Osmotické a metabolické jevy rostlinných buněk

Otázka: Osmotické a metabolické jevy rostlinných buněk

Předmět: Biologie

Přidal(a): Karolína

Osmotické jevy

Osmotické jevy jsou způsobeny OSMÓZOU – pronikáním molekul vody přes cytoplazmatickou membránu
Osmóza je tak pouze zvláštní typ difúze molekul vody přes semipermeabilní membránu
Molekuly vody se ve smyslu difúze pohybují z prostředí, kde je nižší koncentrace rozpuštěných látek, do prostředí, kde je vyšší koncentrace látek

(Difuze – je samovolný proces pronikání částic jedné látky do druhé se snahou o rovnoměrné prostoupení po celém objemu)

Roztoky

Hypertonický = roztok s vyšší koncentrací látek, než má jiný, srovnávaný roztok.
Hypotonický = roztok s nižší koncentrací látek, než má jiný, srovnávaný roztok.
Izotonický = roztok se stejnou koncentrací látek, jakou má jiný roztok.

Chování živočišné buňky v roztocích

Živočišná buňka nemá na povrchu buněčnou stěnu, je tedy méně chráněná a mění svoji velikost v závislosti na prostředí.

V hypertonickém roztoku se buňka scvrkne celá -> plazmorýza
V izotonickém roztoku se budou molekuly vody pohybovat dovnitř a ven se stejnou četností, objemově nedochází k žádné změně.
V hypotonickém roztoku se buňka zvětšuje -> deplazmolýza, pokud buňka zvětší svůj objem natolik, že praskne -> plazmoptýza (u červených krvinek -> hemolýza)

Chování buněk rostlin v roztocích

V hypertonickém roztoku je buňka díky buněčné stěně pevná, zmenší se jen buněčný obsah a cytoplazmatická membrána se odloučí od buněčné stěny -> plazmolýza
V hypotonickém roztoku projeví se ochranná funkce buněčné stěny (pevná, proto nepraskne), v buňce se v důsledku příjmu vody zvětšuje vakuola, tlak protoplastu na buněčnou stěnu je označován jako turgor, což omezí další příjem vody, listy a stonky ochabují a rostlina vadne
V extrémním případě mohou prasknout i rostlinné buňky, nastane plazmoptýza(např. praskání třešní po dešti).
V izotonickém roztoku se navenek změny neprojeví

Metabolismus

soubor chemických reakcí probíhající v živých organismech a mezi organismy a životním prostředím
neustálá přeměna látek a energie
uvolnění, přeměna, využití energie
energické přeměny = získávání zdrojů E a uvolňování E
látkové přeměny = přeměny sacharidů, lipidů, syntéza inform. molekul, syntéza stavebních látek

Podle základního charakteru metabolismu rozdělujeme organismy na:

a) heterotrofní – přijímají C ve formě organických látek
- živočichové, houby a heterotrofní buňky zelených rostlin, které nemají chloroplasty (např. buňky květů)
b) autotrofní – přijímají C ve formě CO₂ , jsou schopné vytvořit z anorganických látek látky organické
- Energii získávají:
  - fotoautotrofně – ve světelné fázi (fototrofní bakterie a zelené rostliny –nejvýznamnější producenti biomasy)
  - chemoautotrofně – oxidací anorganických látek (z chemických procesů) – některé bakterie a lidé

c) aerobní – vyžadují O₂z prostředí, využívají ho jako konečný akceptor elektronů při buněčné respiraci
d) anaerobní – k respiraci O₂ nepotřebují, může jim dokonce škodit
e) fakultativně anaerobní – svalové buňky, kvasinky alkoholového kvašení

Děje rozdělujeme na dva typy procesů:

Anabolismus
Katabolismus

ANABOLISMUS

z jednoduchých látek vznikají látky složitější = asimilace
z AMK => bílkoviny, z CO₂+H₂O=> glukóza (fotosyntéza)
většinou jako redukce substrátu
spotřebovává se energie
- endergonický děj (spřaženy s reakcí, ve které se energie uvolňuje)
- endergonická reakce – vznikají při nich produkty energicky bohatší (fotosyntéza), je třeba dodat E

KATABOLISMUS

ze složitějších látek vznikají látky jednodušší = disimilace
z bílkovin=> AMK, škrob=> glukóza
většinou jako oxidace substrátu
uvolňuje se energie
- exergonický děj (probíhá samovolně)
- exergonická reakce – štěpení energicky bohatých produktů na jednoduché látky (dýchání), E se uvolňuje

Enzymy

usnadňují a urychlují reakce (biokatalyzátor)
2 složky: apoenzym (bílkovinná část) a koenzym (nebílkovinná část), celá molekula = holoenzym

Metabolická dráha = přeměna jednotlivých látek v buňce se uskutečňuje soubory na sebe navazujících reakcí

Amfibolická dráha – katabolická i anabolická – citrátový cyklus

Přenos energie v buňce

energie získaná při katabolických dějích je uchovávána a posléze odevzdána při dějích anabolických prostřednictvím -> MAKROERGICKÝCH SLOUČENIN
molekuly makro. Sloučenin obsahují velké množství energie, která je vázaná v tzv. makroergických vazbách
univerzální makro. Sloučeninou tvořící spojovací článek mezi exergonickými a exergonickými reakcemi

ATP – adenosintrifosfát

energeticky bohatá sloučenina
univerzální přenašeči energie v buňce
difundují v celé buňce – její energie je ihned k dispozici
veškerou ATP, kterou si buňka spotřebuje, musí si i sama vyrobit
energie na tvorbu ATP je získávána dvěma způsoby:
- anaerobní glykolýzou – anaerobní, rozklad/oxidace cukrů)
- fotofosforylací – thylakoidy, světelná fáze fotosyntézy) nebo oxidativní fosforylace (mitochondrie, dýchání)

AUTOTROFIE, HETEROTROFIE, FOTOAUTOTROFIE (fotosyntéza)

FOTOSYNTÉZA

jediný proces, při němž vzniká v přírodě kyslík
funguje už cca 2 mld. let (prahory, vznik sinic)
z jednoduchých anorganických látek vznikají látky složitější organické za působení světelného záření
je to základní anabolický proces zabezpečující život na Zemi, její podstatou je přeměna atmosférického CO₂ na glukózu, tj. syntéza sacharidů z CO₂, k níž dodává energii světlo
zapotřebí jsou CO₂, H₂O, chloroplasty, chlorofyly (chlorofyl A – chytá sluneční záření a je nejdůležitější, dále B, C, D), bakteriochlorofyl (A, B), karotenoidy (oranžový a červený), xantofyly (žlutý), fykobiliny (u ruduch – fykoeritrin-> červenofialový, fykocyanin-> modrý)

Souhrnná sumární rovnice fotosyntézy (ve skutečnosti jde o sled rovnic!):

6 CO₂+ 12 H₂O + světlo (E fotonů) + barvivo (chlorofyl a) => C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O + E

Fotosyntetický aparát

v chloroplastech – v membránách – tvoří ho fotosyntetizující barviva
(základní – chlorofyl A, B, C, D a doplňující – karoteny, xantofyly, fykocyaniny, fykoeritrin)
-> všechny barviva zachycují světelnou energii a dostávají elektron do excitovaného stavu

1) PRIMÁRNÍ FÁZE FOTOSYNTÉZY – SVĚTELNÁ

světelná – fotochemická
vyžaduje světlo, probíhá na thylakoidech v chloroplastech
přeměna světelné energie na energii chemickou, světelná energie se ukládá do chemických vazeb
= oxidačně – redukční děje
2 fotosynsystémy – 1. a 2., komplexy bílkovin a fotosyntetických barviv

Průběh:

Fotony světelného záření jsou zachycovány barvivy obsaženými v plastidech (chlorofyl A, B, karotenoidy) => energie zachycené barvivy je předávána molekulám chlorofylu A, který excituje = reakční centrum fotosystému
FOTOSYSTÉM I (P700 – absorbuje světelné záření o maximální vlnové délce 700nm) přijme světelné záření, přejde do excitovaného stavu a uvolní elektrony, které mohou buď redukovat NADP⁺ na NADPH+H⁺ nebo se vrátit zpět – část jejich energie je využita k tvorbě ATP v procesu zvaném cyklická fosforylace (návrat elektronů na fotosystém I a ztrácí energii (ADP + P-> ATP)
FOTOSYSTÉM II (P680 – absorbuje světelné záření o maximální vlnové délce 680 nm) přijme světelné záření, přejde do excitovaného stavu a uvolní elektrony, které přecházejí do fotosystému I, nahradí z něho uvolněné elektrony a část energie je využita k tvorbě ATP v procesu zvaném necyklická fosforylace
Oba fotosystémy doplňuje fotolýza vody = rozklad vody na kyslík (uvolňován do okolí), vodík (váže se na NaDP⁺) a elektrony (použité ve fotosystému I)
2H₂O => O₂ + 4 elektrony + 4H⁺

Sloučeniny:

ATP = adenosintrifosfát
ADP = adenosindifosfát
NADP⁺ = nikotinamidadenindinukleotidfosfát = koenzym (nebílkovinná část enzymu)
NADP+H⁺ = jeho redukovaná forma

2) SEKUNDÁRNÍ FÁZE FOTOSYNTÉZY – TEMNOSTNÍ

není závislá na světle -> temnostní -> syntetická
probíhá ve stomatu chloroplastů
dochází k redukci CO₂ za vzniku sacharidů při využití ATP a NADP+H⁺ z primární fáze
nejvýznamnější metabolickou cestou syntézy sacharidů je Calvinův cyklus – prvním produktem asimilace CO₃ je tříuhlíkatá sloučenina 3 fosfoglycerátu – 3C rostliny
4C rostlin – prvním produktem asimilace CO₂ je čtyřuhlíkatá sloučenina oxalacetát – Hatch-Slackův cyklus

výsledkem světelné fáze: ATP, O₂ a NADPH₂

výsledkem temnostní fáze: sacharidy (glukóza)

Faktory ovlivňující fotosyntézu:

VNĚJŠÍ
- světlo – s rostoucí intenzitou se zvyšuje rychlost fotosyntézy
- koncentrace CO₂ v ovzduší – s rostoucí koncentrací se zvyšuje rychlost
- teplota – nejintenzivnější při t= 25´C
- voda – nezbytná, při nedostatku záření průduchů – znemožněn přísun CO₂
VNITŘNÍ
- množství chlorofylu
- stáří listů
- minerální výživa
- REPLIKACE = syntéza DNA
- TRANSKRIPCE = syntéza RNA
- PROTEOSYNTÉZA = syntéza bílkovin

DÝCHÁNÍ

Sumární rovnice: C₆H₁₂+ 6O₂ => 6CO₂ + 6H₂O + energie

rozklad organických látek (oxidace) za vzniku energicky chudších sloučenin a ATP k bezprostřednímu energickému využití
ve tmě všechny rostlinné buňky, ve dne buňky nezelených částí
nejintenzivnější dýchání mladé rostlinné orgány

DÝCHÁNÍ ANAEROBNÍ = GLYKOLÝZA

bez přístupu kyslíku
energicky málo výhodné – 2 molekuly ATP
probíhá v cytoplazmě
děj, při kterém je glukóza v buňce odbourávána na pytuvát (=sůl kyseliny pyrohroznové) za uvolnění ATP, nejstarší způsob získávání energie
kvašení = fermentace kyseliny pyrohroznové za vzniku:
- ethanol – ethanolové kvašení – u některých mikroorganismů (bakterie, kvasinky)
- kyselina mléčná (laktát) – mléčné kvašení – u některých mikroorganismů (bakterie)

DÝCHÁNÍ AEROBNÍ = OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE

vyžaduje přítomnost kyslíku
vzniká CO₂ a H₂O
energicky výhodné – 36 molekul ATP
v mitochondriích
pyruvát podléhá oxidační dekarboxylací za vzniku acetylkoenzymu A, který vstupuje do Krebsova cyklu, na který navazuje dýchací řetězec

Krebsův řetězec

probíhá v matrixu mitochondrií
základní látkou je acetyl – CO – A, který je odbouráván na CO₂, a redukované koenzymy (NADHP+H⁺, FADH₂), které dále vstupují do dýchacího řetězce
acetyl – CO – A se váže na oxalacetát za vzniku kyseliny citrónové, která v dalších krocích postupně ztrácí 2 C za vzniku 2 CO₂ (=dekarboxylace) a 2H (=dehydrogenace) za vzniku NADPH+ H⁺, FADH₂a obnovení oxalacetátu, který opět vstupuje do Krebsova cyklu

Dýchací řetězec

nejdůležitější katabolický proces
C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 6 O₂ <=> (dýchání/fotosyntéza) 6 CO₂ + 12 H₂O + energie
složitý systém, při kterém získávají buňky rozhodující množství energie
probíhá na vnitřní membráně mitochondrií
vodík vázaný v redukovaných koenzymech (NADPH+H⁺ a FADH₂) je oxidován kyslíkem za vzniku vody a uvolnění velké energie, vodík není kyslíkem slučován přímo, oxidace je uskutečňována postupně přes několik stupňů o stále větším potenciálu, uvolňuje se energie nutná k syntéze ATP
energie není uvolňována naráz, ale po částech a využívá se na tvorbu makroergických vazeb v molekulách ATP v procesu, který se nazývá oxidativní fosforylace
ATP-> APD + P + energie

Faktory ovlivňující dýchání:

VNĚJŠÍ
- teplota – zvýšením se zrychluje dýchání (po dosažení maxima při 30ᵒC prudce klesá)
- koncentrace O2 – snížení – přechod na anaerobní dýchání
VNITŘNÍ
- množství oxidovatelných zásobních látek
- množství H2O v rostlině
- stáří rostliny

Rozdíly:

FOTOSYNTÉZA	DÝCHÁNÍ
probíhá jen v buňkách s fotosynteticky aktivními barvami	probíhá ve všech živých rostlinných buňkách
probíhá jen na světle	probíhá na světle i ve tmě
CO2 a H2O vstupují do fotosyntézy	CO2 a H2O se při dýchání uvolňují
kyslík se uvolňuje	kyslík se spotřebovává
energicky bohaté zásobní látky se hromadí	zásobní látky se spotřebovávají
hmotnost rostlin se zvyšuje	hmotnost se snižuje