na površinu zemlje. Za optimalno korišćenje sunčeve energije u sistemu gustih sklopova voćnih vrsta kruna treba da bude formirana i održavana u obliku uskog visokog konusa, a uglovi grananja da budu 50o u odnosu na voñicu, kao najpovoljniji za dubinsko osvjetljavanje krošnje. 88
• Značaj pojedinih zelenih organa u formiranju prinosa. • Fotosintetička aktivnost listova zavisi od njihove starosti. • Na jednoj odrasloj biljci u isto vrijeme nalaze se listovi različite starosti. • Zbog toga listovi i drugi zeleni organi u pojedinim fazama rastenja i razvića imaju nejednaku ulogu u odnosu na produktivnost fotosinteze i s tim u vezi obrazovanje biološkog i ekonomskog prinosa. • Kod pšenice najveću ulogu (30%) ima vršni list, kod kukuruza listovi iznad i ispod klipa. • Kod vinove loze u početku vegetacije donji listovi a sredinom ljeta i drugom dijelu vegetacije veći značaju snadbijevanju asimilatima čokota imaju srednji i gornji listovi na lastaru. Zapaženo je da je fotosintetska aktivnost listova rodnih lastara veća nego kod nerodnih. To se objašnjava bržim oticanjem produkata fotosinteze iz listova rodnih lastara u grozdove. 89
• Dnevni i godišnji tok fotosinteze. Intenzitet fotosinteze u većini slučajeva dostiže maksimum približno sredinom dana, zatim se smanjuje. • U uslovima visokog intenziteta svjetlosti i temperature u toku dana uočavaju se ponekad dva maksimuma fotosinteze, jedan veći u jutarnjim i jedan manji u večernjim časovima. • Intenzitet fotosinteze ima i godišnju periodičnost. U zimzelenih biljaka intenzitet fotosinteze u zimskim mjesecima je mali ali se u proleće povećava i dostiže maksimum koji dugo traje.
Asimetrična kriva neto fotosinteze sa dva maksimuma u toku dana kod kajsije
90
• Fotosinteza i spoljašnji uslovi • Uticaj svjetlosti. Uticaj intenziteta svjetlosti – biljke se na osnovu svojih potreba prema svjetlosti dijele na one vrste koje – ne trpe zasjenjivanje (heliofite) i na biljke – koje ne podnose jako osvjetljenje i izdržavaju zasjenjivanje (skiofite).
• Sa povećanjem intenziteta svjetlosti u svim biljkama usvajanje CO2 se povećava, u početku u većoj mjeri a kasnije u manjoj mjeri. • Kompenzaciona tačka za svjetlost - intenzitet svjetlosti pri kojem uz nepromijenjenu koncentraciju CO2 dolazi do ravnoteže izmeñu količine fotosintezom usvojenog i disanjem odatog CO2 ili fotosintezom izdvojenog i disanjem usvojenog O2. 91
• Ako je kompenzaciona tačka neke biljke visoka ona zahtijeva relativno puno svjetlosti da bi izjednačila disanje sa fotosintezom – heliofite. • I obrnuto, skiofite, biljke sa niskom kompenzacionom tačkom za svjetlost mogu pri relativno maloj osvijetljenosti da održe pozitivan bilans ugljenika. • U toku dana intenzitet fotosinteze i svjetlosti imaju približno isti tok.
92
• Uticaj spektralnog sastava svjetlosti • Spektralni sastav svjetlosti se mijenja i u prirodi, u toku dana sa promjenom ugla pod kojim sunčevi zraci padaju na Zemljinu površinu. Pri niskom položaju Sunca put svjetlosnih zraka u atmosferi je duži, usled čega se zraci kraćih talasnih dužina više rasijavaju, tako da na Zemljinu površinu dospijeva više crvenih zraka i obrnuto. • U voćnjacima pravac redova treba da bude sjever jug, tada će stabla biti najbolje izložena svjetlosti. • Spektralni sastav svjetlosti utiče i na strukturu hloroplasta veličini hloroplasta, brzini formiranja njihove strukture, broju tilakoida stroma i grana, strukturi tilakoida i dr. 93
Anatomija lista leguminoze gajene u različitim uslovima osvijetljenosti. (A) list formiran na svjetlosti je deblji od lista iz sjenke (B) i palisadne ćelije su mnogo duže kod lista svjetlosti, a ispod njih se zapažaju sunñeraste ćelije mezofila
94
Uticaj koncentracije ugljen – dioksida. Kruženje ugljen-dioksida u pirodi. Koncentracija CO2 u donjim slojevima atmosfere u prosjeku iznosi 0,03%. Iznad usjeva u toku noći, ako je mirno koncentracija CO2 se smanji čak na 0,01%. Proračunato je da za oko 250 godina sav ugljenik na Zemljinoj površini prolazi kroz fotosintezu i da se razgradnjom organske materije ponovo vraća u atmosferu. Od ukupne količine CO2 koja se oslobaña potiče od tzv. disanja zemljišta, oko 1/3 potiče od disanja korjena, a jedan mali dio od disanja životinja. Povećanje koncentracije ugljen-dioksida u atmosferi Zemlje dovodi do efekta 'staklene bašte'. Ugljen-dioksid propušta sunčeve zrake, meñutim svjetlosne zrake većih talasnih dužina koji se odbijaju od površine Zemlje i oblaka jednim dijelom apsorbuje a zatim ih zrači u pravcu površine Zemlje. Višak energije koji se na taj način oslobaña u atmosferu dovodi do promjene klime, do povećanje temperature. Smatra se da ovaj efekat dovodi do povećanja produkcije biomase, ubrzava životni ciklus biljaka, smanjuje transpiracioni koeficijent i dr. 95
Uticaj koncentracije ugljen – dioksida na intenzitet fotosinteze. Intenzitet fotosinteze u velikoj mjeri zavisi od koncentracije CO2 u atmosferi - povećava sa povećanjem koncentracije CO2. Koncentracija CO2 iznad koje se intenzitet fotosinteze više ne povećava naziva se saturaciona ili zasićujuća koncentracija pošto zasićuje fotosintetički aparat. U prirodnim uslovima koncentracija CO2 u atmosferi često ograničava fotosintezu. Kompenzaciona tačka za CO2 kada se količina usvojenog CO2 izjednačava sa količinom izdvojenog, i kada je zbog toga neto fotosinteza jednaka nuli, zavisi od mnogih činilaca: intenziteta osvijetljenosti biljaka, temperature, koncentracije kiseonika i biljne vrste.
96
97
• Uticaj koncentracije kiseonika. • Aerobni uslovi podstiču fotorespiraciju i time razgradnju organske materije. Svaki četvrti atom ugljenika koji se uključuje u fotorespiraciju izlučuje se u vidu CO2. • Smanjenjem koncentracije kiseonika neto fotosinteza se može povećati za 50 do 100%, zahvaljujući najvećim dijelom inhibiciji reakcija fotorespiracije u kojima se troši kiseonik. • Nepovoljno dejstvo kiseonika na neto fotosintezu može se ublažiti smanjenjem temperature i povećanjem koncentracije CO2.
98
• Uticaj temperature na fotosintezu je kompleksan, pošto svjetlosna i tamna faza fotosinteze različito reaguju na promjenu temperature. • Na svijetlu fazu fotosinteze ne utiče temperatura, dok je tamna faza jako zavisna od temperature. Bruto fotosinteza povećanjem temperature raste praktično sve dok ne doñe do inaktivacije enzimskog sistema fotosintetičkog aparata. • Do inaktivacije enzima fotosinteze dolazi na višim temperaturama (40oC). Smanjenje neto fotosinteze pri temperaturi usled intenziviranja disanja povećanoj (fotorespiracija i mitohondrijalno disanje). • Temperatura može i indirektno da utiče na fotosintezu. U uslovima nedovoljne obezbijeñenosti biljaka vodom više temperature mogu nepovojno da utiču na fotosintezu ukoliko izazivaju zatvaranje stome. Visoke temperature mogu da uspore odvoñenje asimilata iz fotosintetičkog aparata. 99
• Kod v.loze optimalna temp.za fotosintezu je 28-32oC, a minimum oko 6oC. • Neto fotosinteza = (bruto fotosinteza – disanje) raste sa povećanjem T ako je dovoljna zasićenost svjetlošću i CO2.
• Za produktivnost biljaka značajna je visina dnevne i noćne T. Kod pšenice je opt. 30o dnevna i 20oC noćna. • U slučaju niskih temperatura smanjuje se brzina hemijskih reakcija tamne faze fotosinteze kao i brzina korišćenja produkata fotosinteze usled usporenog rastenja, što se nepovoljno odražava na intenzitet fotosinteze. 100
• Uticaj mineralne ishrane. – direktan, zapaža se kratko nakon dodavanja - Mn, P joni i donekle joni K, a – indirektno dejstvo se pripisuje N, Fe, Mg, S i drugim neophodnim elementima.
• Mn se pripisuje značajna uloga pri fotooksidaciji vode. • P smatra se da utiče na tamne reakcije fotosinteze, a takoñe je neophodan u svijetloj fazi pri fotofosforilaciji. • K utiče na aktivnost brojnih enzima, na strukturu hloroplasta, u regulaciji pokreta ćelija zatvaračica stominog aparata i time na usvajanje CO2. • N ulazi u sastav mnogih organskih jedinjenja značajnih za fotosintezu. Utiče na količinu i aktivnost ribuloza-bifosfat-karboksilaze, a tako i na količinu usvojenog CO2, na obrazovanje lisne površine, dužinu života listova, na sadržaj hlorofila. • Mg ulazi u sastav hlorofila. • Fe utiče na sintezu hlorofila. • Pri optimalnoj obezbijeñenosti biljaka mineralnim materijama usvajanje CO2 i iskorišćavanje svjetlosne energije je veće. Time se može objasniti povoljno dejstvo ñubrenja na prinos gajenih biljaka u uslovima njihove nedovoljne obezbijeñenosti mineralnim materijama. 101
• Uticaj obezbijeñenosti biljaka vodom. • Nedostatak vode smanjuje ne samo intenzitet fotosinteze već i translokaciju asimilata iz mjesta njihove sinteze u centre potrošnje ili nakupljanja. • U uslovima nedostatka vode usporavaju se fotohemijske reakcije fotosinteze (fotorespiracija), smanjuje se lisna površina, sadržaj pigmenata fotosinteze, povećava se intenzitet hidrolitičkih procesa i disanja i time razgradnja i potrošnja stvorenih organskih materija. • Najveći intenzitet fotosinteze u većini slučajeva je pri zasićenosti zemljišta vodom oko 80% od maksimalne zasićenosti. • Efekat navodnjavanja na intenzitet fotosinteze dolazi do punog izražaja tek kroz 3 do 8 dana posle navodnjavanja. Ovo se objašnjava potrebom da proñe izvesno vrijeme da bi se uspostavilo prvobitno stanje protoplazme. 102
• Uticaj rezidbe i uzgoja biljaka. • Orezivane voćke u proleće obrazuju ranije i brže nove listove, oni su istovremeno krupniji sa većom koncentracijom hlorofila nego što je slučaj kod neorezanih biljaka. Ranijim obrazovanjem lisne mase produžava se period nakupljanja organske materije što je od velikog značaja posebno za vrste i genotipove ranijeg dozrijevanja.
• Sistem uzgoja i naslona kod nekih gajenih biljaka npr. kod vinove loze takoñe utiče na iskorišćavanje svjetlosne energije i time i na produktivnost fotosinteze. • Navodi se da listovi vinove loze pri špalirskim naslonima iskorišćavaju od 6 do 8% ukupne svjetlosne energije za fotosintezu, a kod pergola svega od 0,5 do 1%. 103
FOTOSINTEZA I PRINOS • Za karakterizaciju fotosinteze najčešće se koriste intenzitet i produktivnost. • Intenzitet fotosinteze - količinu usvojenog CO2 i izvojenog O2 na jedinici lisne površine ili mase u jedinici vremena (CO2 x dm-2 x h, odnosno mg CO2 x g svježe ili suve mat. x h). • Nije uvijek presudan za prinos, pošto produktivnost fotosinteze zavisi u velikoj mjeri i od veličine i trajnosti asimilacione površine, intenziteta mitohondrijalnog disanja, fotorespiracije, efikasnosti transporta asimilata i dr.
104
• Od ukupno stvorene organske materije (bruto produktivnost) značajna količina se gubi putem disanja, ispiranjem putem padavina i odavanjem preko korjena. • Za stvaranje prinosa mnogo je značajnija čista produktivnost fotosinteze koja predstavlja masu stvorene organske materije po kvadratnom metru lisne površine na dan (g m-2 dan-1). • Opšti energetski bilans biljaka podrazumijeva količinu novostvorene organske materije u toku vegetacionog perioda. U nepovoljnim uslovima (bolesti, suša, visoke temperature) opšti energetski bilans može biti samo neznatno pozitivan, pa čak i negativan. Za vrijeme toplih razdoblja dana od ukupno akumulirane sunčeve energije od 50 do 70% se troši pri transpiraciji tj. za dovoñenje i isparavanje vode tj. hlañenje lisne površine. 105
Povezanost činilaca fotosintetske produktivnosti biljaka 106
• Značajna je pored ukupne produkcije suve materije po jedinici površine i njena raspodjela po organima. • Ukupan prinos suve ili svježe materije po jedinici površine naziva se biološkim prinosom (t x ha-1). • Prinos dijela biljke zbog kojih se ona gaji, korjen, zrno, krtola, list, cvast, plod i dr. naziva se ekonomskim prinosom. • Odnos biološkog i ekonomskog prinosa naziva se žetvenim indeksom. Žetveni indeks u prvom redu zavisi od genotipa, ali i pojedini ekološki uslovi utiču na njega: upotreba visokih doza azotnih ñubriva u biljaka koje se gaje radi generativnih organa pogoršava žetveni indeks, pošto podstiče rastenje listova i stabla. • Sa ekonomskog stanovišta, poželjno je da žetveni indeks bude što veći, meñutim, da bi se stvorila odreñena masa ekonomskog prinosa potrebna je odgovarajuća asimilaciona površina, zbog čega bez odreñenog biološkog prinosa nije moguće postići visok ekonomski prinos. Izmeñu visine biološkog i ekonomskog prinosa obično postoji pozitivna korelacija, ali samo do izvjesne granice. 107
108
