Biomoleculen en energietransfer

Plantkunde
Biomoleculen en energietransfer
Biomoleculen
Inleiding
Levende organismen zijn vooral opgebouwd uit C en H aangevuld met N, O2, P en S
- Deze vullen tot 98% van de celmassa
- biomoleculen hebben een grote diversiteit qua bouw en functie (structureel of metabolisch)
- biomoleculen behoren tot diverse chemische groepen
o sacchariden
o eiwitten
o lipiden
Atomen zijn binnen de moleculen verbonden via covalente en niet Covalente bindingen
Covalente bindingen:
-
beide atomen (al of niet van hetzelfde elementen) dragen 1 of meer elektronen bij voor de vorming van
elektronenparen (bindingselektronen)
bindingselektronen worden door beide atoomkernen aangetrokken
stevige binding – moeilijk breekbaar (bv. Disulfide brug in eiwitten)
Niet-covalente bindinen zijn:
-
ionogene bindingen:
o binding tussen ionen
o tegengesteld geladen ionen trekken elkaar aan
o dissociate in waterig milieu (door watermantel rond de ionen)
- waterstofbrug: waterstof atoom kan als brug dienen tussen 2 sterk elektronnegatieve atomen
- Vanderwaals interacties; dipool dipool interactie en london krachten
- Hydrofobe interacties: groepen van apolaire moleculen komen in polaire oplossingen zo veel mogelijk samen
OPM: Niet-covalente bindingen zijn in een waterig milieu tot 100 keer zwakker dan covalente bindingen
Sacchariden
•
•
•
functie:
o opslag molecule voor energie
o ‘brandstof’ voor de ademhaling
o Belangrijke metabolische intermediaire verbindingen
o Ingebouwd in grotere structuren als Eiwitten, RNA, DNA, lipiden
Algemene formule: Cn(H2O)n
Mono, di, polysacchariden
Monosacchariden
•
•
•
•
eigenschappen:
o de meest eenvoudige koolhydraten (bijna niet te breken in kleinere
eenheden)
o onderdeel van grotere moleculen (bv: ribose in RNA en ATP)
o bevatten keton en aldehyde groep (resp. ketosen en aldosen)
o het aantal koolstofatomen kan varieren
Aldose en ketose zijn met 3 C-atomen de kleinste Monosacchariden → Triosen (/hexosen, …)
Het asymmetrische koolstof atoom zorgt er voor dat er 2 ruimtelijke varianten bij aldosen …
De L en D vorm
Algemene formule: (CH2O)n
Glucose en fructose komen in waterige oplossing voor als een ringstructuur
o Glucose reageert het C1vd aldehyde groep met de hydroxylgroep op C5 … afhankelijk vd richting vd
OH-groep op het C1 atoom onderscheid men alfa en beta glucose
o Fructose reageert het C2 vd aldehyde groep met de hydroxylgroep op C5 tot een ringvorm
Belangrijke metabolische intermediaren
o Triosen → in de calvin cyclus en glycolyse
o Glucose en fructose belangrijk voor suiker metabolisme
Disacchariden
-
wat? Een glucoside binding die 2 cyclische Monosacchariden aan elkaar koppelen
o bv: sucrose = fructose + glucose
voorraadsuikers : bv: sucrose of saccharose, maltose en lactose
transport suikers: sucrose
Stijn Vandelanotte
-1-
Plantkunde II
Plantkunde
Polysacchariden
•
•
•
•
wat? En groepering van een groot aantal monosacchariden
o voorraadmoleculen: zetmeel
o structuurmoleculen: cellulose
Oligosacchariden = soort polysaccharide waarbij het aantal Monosacchariden beperkt is … tri, tetra
Zetmeel
o Functie: voorraadmolecule
o Opslagvormen van het α-glucose
o Bij planten: mengsel van amylose (niet vertakt) en amylopectine (vertakt)
o Waxy mutanten : enkel amylopectine bevatten → bij mais , tarwe rijst
Cellulose
o Gebouwd uit: β-glucsoe
o Eigenschap: niet vertakt en moeilijk verteerbaar door micro organismen mo
o Belangrijkste structuurcomponent bij de celwand van plantencellen
OPM: natuurlijke vezels (vlas,katoen,jute) en papier bestaan vooral uit cellulose
Hemicellose
o Gebouwd uit: verschillende soorten suikers (xylose, mannose, galactose, glucose)
De meest voorkomende suikers zijn D-pentosen
o Eigenschap: wel vertakt en makkelijk verteerbaar door mo
o Vormt matrix waarin cellulose is ingebed
Glycogeen
o Reservemolecule bij dieren
o Vertakkingen en Polymeer van glucose
Lipiden
-
-
-
opbouw: C,H,O en in mindere mate P en N
apolair (hydrofoob) karakter … moeilijk oplosbaar in water, wel in apolaire oplosmiddelen als chloroform
de belangrijkste groep binnen de lipiden zijn de Triglyceriden
o Triglyceride : glycerol (alcohol) + 3 vetzuren (deze zijn al dan niet verzadigd)
Functie? Energie
OPM: * een vetzuur met dubbele bindingen noemt men onverzadigde vetzuren
* Als alle koolstof atomen bezet zijn met waterstof heeft men een onverzadigd vetzuurmet
complexe lipden: lipiden met behalve een alcohol en vetzuren nog andere chemische groepen
o fosfolipden:
Opbouw: glycerol met 2 vetzuren EN een fosfaat en stikstofhoudende groep
Functie: belangrijke bouwstenen van membranen
o Glycolipden
Opbouw: sfingosine met 1 vetzuur en een suikergroep
Functie: minder belangrijke bouwstenen van membranen
afgeleide vetten: apolair karakter, maar toch chemisch verschillende bouw
o bv: steroïden (cholestorol), vetoplosbare vitaminen en carotenoïden
Eiwitten (soms tot 30% vd droge stof uit metabolisch actieve cellen)
-
opbouw:
o aminozuren
eigenschap:
• kunnen geïoniseerd zijn … dit is afhankelijk vd pH
• reageren met een peptide binding
eiwit ontstaat doordat aminozuren via zo’n binding verbonden worden
OPM: types → polaire, apolaire en elektrisch geladen aminozuren
o Eiwit = hoofdketen + een variabel deel van restgroepen van aminozuren → primaire structuur
o Bestaan uit 2 of meer subeenheden
Deze worden bijeengehouden door S en H bruggen en Vanderwaalskrachten
Het Geheel vd subeenheden vormt de quarternaire structuur
- vorm: door H-bruggen krijgen we een 3-D structuur zoals de vouwblad- of α-helixstructuur → sec. structuur
o door niet covalente bindingen worden deze structuren verstoord
OPM: het totale resultaat van al de individuele aminozuurreacties is dat de eiwitmoleculen een karaktristieke 3D
structuur aannemen … deze is meestal compact en bolvormig soms lang en draad vormig → tertiare structuur. Deze
wordt bepaalt door de volgorde vd aminozuren en bepaalt de functie van het eiwit
- functie: x. Enzym (Zeer belangrijk) → kan metabolische reacties versnellen en regelen
x. Signaalstof
x. Structureel bestanddeel van cellen zoals in membranen, ribosomen, celwand
x. Transport of voorraadfunctie
Stijn Vandelanotte
-2-
Plantkunde II
Plantkunde
Enzymen
•
•
•
•
enzym = eiwit (soms enkel een eiwit, meestal niet eiwit component nodig om het enzym te doen werken
o activatie door co-factor:
organische co- factor: co-enzymen
anorganische co-factor: activatoren
o iso-enzymen / isozymen zijn enzymen met verschillende structuur, katalytische parameters en worden
ze door verschillende genen gecodeerd, doch hebben ze een identieke katalytische werking
en zymen zijn biochemische katalysatoren ⇒ ze kunnen de reactie snelheid met factor 106 laten toenemen
o OPM: bij evenwichtreacties beïnvloed een enzym niet de ligging van het evenwicht
Eigenschap:
o Ze kunnen de activeringsenergie verlagen zodat de reactie sneller verloopt
o Activeringsenergie: energie barriere die overwonnen moet worden om de reactie te laten plaats vinden
Soms is deze zo hoog dat energie moet toegevoegd worden bv door temperatuur te laten stijgen
+ Wijze waarop enzymen activeringsenergie verlagen is gebasseerd op
o Optimalisatie van orientatie van reagerende componenten
o Verandering van elektronenverdeling binnen substraatmolecule
o Fungeren als elektronen acceptor of donor
katalytische werking:
• zeer specifiek
o reactiecentrum reageert enkel met een bepaald substraat (slot-sleutel-theorie)
o OPM: soms wel reactie met verwante verbindingen → induce fit hypothese
• Temperatuurs en pH afhankelijk
• Aanwezigheid van remmers of activators het goed functioneren van enzymen
o Competieve remmers: structuur gelijk op die van het natuurlijke substraat
o Niet competieve remmers
Nucleine zuren
-
wat? Polymeren van nucleotiden (bevat suiker)
o op basis van die aanwezige suikermolecule kan men Nucleinezuren opdelen in RNA en DNA
DNA: dubbelstrengig DNA vooral in de celkern
RNA: enkelstrengig
Overdracht van energie
Energieveranderingen tijdens chemische processen
- Thermodynamische wetten als in gewone chemische reacties blijven van kracht
⇒ ∆U = ∆Q + ∆W met: Q de geabsorbeerde warmte, W de verrichte arbeid, U de netto en+ inhoud vh systeem
- tijdens chemische reacties treden energie veranderingen op
o = vrije energie of Gibbs vrije energie (G)
o Energie die kan gebruikt worden voor arbeid (bij zelfde T° en druk)
o ∆G°= reactanten en producten zijn aanwezig in een concentratie van 1M
= standaard verandering aan vrije energie = -33kJ/mol = energie door hydrolyse van ATP
o ∆G°’ = idem + pH = 7
o ∆G = G(producten) – G (reactanten)
o ∆G = ∆U - T∆S
OPM: S = entropie dwz de capaciteit om energie te stockeren ~Q/T ⇒ T stijgt ⇒ S daalt
o ∆G < O
Spontane reactie of exorgoon
Reactanten hebben een hogere vrije energie inhoud dan de producten (producten stabieler)
∆S > 0
o ∆G > O
Reactie enkel bij toevoegen van energie of endergoon
Producten hebben een hogere vrije energie inhoud dan de producten
Algemeen kan gesteld worden voor een reactie : A+B→C+D
⇒ ∆G = ∆G ° + RT ln(C * D /( A * B ))
Energie wordt overgedragen via energierijke verbindingen bv. ATP
Stijn Vandelanotte
-3-
Plantkunde II
Plantkunde
Energierijke verbindingen
- functie: belangrijk bij energie stroom in de cel
- vanwaar de naamgeving: omdat bij hydrolyse veel nuttige energie vrijkomt
- bij endergone reacties leveren zij de energie
* types: ATP, Thio-esters, NAD
ATP of Adenosinetrifosfaat
- opbouw: 3 fosfaatgroepen en adenosine
- werking hydrolyse: afsplitsing fosfaat groepen → vrije energie → endergone reacties laten verlopen
OPM: als energierijkere verbindingen dan ATP zouden worden gebruikt, zou men veel energie verliezen via warmte
- meest voorkomende reactie: omzetting glucose naar glucose 6-p
∆G=-31kJ/mol
ATP+H2O → ADP +Pi
Glucose+ Pi → Glucose–6–P + H2O ∆G = +12,5kJ/mol
ATP + Glucose → ADP + glucose 6-P ∆G = -18,5 kJ/mol
De nettoverandering in vrije energie is negatief en dus energetisch gunstig !
Thio-esters
De meest belangrijke zijn deze van co-enzym A … een veelvoorkomend is : acetyl co-enzym A
Deze vervult een sleutelfunctie in het celmetabolisme
Nicotinamide-adeninedinucleotiden
2 types:
- Nicotinamide-adeninedinucleotide of NAD
- Nicotinamide-deninedinucleotidefosfaat of NADP
Deze 2 dinucleotiden kunnen in 2 vormen voorkomen
- geoxideerde vorm (NAD+ en NADP+)
Kunnen 2 waterstofatomen van een donormolecule worden gereduceerd
Er ontstaat: NAD+ en NADP+
- gereduceerde vorm
• functie: belangrijk bij redoxreacties van het metabolisme ↔ Hierbij fungeren
ze als elektronen acceptor of elektronen donor
Redoxreacties
- functie: belangrijk bij energieopslag en energie transfers in planten
- werking: transfer van elektronen van een elektronen donor (reductor) naar een elektronenacceptor (oxidator)
+ Redoxpotentiaal E0 = maat voor de neiging om elektronen af te staan
= maat voor de verandering van vrije energie bij redoxreacties
Hoe negatiever, hoe sterker reductor karakter (gemakkelijker elektronen afgeven)
Hoe positiever, hoe sterker oxidator karakter (sterke aanzuiging van elektronen)
De verandering van vrije energie is voor een redoxreactie als volgt te definieren
∆G°=-nF∆E0
(met n het aantal elektronen dat uitgewisseld wordt en F is constante van Faraday)
Stijn Vandelanotte
-4-
Plantkunde II
Plantkunde
Biomembranen en membraan transport
Inleiding membranen (zie 1e sem.)
opbouw:
o bimoleculaire lipden laag (hydrofiel en hydrofoob)
o afgeleide vetten (sterioiden = campesterol/sitosterol/stigmasterol)
o Typerende orientatie : asymmetrische opbouw
o eiwitten: functie? Transport en receptorfunctie → specifiteit van membranen
o 2000-6000 genen bij gist coderen van membranen
o Tot 17 membraansystemen per cel
Functie?
o Bindingsplaats voor eiwitten
Compartimentering → chemische microklimaten
Fysiologische barrières → membranen maken van cellen een osmotische eenheid
Ontstaan?
o Enkel en alleen door splitsing en groei van bestaande membranen
OPM: Transportprocessen doorheen membranen zijn noodzakelijk
Vloeibaar mozaiek model en fysiologische gevolgen
Een membraan is geen star gegeven
o Waarom? Lipiden verbonden via n-covalente bindingen → ze kunnen t.o.v. elkaar vrij bewegen.
o Ze kunnen gelijk welk oppervlak aannemen
⇒ Gevolg:
compartimentering is mogelijk: bv bij organellen
Herstellen bij beschadiging
Fosfolipiden zijn de meest voorkomende vorm in de membranen
Lipiden in en verbonden met membranen
Fosfolipden:
Dit gebeurt frequent en snel !
o Mogelijke beweging: lateraal, roteren, op en neer springen
10^7 /seconde. Dit is een gevolg
o Verplaatsen van bovenste naar onderste laag , dit noemt men flip flop
van thermische aggitatie
o Kunnen hun vetzuurketens doen samentrekken
OPM: Flipflops? Gebeuren, maar komen zelden voor
o Waarom? Hydrofiel gedeelte van fosfolipide moet doorheen hydrofoob gedeelte
o Sommige membranen bevatten ‘flippase’ enzymen
o Nieuw gevormde lipiden kunnen wel penetreren door membraan
Membranen asymmetrische gebouwd voor lipiden
o Doordat flippasen specifiek zijn
o Doordat spontane migratie moeilijk is van fosfolipden
o Doordat enzymen die lipiden produceren een specifieke orientatie hebben
OPM: Steroiden hebben een kleinere hydrofiele groep en een groot hydrofoob gedeelde
Gevolg: Ze kunnen veel gemakkellijker springen van de ene lipiden laag naar de andere
Belangrijke eigenschap: membranen dienen een gepaste fluiditeit te hebben voor een goede functionering
o Te viskeus of te vloeibaar dient vermeden te worden
o Waarom? Probleem? : Lipiden zijn T gevoelig
Fluiditeit is afhankelijk van T
Lange verzadigde vetzuren stollen al bij kamertemperatuur
Onverzadigde vetzuren blijven bij lager temperaturen lang vloeibaar
Membraan bevat verschillende lipiden → bij veranderende T → per zone een andere fluiditeit
Hoe overleven planten?
Bv: Sommige planten temperatuursschommelingen van 30° , wintertarwe overleeft -20°, moerbeistruik overleeft -40°
Hoe?
o Planten passen hun membraan samenstelling aan, bv. Bij dalende temperatuur
Meer korte/onverzadigde vetzuren
Toename van tegengestelde elektrische ladingen in het polair gedeelte
Steroïden bufferen: verhogen fluiditeit of bij hogere T temperen ze de thermische aggitatie
Meer fosfolipiden en minder glucosfingolipiden
OPM : Dit kan enkel bij geleidelijke temperatuursveranderingen
Bv. Plotse daling van -3° is fataal voor de moerbeistruik
Soorten die meest fosfolipiden hebben en het aandeel glucosfingolipiden het sterkste kunnen doen dalen
zijn het vorsttolerant
Stijn Vandelanotte
-5-
Plantkunde II
Plantkunde
Eiwitten in en verbonden met membranen
Types eiwitten: 6
o Extrinsieke eiwitten of perifere eiwittenWateroplosbaar
Gebonden op transmembrane eiwitten of op lipiden
Kan verbonden zijn met het cytoskelet
o Intrinsieke eiwitten of transmembrane eiwitten
Overspannen de ganse membraan
Vaak voorzien van suikermoleculen
o Vetzuur verankerde eiwitten
Verankering via myristinezuur, via amide binding, via palmitine zuur
Verankering via fosforylatie
Regelen membraanactiviteiten
o Prenyl verankerde eiwitten
Verankering via isopreen eenheden
Koppeling via cysteine
Regelen membraan activiteiten
o Fosfatiylinositol verankerde eiwitten
Worden als grote eiwit identiteiten geproduceerd; modulatie via ER
• De ingebouwde transmembrane zone wordt door ER enzymen verwijdert
Arabinogalactaan eiwitten (AGP’s): dit zijn sterk versuikerde eiwitten en verbinden
membraan met celwand
• Ze zijn sterk actief in differentiatie zone’s: rol bij differentiatie processen
o Cholesterol verankerde eiwitten: niet aanwezig bij plantaardige cellen
Functie:
o Transporteenheden + signalisatie van fysiologische pathways
o Receptoren: in intercellulaire zones voor zien van oligosacchariden die via N-O aan elkaar gelinkt zijn
o Verbinding cytoskelet met celwand: door hechtiaanse strengen (zichtbaar na plasmolyse)
o Synthese van Cellulose en callose
Eigenschap
o Verplaatsen zich net als lipiden lateraal in een membraan
o Geregeld per zone
o Interactie tussen eiwitten zijn mogelijk (belangrijk bij bv. Elektronentransport ketens)
Samenstelling van membranen bij planten (sterk variabel)
Gemiddelde samenstelling: 40% lipiden, 40% eiwitten, 20% koolhydraten
o Lipidensamenstelling: Dit varieert in functie van plantenorgaan, soort, ontwikkelingstadium en T
o Waarom die variatie? Streven naar optimale fluiditeit onder wisselende temperaturen
o De lipidensamenstelling beïnvloed op metabolisme
Maïswortel: H+ ATPase pompen worden gestimuleerd door steroïden
Membraantransporten
Organisatie van membraantransporten
Membraantransporten doorheen plasmamembraan en intercellulaire membranen
o Dmv gespecialiseerde membraan eiwitten
o Het gebeurt vectorieel
o Substraatspecifiek (of doorlaten van verwante elementen, maar er is altijd voorkeur)
o Soms mogelijk door membraaneiwitten die de activeringsenergie verlagen
2 types transporteiwitten
o Ionenkanalen:
intrinsieke eiwitten als selectieve holle cilinders in membranen
Diameter en de elektrische ladingen aan de binnenkant bepaald hun specifiteit
o Carriers:
Binding substantie aan carrier (op een specifieke bindingsplaats)
Alle voorname anorganische ionen door specifieke carriers doorheen membraan gebracht
o Aquaporinen (kleine eiwitten: 30kDa) laten water vlotter doorheen membraan
Water kan ook rechtstreeks door de membraan penetreren
Stijn Vandelanotte
-6-
Plantkunde II
Plantkunde
Eigenschappen van membraan transporten?
o Ze kunnen actief zijn: tegen de concentratie gradient in
o Ze kunnen passief zijn: met de concentratie gradient mee
Drijvende kracht voor membraan transporten is: DIFFUSIE
o Tgv een chemisch potentiaal
o ‘Driving force’ uit vrije energie aanwezig in transmembrane gradient van p+, andere ionen, suikers
[
µ s = µ s° + RT . ln(a )... J .mol −1
Met:
]
µ°S : de standaard chemische potentiaal bij 1M
R: gasconstante = 8,324 J.mol-1K-1
T: de absolute temperatuur in °K
Ln a: de natuurlijke logaritme vd activiteit a (uitgedrukt als molaire concentratie)
We beschouwen 2 oplossingen S : Sc binnen de cel, SO buiten de cel
( µ s ) c = µ s° + RT . ln(S ) c
( µ s ) 0 = µ s° + RT . ln(S ) O
∆µ s = ( µ s ) c − ( µ s ) 0 = µ s° + RT . ln(S ) c − µ s° + RT . ln(S ) O = RT . ln[( S ) C /( S ) O ]
Deze oplossing is te vergelijking met de definitie van Gibbs vrije energie (RT.ln ((producten)/(reactanten)))
Verschil: de producten en reactanten worden bepaald door hun positie in de ruimte en niet door hun chemische toestand
∆µs <0: spontane instroom in cel (passief)
∆µs > 0: instroom vereist vrije energie
∆µs =0: evenwicht
In geval van ionen, dus afhankelijk vd elektrische lading, is de elektrochemische potentiaal:
µ i = µ i° + RT . ln(i ) + zFΨ
Met:
µ°i : de standaardchemische potentiaal bij (i) = 1M
F: cte v. Faraday 96500 C/mol
Omzetting elektrische eenheden naar J/mol
ψ: de elektrische potentiaal van de oplossing in volts
We beschouwen 2 oplossingen S: Sc binnen de cel, SO buiten de cel
( µ i ) c = µ i° + RT . ln(i ) c + zFΨc
( µ i ) O = µ i° + RT . ln(i ) 0 + zFΨ 0
met Vm = de membraanpotentiaal
∆µ i = µ i° + RT . ln[(i ) c /(i ) O ](i ) c + zFVm
Elektrochemisch potentiaal = chemische potentiaal + elektrische potentiaal
o Elektrisch potentiaal = vast per ion (uniek voor elk ion)
o Chemisch potentiaal verschilt en is concentratie afhankelijk
o Elektrochemische potentiaal < 0 ↔ spontane instroom
Ionenflux doorheen ionenkanaal is passief als ie bepaald wordt door de elektrochemische gradient van het ion
Carriertransport kan passief of actief zijn
o Passief: gefaciliteerde diffusie in de richting van afnemende concentratie
o Actief:
Primair actief transport (directe koppeling aan ATP hydrolyse)
Secundair actief transport (gekoppeld aan een elektrochemische gradient – vaak H+ die door
ATPase pompen gecreëerd worden)
• Types: 3: Uniport, Symport, Antiport
o Zie pag. 29
Rol van membraantransporten: essentiele metabolische en fysische processen
o Aanleggen en in stand houden van turgordruk
o Absorptie van nutriënten uit substraat
o Assimilaten transport
o Aanvoer en afvoer van resp. precursoren en afgewerkte producten
(gevolg van compartimentering)
o Energieconversie (bv. FS en ademhaling)
o Signalering in pathways
o Uitscheiding van protonen
Stijn Vandelanotte
-7-
Plantkunde II
Plantkunde
Membraan gebonden protonen pompen
Vooral ‘Werkzaam’ met H+ (transmembrane protonen transporten
o Doorheen thyllacoide membraan
}
o Doorheen mitochondriale membraan } = kern van ATP en NADH productie
Anderzijds H+ pompen die H+ wegpompen uit cytosol (bv. F-type en P-type ATPase)
⇒ Ontstaan van Elektrochemische transmembrane potentiaalverschillen
Plasmamembraan ATPases
Door de zgn. P type H+ ATPase
Hydroliseren ATP om H+ te pompen vd cytosol naar de apoplatische cellulaire ruimte
→ Verzuring vd apoplatische zone (enzymatische activering)
→ Strekking van cellen (strekkingszone)
→ Ontstaan elektrochemische potentiaal met eventuele co-transport als gevolg
⇒ Veroorzaak een ‘driving force’ die de transportrichting van protonen doorheen de membraan zal bepalen
~ Dit noemt men ook vaak ‘proton motive force’ of pmf
~ Deze drukt de vrije energie uit die gestockeerd is in de transmembrane elektrochemische potentiaal als gevolg
. van een ongelijke verdeling van protonen
~ Voor protonen kan een eenvoudig model op basis van pH bekomen worden
Pmf = ∆µ H + / F = RT ln([H + ]C /[H + ]0 ) + zF .Vm
Met Vm: elektrische potentiaal
Z: lading van ionen (voor H+ = +1)
Pmf = ( RT / F ).( 2,303). log([H +]C /[H + ]0 ) + .Vm.......... .... log[H +]C = pH c .... log[H + ]0 = pH 0
Pmf = (8.314)( 298)(2,303) /(96500).( pH 0 − pH C ).............BijT = 25°
Pmf = 59,1( pH 0 − pH C ) + Vm
OPM: Meestal is de pH vd cytosol 7,5 en die vd apoplatische ruimte 5,5 en Vm ongeveer -150mV ⇒ Pmf = - 268mV
P-type ATPase:
• Bestaan uit 1 eiwit
• Deze kan ATP binden en hydroliseren
o Covalente binding van ATP met aspartyl residu van enzym (acyl-fosfaat) binding
• Per hydrolyse van 1 molecule MgATP wordt 1 H+ gepompt
De ATPase pomp reactie cyclus gaat gepaard met ruimtelijke structurele veranderingen van het ATPase
• 2 ruimtelijke conformaties onderscheiden we E1, E2
o E1 bind H+ aan de kant van de cytosol
o E2 bind H+ aan de kant van de apoplatische ruimte
o hydrolyse van ATP ⇒ verdere transformaties van E2
⇒ H+ wordt losgelaten in apoplatische ruimte
⇒ Oorspronkeijke ruimtelijke schikking van ATPase
Regeling van P-type H+ ATPase
• Lage pH vd cytosol activeerde de plasmamembraan ATPase
• Zelfregulerende zone ter hoogte van het C-uiteinde
o Fusicoccin (een toxine vd schimmel Fusicoccum amygdali) bezit een
zelfde rol
• Auxine regulatie
o Reactie tussen ATPase pompen en auxine gevoelig weefsel
Andere metabolische functies van P-type H+ ATPase
• Response op auxinen
o Pompen van H+
o Activering van expansie eiwitten
Verbreken H-bruggen in celwanden
• Zorgen voor stabiele cytosol ph (7,3-7,5)
OPM:
Genen die coderen voor P-type H+ ATPase zijn beschreven
per cel type
Stijn Vandelanotte
-8-
Plantkunde II
Plantkunde
F-type H+ATPase
* vinden we terug in de binnenste membraan van het mitochondrium en in de thyllacoide membranen van chloroplasten
* bouw
Lezen blz …34 en 35 !!!!!!!!!
Ca2+ ATPases
Pompen Ca2+ ionen weg uit de cytosol ⇒ concentratie van vrije Ca2+ ionen blijft ongeveer 0,2µM
Voorkomen: plasmamembraan, ER, chloroplastmembranen en tonoplast
• OPM: bij planten ng nooit Ca2+ pompen in de plasmamembraan beschreven, wel bij dieren
• OPM: in de tonoplast geactiveerd door calmoduline en enzym bezit bindingsplaats in de N-zone
• OPM: in het ER reageren ze niet op calmoduline ⇒ ze sluiten aan bij het P-type ATPases
Zijn allemaal van het P-type H+ ATPases
Wegpompen v. Ca2+ gebeurt tegen sterke gradient / elektrochemische potentiaal in
• ATP hydrolyse en uitdiepen van Pmf
V type H+ ATPase
-
pompen H+ in vacuoles (celvocht van vacuoles vrij zuur: pH 5,5 en zuurder bv. Onrijp fruit of citrus pH 3
o om deze lage pH tot stand te brengen dient men voortdurend H+ in de vacuole te pompen
hierdoor ontstaat een gunstig klimaat voor afbraakenzymen
Er wordt ATP gebruikt om protonen te pompen naar en celcompartiment met een hoge zuurte graad
o In Tonoplast, ER, Golgi apparaat en microlichaampjes
Opbouw V type H+ ATPase:
o Te vgln structuur als die van F-type
o Hydrofiel V1 gedeelte met adenosine nucleotide bindignsplaatsen (V1 complexer dan F1)
o Vo gedeelte dat zich verbind met de membraan dat instaat voor de penetratie van H+ door de mmbraan
H+ - PPase pompsystemen
-
in membraan van vacuoles de zgn. tonoplast (enkel bij planten)
bouw: kleine eiwitstructuren (80kDa)
werking: gebruiken de vrije energie vd hydrolyse van anorganische fosfor (PPi)
K+ stimuleren de werking van de H+ PPase pompen ; Ca2+ inhibeert
ABC Type pompen
-
Voorkomen: in tonoplast
functie: secundaire metabolieten en toxische componenten naar vacuoles brengen
o daarnaast kunnen ze ook een rol spelen bij de verdedigingsstrategieen van de plant
- ATP Bindings cassette systemen / ABC pompen
o Bouw: complexe eiwitstructuren met verschillende trans en submembraan domeinen
Deze laatste zones bevatten nucleotiden bindingsplaatsen
OPM: verbindingen kunnen maar door ABC pompen vervoerd worden naar de vacuoles indien ze glucose bezitten of als
ze gereageerd hebben met glutathion.
Stijn Vandelanotte
-9-
Plantkunde II
Plantkunde
Energie metabolisme van hogere planten
Fotosynthese
Inleiding
Het is een proces dat zonne-energie kan vastleggen in organische verbindingen
Het maakt van planten autotrofe organismen
o Hier door zijn planten instaat alle nodige organische stoffen uit anorganische stoffen aan te maken
‘consumenten’ en ‘reducenten’ gebruiken plantenmateriaal om zich te voorzien in hun
levensbehoeften
o Licht energie wordt omgezet tot chemische energie die wordt aangewend voor de reductie van CO2, en
hierbij zijn planten de enige die hiertoe instaat zijn op grote schaal
o Tijdens de FS ontstaat er O2 → hierdoor wordt leven mogelijk gemaakt …
Gevolg: Planten zijn producenten in een ecosysteem
OPM: Fossiele energie is grotendeels aanwezig tgv FS
Historiek:
o Priestly: muizen en planten blijven leven in een afgesloten ruimte
o Ingenhousz: Proef van Priestly enkel mogelijk bij groene planten en bij aanwezigheid van licht
o Midden 19e eeuw: Essentie van FS: 6CO2 + 6 H 2 O → C 6 H 12 0 6 + 6O2
o
Eigenlijke reactie van FS:
6CO2 + 12 H 2 O → C 6 H 12 0 6 + 6O2 + 6 H 2 O
Purperzwavelbacterien: H ndg om CO2 te reduceren door H2S te oxideren tot S.
o Reactie: 6CO2 + 12 H 2 S → C 6 H 12 0 6 + 6 H 2 O + 12 S
Fotosynthese in hogere planten: een overzicht
FS is een redox reactie: H20 = elektronen donor ; CO2 = elektronen acceptor
o Gevolg: O2 en suikers … hiervoor zijn complexe reacties nodig: licht en donkerreacties
Lichtreacties: bij aanwezigheid van licht in de thylacoidmembraan van chloroplasten
• Water wordt gesplitst ⇒ Energierijke verbindingen als ATP en NADPH
• Geabsorbeerde stralingsenergie wordt omgezet tot chemische energie
Donkerreacties: in het strome van de chloroplast
• CO2 wordt gereduceerd mbv. ATP en
NADPH
o Eig. FS reactie:
endorgone reactie
verandering in ∆G° van +2840kJ
komt voor in alle groene plantendelen
Meest actieve deel vd planten is het
mesofylweefsel van bladeren: grootst aantal
chloroplasten
o Besluit: Oxidatie van H20 niet noodzakelijk gekoppeld
aan de reductie van CO2
Want: ook andere redox actieve componenten
kunnen fugeren als elektronenacceptor
Gevolg: lichtreacties kunnen op gang houden
in afwezigheid van CO2
Stijn Vandelanotte
Hill-Reactie:
hv
H 2 0 + A →
O2 + H 2 A
-10-
Plantkunde II
Plantkunde
Structuur van chloroplast
bouw:
o
o
ovaalvormig
omringd door dubbele membraan
buitenste is vlak
binnenste bezit groot aantal instulpingen in het stroma ⇒ inensief intern membranennetwerk
Men noemt dit de thylacoid membranen.
Thyllacoidmembranen
2 zones
o Stroma / primaire thyllacoiden: lamellaire structuur
o Grana / Secundaire thyllacoiden: secundaire uitstulpingen on de de vorm van schijfjes
⇒ Ze vormen een gesloten geheel die een lumen omsluiten
Hier grijpen de lichtreacties plaats. Ze bevatten 2 complexe eiwitstructuren: FS I en FS II ; deze bevatten reactiecentrum
⇒ reactiecentra ⇒ omzetting lichtenergie →chemische energie.
⇒ reactiecentra ⇒ elektronentransportketen (aangedreven door licht) ⇒ elektronen van water (uit lumen) naar
wateroplosbare redox actieve componenten in het strome vd chloroplast zijnde NADP+
samenstelling
o 50% eiwitten (enzymen en pigment eiwitcomplexen) … vooral intrinsieke eiwitten !
o 50% vetten (40% Galactolipiden, 20%, Chlorofyl, 9% Fosfolipden
Structuur
o Vroeger: vast model met eiwit en lipide laag
o Nu : dynamisch model dat tenminste partieel vloeibaar is
Chloroplasten bezitten hun eigen DNA , RNA, ribosomen
o Veel eiwitten slechts gedeeltelijk gecodeerd door cpDNA ⇒ Grote afhankelijkheid v. kerngenen
o Transport van eiwitten vanuit cytosol is noodzakelijk
Lichtabsorptie
-
absorptie van licht energie voor fotosynthese via pigmenten
o pigmenten: enkel deze die in de thylacoid membraan zitten zijn FS
actief
o pigmenten zitten vast op thylacoid membraan in pigment eiwit
complexen (non-covalente bindingen)
o meest voorkomend pigment : chlorofyl
o diverse pigmententypes dragen bij tot de lichtopvang
OPM: enkel gespecialiseerde chlorofyl a molecule (reactiecentrum) kan
zorgen voor energie overdracht
Naar de elektronen transport keten
o pigmenten werken samen in fotosynthetische eenheden van 200 –
300 antennepigment moleculen =antenne complex
deze zijn gekoppeld aan FS I en II
op deze manier wordt vermeden dat het reactiecentrum niet continu in werking is
- Fotosynthese start door lichtabsorptie door pigmenten
Werking: pigment → absorbeert licht → pigment wordt geëxciteerd : pigment → pigment*
⇒ 1 elektron vh pigmentmolecule in grondtoestand zal naar een hogerenergieniveau worden gebracht
↔ 1 elektron uit geconjungeerde verbindingen ondergaat transitie (wordt aangeslagen) ⇒ energierijke singlet toestand
OPM: zo’n molecule absorbeert maar 1 foton per keer en brengt maar 1 elektron naar hogere energie inhoud
OPM: enkel fotonen(kleinste eenheid van absorbeerbare lichtenergie met E = h.c / λ kunnen worden geabsorbeerd
waarvan de energie inhoud gelijk is aan het verschil in energie niveau tussen de niet – geëxciteerde en de geëxciteerde
moleculen
- moleculen: vibraties en rotaties
o grond en geëxciteerde toestand niet mooi af te bakenen ⇒ brede absorptie pieken
- geëxciteerde moleculen zijn energetisch niet stabiel (streven naar kleinste energie inhoud)
o Gevolg: geëxciteerde toestand blijft slechts enkele nanoseconden bestaan
o Afgifte energie door
Relaxatie: warmte afgifte
Emissie van foton (fluoriscentie)
Resonantie : energie doorgeven aan naburige moleculen
- Pigmenten absorberen zichtbare licht
o 400 – 700nm (=PAR licht)
Stijn Vandelanotte
-11-
Plantkunde II
Plantkunde
Chlorofyl
Structuur: Haemstructuur → Opgebouwd uit porfine ring (4
pyrrolkernen door metheen bruggen verbonden met centraal een nietioniseerbaar Mg atoom
Fytolstaart (hydrofoob)
o Chlorofylsoorten hebben hun eigen absorptiepieken
Chl a : 430nm en 662 nm
Chl b: 454 nm en 643nm
Chlorofylsynthese
Glutamaat
→ δ - aminovulinezuur → porfobilinogeen
→ (-4C02)
→ uroporfyrinogeen III → (-CO2 ; - 4H+ )
→ protoporfyrinogeen
IX
→ ( protoporfyrinogeen IX oxidase (PPO )) → protoporfyrine IX
⇒ 1: Mg+
→ Mg chetalase
→ Mg protoporfyrine IX → chlorofyl
⇒ 2: Fe+
→ Fe chetalase
→ Heem
→ cytochroom
Carotenoiden (Formule α, β,γ = C40H56)
Algemeen: geel – oranje gekleurde pigmenten; isopreen eenheden
β-caroteen: opbouwd uit isopreen eenheden (C5) en eindigen op 2 gesloten
ringstructuren (bevatten geen zuurstof)
o OPM: er bestaan ook α en γ caroteen
Xanthofyllen: vooral uit lutheine (C40H56O2)
o Bevatten wel zuurstof
o Violaxanthine : zit vast op de buitenste membraan vd chloroplast (met 4 O’s)
Deze veroorzaak gele kleur bij bladeren bij afbraak van chlorofyl
Absorptie gebied: 400 – 500 nm
Geassocieerd met antenne complex en reactiecentrum
Het zijn nevenpigmenten ⇒ ze geven snel hun energie door aan chlorofyl
o Transfer carotenoïden → chlorfyl < chlorofyl → chlorofyl
β caroteen
Violaxanthine
Carotenoiden beschermen membraan tegen singlet zuurstof / foto-oxidatie
o Bij hoge lichtfluxen ⇒ meer energie opvangen dan verwerkt kan worden
1. chl a* ⇒ E + O2 ⇒ 1O2*
•
1O2* + Vetzuren ⇒ membraan wordt geoxideerd
2. chl a* ⇒ E + caroteen ⇒ warmte
De geabsorbeerde energie wordt door resonantie doorgegeven (binnen een nanoseconde)
o Indien niet in lichtreacties kan gestopt worden
Warmte afgifte en fluorescentie (of gecombineerd)
o Blauw licht is minder efficiënt doon rood licht
o Bladeren absorberen 90% vh blauwe en rode licht bij de meeste plantensoorten
o Stoke shift: uitgestraalde foton bezit langere golflengte dan het geabsorbeerde foton
Stijn Vandelanotte
-12-
Plantkunde II
Plantkunde
Eiwitcomplexen
Cytochroom b6 – f complex
-
-
4 intrinsieke eiwitten :
o 3 bevatten ijzer (Fe2+/Fe3+)
2/3 zijn cytochroomstructuren
Het andere is een 2Fe-2S (uit cysteine) eiwit (men noemt dit ook een Rieske eiwit)
o 4e eiwitstructuur bevat geen ijzer
De Haemstructuren worden gecodeerd door ctDNA, terwijl Fe-S eiwit in de kern wordt gecodeerd
Functie:
o PQH2 oxideren en plastocyanine (klein koper bevattende eiwit) te reduceren
o Verplaatsing van protonen vanuit het stroma naar het lumen vd thylacoidmembraan
Vgl: PQH2 + 2PC (Cu2+) + 2H+ → PQ + 2PC(Cu+) + 4H+
Samengevat: 2PQH2 + 4PC (Cu2+) → 2PQ + 4PC(Cu+) + 4H+ (lumen)
Fotosysteem II / FS II / PSII
-
-
4 intrinsieke polypeptide ketens die op een niet covalente wijze met elkaar verbonden zijn aan reactiecentrum
3 extrinsieke polypeptide ketens : deze binden zich met Ca2+, Cl- … belangrijk bij fytolyse van water
Terug te vinden in de stapelzone’s van grana
D1 en D2 verbonden aan reactiecentrum P680 en plastoquinonen
Bevat daarnaast ook nog: 40 chlorofyl a moleculen, groot aantal β caroteen moleculen, membraanlipiden
(galactolipen), 4 Mn-ionen , een niet covalent gebonden Fe-atoom, 2 feotyne moleculen, Cl-, plastoquinonen, ...
o Feotyne = gemodificeerde chlorofyl a met 2 waterstofatomen die het centrale Mg vervangen
Functie: oxidatie vorm van PQ te reduceren tot PQH2
o Vgl functie: 2H20 + 4 fotonen + 2 PQ + 4H+ → 02 + 4H+ + 2PQH2
- Aan PSII is een antennecomplex gekoppeld van 250 chlorofyl moleculen + aanzienlijk aantal carotenoïden
(verhouding met chlorofyl: ½)
- Energieoverdracht tussen moleculen op een afstand 1,5 Å gebeurt binnen de ps met een efficiëntie van 99%
- Chlorofyloleculen zijn gekoppeld aan eiwitten (15 Chlorofylbindings eiwitten zijn beschreven voor PSI ,II:LHC
o Worden gecodeerd door kern genen
o LHC II: Tot 50% eiwitmassa in thyllacoid membraan
Fotosysteem I /FS I/PSI
-
absorbeert licht onafhankelijk van PSII, maar ontvangt wel via PSII elektronen afkomstig van water
ongeveer 15 verschillend eiwitcomplexen, die sterk in grootte varieren
De 2 grootste (PsaA en PsaB) binden de voornaamste elektronentransfer carriers: P700, A0, A1 en Fe-S eiwit Fx
PsaC: bindt Fe-S eiwitten FA en FB
PsaD: bindt met ferredoxine
PsaF: bindt met plastocyanine
Bevat een antenne complex opgebouwd uit 200tal chlorofyl a en b moleculen (geassocieerd met LHC I eiwitten
In stroma –thylacoiden
Functie: plastocyanine oxideren en elektronen doorgeven aan ferredoxine (extrinsiek eiwit)
o Vgl functie: licht + 4PC (Cu+) +4Fd(Fe3+) → + 4PC(Cu2+) + 4Fd(Fe2+)
F-type ATP ase
Zie hoofdstuk II of pag 34 – 35
In stroma vd thyllacoiden
2 dlen
Buisvormig gedeelte in membraan
Sferisch gedeelte in stroma
Stijn Vandelanotte
-13-
Plantkunde II
Plantkunde
Lichtreacties
Lichtabsorptie en primaire fotoreacties
* Antennechlorofyl: verzamelt licht energie en geeft door via via aan reactiecentrum
Wanneer een aangeslagen pigmentmolecule terugvalt op
zijn oorspronkelijke energie inhoud dan kan de energie
worden overgedragen aan een nabijgelegen
pigmentmolecule (resonantie): de energie overdracht in een
antennecomplex gebeurt in de richting van pigmenten die
steeds verder in het rood licht absorberen
Reactiecentra absorberen immers het verst in het
rode licht
Niet gestockeerde energie komt vrij als warmte of als
fluorescentie
Bij overmaat aan licht kan foto-oxidatie optreden → er
ontstaat uit singlet zuurstof , dit is zeer reactief en reageert
met de vetzuren uit de membraan
De energie overdracht tussen chlorofyl moleculen is
efficiënter dan tussen chlorofylmoleculen en carotenoïden
* Primaire fotoreacties
= het op gang brengen van elektronen transport
→ het aangeslagen reactiecentrumchlorofyl a draagt een elektron over op een primaire acceptor
→ elektronen worden aangevuld met elektronen uit de splitsing van water
→ gereduceerde acceptor, deze bevat een veel hogere energie inhoud
(lagere redoxpotentiaal)
→ verdere omzetting van ATP en NADPH via elektronentransportketen
⇒ licht energie is in chemie energie omgezet
Elektronentransport van PSII naar PSI: van H20 naar NADP+
Experimenten van emerson en lewis
Toedienen van 2 golflengten, 2 verzadigingspieken nl 680nm en 700nm
⇒ Gezamelijke toediening ⇒ fotosynthese stijgt
Besluit: 2 PS die samenwerken (PSII sterkst bij 680 → P680 = chlorofylmolecule (analoog voor PSI) en
PSI sterkst bij 700)
Z-model: elektronentransport van water tot NADP+
PSII: vorming van sterke oxidant P680+ en
relatief stabiele reductant Qa PSI: vorming van sterke reductant Fx
(=gereduceerd Fe-S) en vrij zwakke oxidant
P700+
Oxidatie van water door PSII
Chemische reactie:
2H20 → O2 + 4H+ + 4 e Essentieel hierbij is
Foto-oxidatie van P680 → P680+
Redoxkoppel: P680/P680+ > +820mV
Geen direct proces maar een serie van reacties
aan de lumenzijde van PSII
Experimenten van Joliot:
Chloroplast in doker: 3 lichtflitsen =
max. 02 vrijstelling (in het begin)
Nadien een cyclus van 4 lichtflitsen
Verklaring via S-model
1 molecule krijgt een positieve lading na 1 flits → na 4 flitsen leveren 4 positieve ladingen op
zodat 4 elektronen kunnen worden afgegeven → Mn Complex geeft elektronen door aan Z → Z
geeft elektronen door aan P680. ((S0, S1, … S4 stellen elektrische toestand voor)
Stijn Vandelanotte
-14-
Plantkunde II
Plantkunde
Elektronentransport in PSII
In aanwezigheid van licht reageert PSII als een water-plastoquinone oxidoreductase waarbij elektronen van water naar
plastoquinone worden overgebracht
Oxidatie H20 → 2 vrije elektronen → 1 voor 1 naar tyrosine (aminozuur) → doorgeven aan P680 die pas een elektron
kan opnemen als hij zelf 1 heeft afgegeven. → elektron naar Pheofytine zodoende P680 oxideerd naar P680+ →elektron
naar 2e elektronencarrier (Qa = plastoquinone A) → elektron naar Qb of plastoquinone B
P680 + hγ → P680* → e- → Pheo → e- → QA- analoog voor 2e elektron zodat Qb volledig gereduceerd wordt en
zodoende 2 protonen kan opnemen. Deze opname van 2 protonen door QB2- is belangrijk voor de fosforylisering. Dit
helpt bij de opbouw v/e voldoende grote elektrochemische gradient die nodig is voor de ATPproductie via chemi-osmose
Reductie van PQ:
Eerste elektron:
1.
QA + e- → QA2. QA- – e- → QBTweede elektron:
3. QA + e- → QA4. QA- - e- → QB2- → + 2 H+→PQBH2
Elektronentransport in het Cytochroom b6-f complex
Oxidatie van Hydroxyplastoquinone (PQH2)
Het cytochroom b6-f complex fungeert als hydroxyplastoquinone-plastocyaninen
oxidoreductase
→ transfereert 2 elektronen van hydroxyplastoquinone naar plastocyanine (koper
bewarend eiwit in lumen thyllacoid )
Dit verloopt via de Q-cyclus
Cytochroomcomplex bevat: Hydroxyquinone Qp en een quinone Qn bindingssite
PQH2 bindt zich aan Qp site → deels oxideren tot semiquinone RFeS
→ door cyt f reduceert Cu 2+ tot Cu + → PC→ semiquinone wordt dan volledig geoxideerd door bl = low potential
En is 1 vd 2 Haemkernen van cyt b6. Bij de laatste oxidatie worden ook de H+
afgegeven in lumen thyllacoid membraan. Het elektron zelf wordt getransfereerd
naar bh = high potential. → elektron naar plastoquinone vast op Qn
→ ontstaan van een semiquinone PQ*.
Cyclus herhaalt zich met een nieuwe molecule PQH2.
→ ontstaan van PQ** . Deze neemt 2 protonen op → PQH2 die los komt van b6-f
complex
⇒ Nettoresultaat: 2 elektronen naar plastocyanine en 4 protonen van chloroplast
stroma naar thyllacoid lumen
OPM Reacties verlopen traag→ ze zijn de limiterende factor voor de lichtreacties
Plastocyanine
Cu-eiwit
Reductie door cyt b6-f: Cu 2+ tot Cu +
Oxidatie door PSI
PSI complex: elektronenoverdracht naar NADP+
PSI complex fungeert als plastocyanine ferredoxine oxidoreductase
P700 oxideert → P700+ → instaat electron op te nemen. → het neemt een elektron over van PC→ PC wordt geoxideerd .→ elektron van P700 naar A0 → elektron van A0 naar A1
→ elektron naar FeSx en transfereert het naar NADP+ via het enzym FNR
FNR bevat FAD+ structuur dat in 2 stappen gereduceerd wordt tot FADH2 die effectief de
Elektronen overdraagt aan NADP+
OPM: reacties verlopen snel
Cyclische elektronentransport
Voor reductie van CO2 is er meer ATP nodig dan NADPH
Oplossing ⇒ cyclisch transport
Bij ophoping van NADPH → elektronen terug van ferredoxine naar cyt b6-f
→ energie: 1 foton per rondgevoerd elektron
→ ATP dient in chloroplast te worden geproduceerd gezien binnenste
membraan ondoorlaatbaar is voor ATP
Stijn Vandelanotte
-15-
Plantkunde II
Plantkunde
Verdeling van excitatie energie tussen PSI en PSII
Probleem: 2 fotosystemen met een verschillend absorptie systeem
⇒ verschillend energie niveau in de PS
⇒ PS dat minst energie opstapeld de elektronenflow zou limiteren
Oplossing: energieverdeelsysteem (door Steachelin)
Thyllacoid membraan bevat kinase enzym , deze kan residu van
pigmenten eiwitcomplexfosforyleren. Dit eiwitcomplex staat bekend als
chlorofyl a of b antenne eiwit.of LHCII.
Wanneer LHCII niet gefosforyleerd is gaat het meer energie leveren aan
PSII , wanneer het wel gefosforyleerd is dan gaat het meer energie naar
PSI leveren. Dit kinase enzym wordt geactiveerd door PQH2 ↔ PSII sterker geactiveerd wordt dan PSI. → soms treed
inhibiti op van kinase enzym → graad van fosforylering van LHCII↓
De energie verdeling gaat gepaard met migratie van LHCII in thyllacoidmembraan
→ LHCII gefosforyleerd is : beweging van grana naaar stroma thylacoid zone → voordeel voor PSI
→ LHCII gedefosforyleerd is: beweging van stroma naar grana thylacoid zone →voordeel voor PSII
Fotosynthese remmende herbiciden
Dichloorfenyl-dimethylureum, S triazinen, uracil: blokkeren de elektronentransport van Qa naar Qb
o Als Qb gereduceerd wordt → loskomt van D1 eiwit
o Vervanging van Qb verhinderen door zich vast te zetten op dezelfde bindingsplaats van Qb
Bipyridulium verbindingen: verhinderen elektronenoverdracht van PSI
o Vangen elektronen op die van PSI komen en naar ferredoxine gaan
o Elektronen doorgeven aan O2 → O2- (superoxide). Deze vernietigen de onverzadigde vetzuren
Fotofosforylatie
= lichtafhankelijke synthese van ATP
Een cyclische elektronentransportketen; bij donkerreacties
is er meer aTP nodig dan NADPH
Een niet-cyclisch elektronentransportketen: elektronen van
water naar NADP+ vraagt energie :
⇒ O2, NADPH, ATP
ATPproductie
* Principe van chemi-osmose (mitchell)
Gebasseerd op concentratieverschillen van ionen +
elektrogradienten langs beide zeiden vh biomembraan
⇒ bron van vrije energie.
Totale energie beschikbaar voor ATP synthese bepaalt door:
Pmf: Pmf = 59,1 ∆pH + Vm
→ Vm: transmembraan potentiaal (bij chloroplasten ≈ 0)
→∆pH; pH verschil langs beide zijden vh membraan
Sterke gradient van H+ tussen stroma vd
chloroplast en het lumen vd thyllacoiden
o Oxidatie van H20 waar per molecule H2O 2H+ vrijgesteld → lumen
o Oxidatie van PQH2 → 2 elektronen naar cytochroom
→ 2 protonen aan het lumen
pH lumen ≈ 5 en pH stroma ≈ 8 ⇒ concentratie protonen in lumen is 1000x groter
Coupling factor: CF
o CF0
o CF1
L: lichte (light) nucleotide)
T: sterke (tight) nucleotide
O: vrij van nucleotiden (open bindingssite)
Voor fosforylatie van ADP tot ATP is ∆G = 60kJ/mol
Per mol H+ dat terugvloeit via ATPase: ca 15- 20 kJ nodig
Wanneer H+ terugvloeien door de CFO cilinder, wordt energie vrijgemaakt om de
γ-subeenheid van CF1 te doen roteren
4 mol H+ moeten terugvloeien voor 1 mol ATP
H+/ATP ratio = 4
Ontkoppelaars vd fotofosfolysering zorgen dat de fosfolysering en het elektronen transport niet langer gekoppeld zijn
H+ van lumen naar stroma ⇒ gradient te klein voor ATP productie
Verhinderen CF0 kanaal zodat H+ niet kunnen terugvloeien
Stijn Vandelanotte
-16-
Plantkunde II
Plantkunde
Donkerreacties
Door calvin beschreven met behulp van 14CO2
CO2 is grondstof (licht is niet nodig)
Reductie van CO2 tot suikereenheden met het reducerende vermogen
van NADPH
Endergone reactie → ATP is nodig
Cyclisch verloop
Gebeurt in stroma vd chloroplast
CO2 inbouw bij C3 planten (Calvincyclus) = C3 cyclus
Carboxylatiefase: carboxylatie vd CO2 acceptormolecule ribulose
bifosfaat ⇒ twee 3fosfoglycerine zuur
Reductiefase: 3- PGA (3fosfoglycerinezuur) wordt gereduceerd tot
GAP (glyceraldehyde 3 fosfaat)
Regeneratiefase: GAP → ribulose bifosfaat
Carboxylerende fase (fase 1)
# CO2 reageert met de acceptormolecule ribulose 1,5 bifosfaat ⇒ twee 3fosfoglycerine zuur 3PGA
Reactie wordt gekatalyseerd door Rubisco
∆G = -12,4kcal/mol
Deze reactie kan dus voltrokken
worden bij lage concentraties
# Rubisco
Carboxylase en oxygenas activiteit
40% vd eiwit vh blad
Op wereld schaal: 10^7 ton enzym, legt
200 biljoen ton C02 vast
Opgebouwd uit 8 grote en 8 kleine
eenheden; grote eenheden worden in de
chloroplast zelf aangemaakt, de kleine
eenheden in de cytosol en worden nadien
naar de chloroplast gebracht waar ze
versmelten met de grotere eenheden tot
actieve holo enzymen
Activatie Rubisco vraagt een binding van
carbamaatgroep met Mg2+
Reducerende fase
# 3PGA → via ATP + kinase enzym → 1,3 bifosfoglcerine zuur
# Reductie door NADPH → NADP+ en gekatalyseerd door glyceraldehyde 3 fosfaat dehydrogenase enzym
→glyceraldehyde 3 fosfaat GAP
Stijn Vandelanotte
-17-
Plantkunde II
Plantkunde
Regeneratiefase
# Recuperatie van RuBP
# 5 GAP moleculen → 3 RuBP
o Per 6 moleculen GAP verlaat er maar 1 de cyclus
# Complex proces
1 molecule GAP → tranformeren naar DHAP (ondertussen een protontransfer tussen C1 en C2
DHAP + GAP → aldol condensatiereactie → fuctose 1,6 fosfaat →hydrolyseren → reageert ver volgens met
transketolase enzym
⇒ C1 en C2 koolstof transfereert van fuctose 1,6 fosfaat naar andere GAP molecule
→ dan geeft ze erythrose 4 fosfaat en xylulose 5 fosfaat af .
* erythrose 4 fosfaat + DHAP = sedoheptulose 7fosfaat → geeft 2 koolstof unit aan GAP molecule
→ ribose 5 fosfaaat en xylulose 5 fosfaat
⇒ 2 xylulosen ondergaan een epimerisatiereactie → ribulose 5 fosfaat
Het ribulose 5 fosfaat → fosforyleerd mbv ATP en kinase → ribulose 1,5 fosffaat
2C3 → C6 ( fructose − 6 − P ) ⇒ C6 + C3 → C4 (erythrose − 4 − P ) + C5 ( xylulose − 5 − P )
⇒ C3 + C4 → C7 ( sedoheptul ose) ⇒ C3 + C7 → 2C5 ( ribose − 5 − P ) + xylulose − 5 − P )
LL : 5C3 ....RL : 3C5 ⇒
..2.xyluulose − 5 − P 
 → 3ribulose − 5 − P + 3 ATP →→ 3RuBP

.1ribose − 5 − P
Regulatie van donkerreacties: lichtafhankelijk
Ionenstroom tussen stroma en lumen van thylacoid membraan onder invloed vd licht
H+ van stroma naar lumen
Mg2+ van lumen naar stroma
⇒ Verzuring en pH (7→8) verhoging in stroma (minder zuur)
Waarom? Veel enzymen van donkerreacties werken beter bij pH 8 dan bij 7
Voor fixatie van CO2 moet Rubisco worden geactiveerd: dit kan door de reactie van CO2 met een aminogroep
van een lysine in het reactiecentrum van Rubisco. Ghet gevormde carbamaat reageert met Mg2+ en vormt de
actieve site vh enzym.
Mg2+ is meer aanwezig in stroma bij licht
# Talrijke enzymen van donkerreacties
worden geactiveerd door licht
o Fructose bifosfaat fosfatase
o GAP dehydrogenase
o Rubisco activase
In aanwezigheid van licht worden de residuen gereduceerd en oxideren in het donker. In gereduceerde vorm zijn de
enzymen actief en in geoxideerde vorm niet.
Gereduceerd thioredoxine inhibeert katabolische processen die vooral in het donker plaatsgrijpen. Tijdens de
lichtreacties wordt het ferredoxine gereduceerd door PSI. Mbv een enzyme reduceert ferredoxine een binding van het
eiwit thioredoxine. Dit gereduceerde thioredoxine gaat uiteindelijk de disulfide binding reduceren in het target enzym.
Stijn Vandelanotte
-18-
Plantkunde II
Plantkunde
Fotorespiratie
#
#
Respiratie door licht gestimuleerd: er wordt CO2 geproduceerd en O2 verbruikt
o Het rendement vd fotosynthese ↓ door optreden van fotorespiratie omdat minder 3PGA ontstaat en een
alternatieve C2 wordt gevorm. Vooral C3 planten vertonen veel fotrespiratie waardoor het rendement veel
lager ligt dan bij C4 planten
Is het gevolg dat Rubiso ook reageert als oxygenase
C2 cyclus = oxidatieve fotosynthetische koolstof cyclus
RuBP + Rubisco →2,3 enediolaat
Dit kan reageren met CO2 en O2
⇒ C5 of C6 intermediare binding
In geval van CO2 ontstaan uit die C6 :
- 2 moleculen 3-PGA
In geval van O2 ontstaan uit die C5:
- 1 molecule 3PGA
- 1 molecule 2fosfoglycerolzuur
Dit kan niet verwerkt worden in in calvin cyclus maar wordt gerecupereerd door de C2 cyclus. In deze type cyclus
worden 2 moleculen fosfoglycolzuur omgezet naar 1 molecule C02 en 1 molecule 3PGA voor dan de C3 cyclus.
C2 cyclus verloopt over 3 organellen: chloroplasten, mitochondria en peroxisomen.
Oxygenatie
oxegenatie van RuBP in chloroplasten → ontstaan 3PGA en 2-fosfoglycolzuur → fosfoglycolzuur fosfatase
→glycolzuur en Pi. → Van binnenste membraand vd chloroplast naar peroxisoom → oxideren (met FAD
bevattend enzym*) → glyoxyl zuur ⇒ H202 → afbreken → H20 + 02 (met catalase*)
⇒ 2 moleculen H20 en 1 O2 worden gevormd per 2 molecule 2fosfoglycolzuur
2 moleculen glyoxylzuur →transaminering met aminotransferase enzymen→ glycine → opgenomen door
mitochondria → van glycine naar serine onder afsplitsing van NH3 en C02.
⇒ 1 molecule CO2 ontstaat per 2 gebonden O2 moleculen door RuBP
⇒ 1 NAD+ reduceren naar NADH per molecule glycine in mitochondria (met glycine decarboxylatie*)
→ serine → naar peroxisomen → deaminatie → ontstaan hydroxypyruvaat → reduceren tot glycinezuur door
NADH (met hydroxypyruvaat reductase*) → glycine zuur → naar chloroplasten → fosforyleerd door ATP
⇒ 3PGA
OPM: gedurende de C2 cyclus komt bij de glycine decarboxylatie NH3 vrij, dit moet verbruikt worden om intoxicatie te
vermijden. Dit gebeurt in chloroplasten door 2 enzymen. Het reducerend vermogen wordt door ferredoxine aangebracht
terwijl de benodigde ATP geproduceerd wordt tijdens de lichtreacties.
Carboxylatie van RuBP
3C 0 2 + 3H 2O + 9 ATP + 6( NADPH + H + ) → triosefosf aat + 9 ADP + 6 Pi + 6( NADP + )
Oxygenatie van RuBP
ribulose − 5 − fosfaat + O 2 + 2 ATP + 2,5( NADPH + H + )
→ 0,9ribulose − 5 − fosfaat + 0,5CO 2 + 2 ADP + 2,5( NADPH + H + ) + Pi
#
#
#
O2 en CO2 concurreren voor zelfde enzymen
Hoge temperatuur en lage CO2 concentraties verhogen fotorespiratie
Bij hoge temperatuur ligt de verhouding O2/C02 hoger
Stijn Vandelanotte
-19-
Plantkunde II
Plantkunde
Variatie bij CO2-dissimilatie
C4-planten
Basisonderzoek bij suikkerriet en mais met 14CO2: geen 3PGA als primair product toch een C4 verbinding
Vooral ruim verspreid bij monocotyen (79% vd C4 planten zijn monocotylen)
o Vooral bij de poaceae
Dicotylen bevatten slechts 21% vd C4 planten
Verschillende bladanatomie
o Bij C3: chlorenchym op te splitsen in pallisade en sponsparenchym, terwijl de vaatbundels worden
omringt door chloroplasteloze cellen
o Bij C4: 2 lagen concentrisch gerangschikte cellagen rond de vaatbundels (Kranzanatomie)
rond het vaatweefsel de typerende vaatbundelcellen met grote zetmeelrijke chloroplasten en
een buitenste ring van losgestapelde kleine mesofylcellen.
chloroplasten dimorfisme
• mesofiel: granastructuur + PSII en PSI actief
• Vaatbundelschede cellen:
o Geen grana
o Gereduceerde werking van PSII en fotolyse van water
o Gereduceerde elektronentransport
o Bij licht wordt zetmeel gevormd
o Enzymen van donkerreacties
CO2 cyclus vereist een intense samenwerking mesofiel en VBSC
• De afstand tussen mesofyl en vaatbundelschedecellen is nooit meer dan 3 lagen
• uitgebreid netwerk van plasmodesmata ⇒ sterk metabolisch transport
*C4 cyclus in 4 fasen:
# fixatie van CO2 in de mesofylcellen ⇒ oxaalazijnzuur ontstaan (C4 zuur)
# transport van C4 zuur naar de vaatbundelschede cellen
# decarboxylatie van C4 zuur → C02 komt vrij en C3 zuur wordt gevormd
verwerking C02 in de calvincyclus
# transport vh C3 zuur naar mesofielcellen en regeneratie van PEP
*C4 cyclus: 2 na elkaar geschakelde carboxylatiereacties
# 1e cyclus in de mesofielcellen: PEP carboxylase bindt CO2 aan PEP (PEP wordt nadien geregenereerd)
# 2e cyclus in de VBSC: C3 of calvincyclus via Rubisico
*C4 cyclus:
Starten allemaal in het mesofiel waar het PEP carboxylase PEP omzet naar oxaalazijnzuur → substraat HCO3De omzetting van oxaalazijnzuur verschilt in functie vd plantensoort, maar in elk geval wordt een C4 zuur vervoerd naar
de VBSC
Transportvorm Decarboxylatie
Naam
C3 verbinding naar Gewassen
*C4 cyclus: 3 varianten
C4
enzym
mesofiel
+
De 1e reactie is bij alle 2 dezelfde: nl
Appelzuur
NADP
NADPPyruvaat
Maïs,
afhankelijk
ME
suikerriet,
De primaire carboxylatie reactie
malaat enzym
sorgum,
⇒ PEP + HCO3- → oxaalazijnzuur
(chloroplast)
e.a.
Asparaginezuur
NAD+
NADAlanine
Millet
De C4 zuren worden vervoerd naar de VBC
afhankelijk
ME
Reacties door het decarboxylatie enzym …
malaat enzym
(mitochondrium)
Die heeft een speciale naam
Asparaginezuur
FosfoPEPAlanine/pyruvaat/PEP
Guinea
Er wordt een nieuw product gevormd
enolpyruvaat
CK
gras
carboxykinase
(cytoplasma)
Bij alle 3 de varianten wordt de vrijgekomen
CO2 door een reactie met RuBP mbv Rubisco verwerkt in de calvincyclus
1. PEP carboxylase:
PEP + HCO3→ oxaloaceate + HOPO322. NADP malate dehydrogenase
oxaloacetate + NADPH + H+
→ malate + NADP+
3. Aspartate aminotransferase
oxaloacetate + glutamate
→ aspartate + α ketoglutarate
4. NADP malic enzyme
malate + NADP+
→ pyruvate + CO2 + NADPH + H+
5. PEP carboxykinase
oxaloacetate + ATP
→ PEP + CO2 + ADP
6. Alanine aminotransferase
pyruvate + glutamate
↔ alanine + α ketoglutaratie
7. pyruvate orthofosfate dikinase
pyruvate + HOP032- + ATP
→ PEP + AMP + H2P2O7*C4 cyclus: nettoreactie
CO( mesofiel ) + 2 ATP + 2 H 2 O → CO2 (vbsc) + 2 ADP + 2 HOPO32 − + 2 H +
fosfoenolpyruvate = PEP
Stijn Vandelanotte
-20-
Plantkunde II
Plantkunde
Waarom zijn C4 planten productiever?
Grotere affiniteit van PEP voor HCO3Activiteit van carboxyl anhydrase (CA) → deze verschuift het
evenwicht in de richting van HCO3 Zorgt voor een grotere gradient tussen atmosfeer en
intercellulaire ruimten in het blad
Lage permeabiliteit van vaabtundelschede cellen voor CO2
⇒ Resultaat : minder fotorespiratie
Regulatie bij C4 planten?
NADP+ malaat dehydrogenase → regulatie op basis van ferredoxine/
thioredoxine systeem
PEP carboxylase en Pyruvaat orthofosfaat di kinase → regulatie op
basis van fotofosforylering
OPM: PEP carboxylase:
In het donker: niet gefosforyleerd
o Weinig affiniteit voor PEP
o Remming door appelzuur
In het licht: activatie van serine kinase: fotofosforylering
o Actieve vorm met hoge affiniteit voor PEP
OPM: Pyruvaat orthofosfaat dikinase PPDK
Op basis van regulator eiwit
In het donker: inactieve gefosforyleerd
o Fosfor bron is ADP
In het licht: actieve niet gefosforyleerd
o ADP omgezet tot ATP ⇒ gefosforyleerde aandeel vh enzym
verminderd.
OPM1 ↑
OPM 2 ↓
CO2 assimilatie bij CAM planten
CAM = Crassulacean Acid Metabolism
Belangrijkste fysiologische en metabolische events:
Hoge PEP carboxylase activiteit gedurende de nacht
Cellen met grote vacuoles
Sterke schommelingen in concentraties organische zuren en zetmeel
Huidmondjes dicht bij licht en tijdens nacht open
CAM CO2 assimilatie proces:
Nacht → huidmondjes open → CO2 stroomt binnen → HC03 gefixeerd door PEP dat komt door afbraak van zetmeel
→ oxaalazijnzuur → reduceren met NADH → appelzuur → stokeren in centrale vacuole.
ATPase pomp: actief transport H+ vh stroma doorheen tonoplast , waarbij de appelzuur ionen tgv/e elektrochemische
gradient passief mee worden gezogen tegen een concentratie gradient in.
Dag → huidmondjes gesloten → appelzuur verlaat op passieve wijze de vacuole → appelzuur gedecarboxyleerd
→ CO2 → ingebouwd tot suikers via C3 cyclus en pyruvaat wordt terug omgezet naar zetmeel
Resultaat: zeer efficiënt water verbruik
C3-planten:400-500 g H2O per g DS
C4-planten: 250-300 g H2O per g DS
CAM-planten:50-100 g H2O per g DS
OPM : soms combinatie van C3 en CAM
bv ijsplant
OPM: de 2 CO2 fixatie processen gebeuren in dezelfde cel
PEP carboxylase en rubisco concurreren voor CO2
Carboxylatie van PEP en decarboxylatie van appelzuur zijn tegenovergestelde reacties
Regulatie bij CAM planten?
Appelzuur is inhibitor van PEP carboxylase
o 2 vormen van PEP carboxylase
Snachts: ongevoelig voor appelzuur
Overdag: gevoelig tot zeer gevoelig voor appelzuur
o De omzetting tussen beide vormen gebeurt door fosforylering en defosforylering
Rubisco werkt enkel bij licht
Stijn Vandelanotte
-21-
Plantkunde II
Plantkunde
Koolhydraten metabolisme
Planten zijn autotrofe organismen
⇒koolhydraten opgebouwd in het fotosynthetische proces dienen als precursoren voor andere biomoleculen
Pathways vn koolhydraten
⇒ gelinkt aan 2 koolhydraten pools
o Hexose fosfaat pool
o Intermediaire verbinding en van pentose fosfaat cyclus + triosenfosfaat
o Interacte tussen pools
→ Koolstof metabolisme wordt bepaald door 2 KH pools
Hexose fosfaat pool
Bouw: 3 metabolische intermediaire verbindingen
Glucose 6 fosfaat
Glucose 1 fosfaat
Fructose 6 fosfaat
⇒ evenwicht door fosfoglucomutase en
Glucose 6 fosfaat isomerase
Koolstof kan de hexose fosfaat pool binnen dringen door
o Fosforylering van vrije hexosen
o Afbraak van zetmeel en sucrose
o Via triosefosfaten uit de C3 cyclus
Koolstof kan hexose fosfaat pool verlaten door
o Zetmeel en sucrose synthese
o Celwand vorming
o Oxidatie reacties van de pentose fosfaat cyclus en de glycolyse
Sucrose en zetmeelsynthese
Sucrose wordt aangemaakt in de cytosol
Zetmeel in plastiden
o Tijdelijk in chloroplasen
o Permanent in sinkweefsel: zaden, wortels, bollen, knollen
Zowel cytosol als plastiden bevatten een hexose fosfaat pool
o Chloroplasten niet
⇒ uitwisselen KH tussen chloroplasten en cytosol verloopt via antiportsysteem (triosefosfaat shuttle), deze
wisselt triosefosfaten tegen organisch fosfor Pi (bevind zich in binnenste membraan van chloroplast)
Beiden ontstaan uit fosfoglyceraldehyde → 2 concurrerende reacties !
o Synthese in blad verloopt grotendeels gelijk, maar met verschillende regelsystemen voor enzymen
o Bv: fructose 1,6 bifosfaat fosfatase
In chloroplast (zetmeelsynthese) via ferredoxine/thioredoxine systeem
In cytosol door concentratie fuctose 2,6 bifosfaat (blokkeert fructose 1,6 bifosfase)
• Fructose 2,6 bifosfaat ontstaat uit fructose 6 fosfaat door inwerking van
fructose-6-fosfaat 2-kinase
• Fructose 6 fosfaat 2-kinase wordt geactiveerd door Pi en geïnactiveerde door
triosefosfaat (het fosfatase wordt door Pi geinactiveerd)
• Hoge concentratie van fructose 2,6 bifosfaat komt voor bij lage verhouding
triosefosfaat/Pi
Regulatie door concentratie Pi en triosefosfaten in cytosol en chloroplasen en van fuctose 2,6 fosfaat in cytosol
o Pi/triosefosfaat shuttle: wanneer Pi laag is in de cytosol wordt triose fosfaat moeilijk naar cytosol
vervoerd ⇒ sucrose synthese ↓ en zetmeel synthese ↑
Synthese van sucrose
# Fucntie
Transportsuiker tussen source en sink
Stabiele glucoside binding van glucose met fructose schermt sucrose of van oxidatie
Sucrose is dus een niet reducerend suiker ⇒ zeer goed transporteerbaar
Voorraadsuiker : Biet, suikerriet, wortel
Stijn Vandelanotte
-22-
Plantkunde II
Plantkunde
* Synthese op basis van de vorming Uridinedifosfaat-glucose (UDP glucose)
# Glu 1-P + UTP → UDP-glu +PPi
↔ deze reactie wordt gekatalyseerd en is reversibel
# Via triosefosfaat shuttle wordt DHAP
vervoerd naar cytosol Koolhydraten metabolisme
Stappenplan van synthese
# Dihydroxyaceton 3-fosfaat (DHAP)
→ glyceraldehyde 3-fosfaat (GAP)
(gekatalyseerd door triose fosfaat isomerase)
# DHAP + GAP → fructose 1,6-bifosfaat
(fructose -1,6-bifosfaat aldolase): zie 8.3
# Fructose 1,6-bifosfaat + H2O → Fructose 6-fosfaat
(fructose-1,6-bifosfaat fosfatase): zie 8.4
# Fructose 6-fosfaat → Glucose 6-fosfaat
(hexofosfaat isomerase): zie 8.5.
# Glucose 6 fosfaat
→ Glucose 1-fosfaat (fosfoglumutase): zie 8.6.
# Glucose 1-fosfaat + UTP → UDP-glucose
+ PPi (UDPglucose pyrofosforylase): zie 8.7
# UDPglucose + fructose 6-fosfaat
→ UDP + sucrose 6 fosfaat (Sucrose-fosfaat synthase): zie 8.8
# Sucrose 6-fosfaat + H2O → Sucrose + Pi (Sucrose-fosfaat fosfatase): zie 8.9
⇒ De vorming van sucrose uit glucose 1 fosfaat brengt een sterke wijziging weer in vrije energie (∆G=-25kJ/mol)
⇒ de vorming van sucrose wordt in sterke mate bevorderd
* Regulatie van sucrose fosfaat synthese
Door allosterische effecten → activiteit enzym bepaald
Fosforylatie en defosforylatie van serine residu
Geremd door Pi en sucrose
Synthese van zetmeel
# Types
Voorraadsuiker
Houdt turgor binnen de perken
Komt voor in zetmeelkorrels (1-100µm)
2 vormen
Amylose (neemt ca 30% in) → onvertakt
Amylose pectine
→ vertakte vorm
Stappenplan van zetmeelsynthese in chloroplast
# DHAP + GAP → fructose 1,6-bifosfaat (fructose -1,6-bifosfaat aldolase): zie 7.1
# Fructose 1,6-bifosfaat + H2O
→ Fructose 6-fosfaat (fructose-1,6-bifosfaat fosfatase): zie 7.2.
# Fructose 6-fosfaat → Glucose 6-fosfaat (hexofosfaat isomerase): zie 7.3
# Glucose 6-fosfaat → Glucose 1-fosfaat (fosfoglumutase): zie 7.4
# Glucose 1-fosfaat + ATP → ADP-glucose + PPi (ADPglucose pyrofosforylase): zie 7.5.
# PPi → Pi + 2H+ (pyropfosforylase) zie 7.6.
# ADP-glucose + (1,4 – α-D-glucosyl)n → (1,4 – α-Dglucosyl)n+1 (zetmeel synthetase): zie 7.7
Stappenplan van zetmeelsynthese in amyoplast
# Glucose 6 fosfaat → glucose 1 fosfaat (fosfoglumutase)
# Glucose 1 – fosfaat + ATP → ADP glucose + PPi (ADP glucose
pyrofosforylase)
# PPi → Pi + 2H+ (pyropfosforylase)
# ADP glucose + (1,4 - α Dglucosyl)N →(1,4 - α Dglucosyl)N+1 (zetmeel
synthase
OPM: ADP glucose pyrofosforylase: geactiveerd door 3PGA en geïnactiveerd door Pi
3 hoofdenzymen verantwoordelijk voor zetmeelsynthese
ADP glucose pyrofosforylase: pyrofosfaat splitsen van ATP → ADP glucose
Zetmeel synthase: plaatst glucose op nt reducerende uiteinden v/e zetmeelkete
2 vormen: oplosbaar en granules gebonden vorm
Amylo transflycosylase: splitsen een
α glycoside binding en gaat het reducerend deel
Vh afgesplitste fragmen op de C6 positie v/e
Glucose plaatsen
Stijn Vandelanotte
-23-
Plantkunde II
Plantkunde
Triose fosfaat/ Pentose fosfaat pool
Meer diverse dan hexose fosfaat pool
o Ribulose 5-fosfaat, Ribose 5-fosfaat
o Xylulose 5-fosfaat ,DHAP ,GAP
o Sedoheptulose 7-P, Erythrose 4-fosfaat
o Fructose 1,6 bifosfaat
OPM: Fructose 6 fosfaat behoort tot de hexose fosfaat pool, maar behoort tijdelijk tot de triose fosfaat pool
Gevoed door
o Triosen
o Pentose fosfaat cyclus: bestaat uit irreversibele oxidatie reacties waarbij NADPH gevormd wordt en
een reeks reversibele reacties die voor een evenwicht zorgen tussen de intermediaire bindingen
Soms hoofdfunctie: NADPH vormen
Afvoerkanaleen van koolstof
o Triose fosfaten Verbruikt in glycolyse
o Shikimate pathway gebruikt erythrose voor de aanmaak van lignine, aminozuren en polyfenolen
o Ribose 5 fosfaat wordt verbruikt voor de synthese van nucleine zuren
Respiratie
Inleiding
Energie voor het celmetabolisme
o Vrijgemaakt door stapsgewijze afbraak van substraten
o Energie → ATP
o Groei, ontwikkelings, transport en onderhoudsprocessen
Intermediaire verbindingen
o Belangrijke metabolische functie
o Uitgangspunt voor nieuwe synthese
Koolhydraten
o Belangrijkste substraten voor dissimilatie (ook vetten en eiwitten zijn afbreekbaar, bv vetrijke zaden ..)
o Zetmeel fungeert als reserve koolhydraad
Aerobe dissimilatie
o Mbv 02 : glucose → H20 + C02 = ademhaling of respiratie
C 6 H 12 O6 + 6O 2 ⇒ 6C 0 2 + 6 H 2 0 + ATP
O2 treet op als laatste e- acceptor
∆G = -2910kJ / mol glucose
o Hoeveel C02 er geproduceerd wordt voor 02 wisselt bij het type substraat
RQ = respirator quotient = CO2 productie/ O2opname
Hoe sterker een substraat gereduceerd is (lage RQ), hoe meer energie de verbranding levert
RQ = 1 bij volledige afbraak van glucose in aanwezigheid van O2
• 1 >RQ vetten, eiwitten
• 1< RQ organische zuren
Anaerobe afbraak, waarbij gereduceerd organisch materiaal overblijft, heet gisting (in geval van eiwit = rotting)
Aerobe afbraak van glucose
Complex waarbij mitochondrien een belangrijke rol spelen
Stapsgewijs
o Glycolyse
Door reeks oplosbare enzymen in de cytosol. Glucose → beperkte oxidatie → 2 moleculen
pyruvaat + 2 moleculen ATP en 2 NADH
o Oxidatieve decarboxylering
In stroma van mitochondria. Pyruvaat→acetyl-co enzym + 2 NADH
o Citroenzuur of krebcyclus
In stroma van mitochondria: Productie van NADH en FAH2, weinig ATP
o Oxidatieve fosforylatie
In binnenstre membraan van mitochondria
Elektronentransportketen: NADH en FADH2
→ O2. Elektronentransport keten regenereert
veel energie om hiermee ATP te produceren
Vgl:
C6 H12O6 + 6O6 + 6 H 2 0 + 32 ADP + 32 Pi → 6CO2 + 12 H 2O + 32 ATP
Stijn Vandelanotte
-24-
Plantkunde II
Plantkunde
Glycolyse
Enkel als glucose afkomstig is van zetmeel kan dit rechtstreeks in de glycolyse gestopt worden
Kenmerken:
o Oudste metabolische processen vd ademhaling
o Prokaryoten en eukaryoten
o Geen O2 nodig
o Veel enzymen nodig
→ glucose en fructose kunnen gemakkelijk in de glycolyse pathway
* glucose afkomstig van zetmeel
→ glucose 1 fosfaat :+ATP& fosforylatie :
glucose6fosfaat
*glucose en fructose aangebracht door sucrose
→ glucose en fructose : fosforylatie door hexokinase
en fosfoglucose isomerase :
fructose 6 fosfaat en glucose 6 fosfaat
Ondertussen komen ADP en protonen vrij
* toevoegen van ATP : fosfofructokinase:
fructose 1,6 bifosfaat (2 ATP ndg , komt van sucrose)
er komt ook ADP en protonen vrij
* splitsingsfase: aldosen : DHAP en GAP
Met DHAP ↔ GAP → GAP
* toevoegen NAD+ en organisch fosfor:
GAP dehydrogenase : 1,3 bifosfoglycerinezuur
Redox koppel NAD+/NADH is een sterke reductans
met -320mV als reductiepotentiaal
* De vrijgekomen ADP in combinatie met
fosfoglycerinezuur kinase: 1,3 bifosfoglycerinezuur
→3PGA en er komt ATP vrij
*Door fosfoglycerinezuur mutase:
3PGA → 2 PGA
* Deze 2PGA wordt gesplitst door enolase tot :
H20 en fosfo-enolpyruvaat
* door toevoeging vd rest vd vrij gekomen ADP en
de protonen in combinatie met pyruvate kinase :
Pyruvaat + ATP komt vrijdag
Netto reactie: per molecule glucose: 2 ATP, 2 NADH
en 2 pyruvaat moleculen
Afbraak van Pyruvaat
In mitochondria: ovaal
Functie: afbraak van pyruvaat, (omzetten van suikers naar bruikbare energie (1e semester))
o dubbele membraanstructuur: tussen membranen: intermembrane ruimte
buitenstelaag is erg poreus, binnensnte laag is niet poreus maar geplooid
o bevat lipiden fractie:
fosfolipiden met fosfodycholine en fosfosdylethanolamine
o bevat DNA (mtDNA=mitochondriaal dna) en ribosomen
Pyruvaat dehydrogenase complex
3 enzymen die meerdere keren voorkomen: pyruvaat dehydrogenase (20-30), dihydrolipoyl transactylase (60)
en dihydriolpoyl dehydrogenase (6)
5 co-enzymen: CoA, NAD+, FAD+, lipoamide en thiamine pyrofosfaat (TPP)
Stijn Vandelanotte
-25-
Plantkunde II
Plantkunde
Oxidatieve decarboxylatie
→ in stroma vd mitochondrien: pyruvaat wordt geoxideerd en gedecarboxyleerd. Gekatalyseerd door pyruvaat
dehydrogenase → CO2 , NADH en acetylgroep die gebonden wordt aan co enzym A
⇒ Na deze 2e fase zijn dus 2 vd 6 koolstofatomen van glucose afgesplitst als CO2 + 2 NADH moleculen gevormd
Krebs of citroenzuurcyclus
De acetylgroep vh acetyl CoA kan door
dehydrogenatie en afsplitsing van CO2
volledig worden afgebroken
⇒ Krebcyclus = cyclisch
* Acetyl CoA + oxaalazijnzuur:
citroenzuursynthase: CoA komt weer vrij en
bind zicht aan Oxaalazijnzuur → citroenzuur
*tgv isomeratiereactie + acotinase:
intermediair cisaconitaat en ioscitroenzuur
*1vd C vh isocitroenzuur oxideert tot CO2
mbv isocitroenzuur dehydrogenase
→ elektronen van C naar NAD+ ⇒ NADH+H
→oxaalsuccinate als intermedium
Uiteindelijk is isocitroenzuur geëvolueerd tot
α ketoglutaarzuur
*dit ondergaat een oxidatieve decarboxylatie
reactie met tussen komst vh redoxkoppel:
NAD+/NADH en het enzym α ketoglutaarzuur
dehydrogenase → CO2 + succinyl CoA
*Succinyl CoA: succinyl dehydrogenase Coa:
→ ADP naar ATP en met behulp van
organisch fosfoor krijgen we : succinylzuur+
CoA
*succinylzuur : sucinyl dehydrogenase:
→ succinylzuur oxideerd tot fumaarzuur, de
vrijgekomen elektronen worden opgenomen
door FAD+ die reduceert tot FADH2
* door opname van H20 + fumaraze :
Fumaarzuur → appelzuur deze oxideert mbv
malaat dehydrogenese tot oxaal azijnzuur en
gaat NAD+ → NADH+H
Nettoreactie: 3CO2 moleculen , de grootste
hoeveelheid energie die vrijkomt ; stokeren in
NADH, FADH2, ATP
Organische zuren als substraat voor de ademhaling
NAD+enzym katalyseert de oxidatieve
decarboxylatie v appelzuur ->pyruvaat
o pathway voor PEP (v glycolyse)
Cytosol: appelzuur gesynthetiseert uit PEP
o (met PEP carboxylase en malaat
dehyrdrogenase)
Appelzuur in mitohondria: via Pi/appelzuur
shuttle
o Pi nr intermembrane, appelzuur
omgekeerd
Appelzuur geoxideert nr pyruvaat: via
NAD+maalaat enzym geoxideerd via krebs
cyclus
Afwezigheid v pyruvaat: organische zuren als
substraat.
Stijn Vandelanotte
-26-
Plantkunde II
Plantkunde
Oxidatieve fosforylering
De mitochondontriale elektronentransportketen.
NADH en FADH2 worden geoxideerd: via redox reacties worden e- doorgegeven naar O2
Hierbij wordt stapsgewijs energie vrijgemaakt
Wr: binnenmembraan vh mitochondrium (Mitochondriale plooien met redoxcomponenten)
werking:
elektronencarriers (geven en nemen e- en p+) die ze geven aan Moleculaire zuurstof
redoxparen(NADH/NAD+)(FADH2/FAD+) met lage redoxpotentialen
e-carriers moeilijk reduceren, FADH2/FAD+ (-320<-45mV) hoogste potentiaal en vraagt dus
minder energie vrij (bij e- transport van…->O2: 220>167.5 kJ)
richting transport: grootste affiniteit vr e Elektronentransport is terug gekoppeld aan ATP-productie (chemi-osmose)
Bouw: 4 grote multiproteinencomplexen (verbinding door 2 beweegbare moleculen)
Samen:
NADH geoxideerd door complex I en NADH reductase
NADH geeft e- aan een eiwit met cofactor FMN+
Comlex I geeft e- aan quinon (beweegelijk, nt gebonden
e-carriers v complex I= FMN, 3 of 4 Fe-S eiwitten, interne quinine
FMN(4e-) ->3 Fe-S complexen (elk 1 e-)
UQ geoxideerd door Fe-S eiwit
2 protonen afgeven aan tssmembraan
Fe-S eiwit geoxideerd door quinone moleculen
(hier tssdoor worden 2H+ nr tssmembraanruimte)
complex wordt geremd door het alkaloïde retenon
H+/2e-=4
Succinyl dehydrogenase in complex II (kleinste eiwit complex)
e- (oxidatie v succinylzuur) opgenomen door 3Fe-S eiwitten
# Bouw: 4 eiwitketens (gecodeerd door kern)
2 hydrofiel en perifeer (Fp gebonden met FAD+ ; Ip bevat 3Fe-s clusters)
2 hydrofoob en transmembraan (geassocieerd met cytochroom b structuur en quinone paar)
e-transport: FAD+Fe-S Fe-S Fe-SUQpaarUQ in membraan
é aan de ubiquinon-pool (idem bij complex 1)
Complex III
Bouw
o cytochroom B , cytochroom c1, een rieske Fe-S eiwit en 5 additionele eiwitketens
o 2 quinone bindingsplaatsen: P die UQH2 oxideert en N die UQ reduceert
Werking: Q-cyclus
o 1ste fase
-UQH2bindt zich op P; 1e- afgegevn aan eiwitcyt c1cyt c wordt gebracht
2H+ (UQH2) tssmembraan
2de e- (UQH2) geredudeert b566b560 (UQ half gereduceerd, bij bindingsplaats N)
o 2de fase- Identiek (Maar UQ heel gereduceerd neemt 2H+ en zo ontstaat UQH2; bindt op P)
o Besluit: overdracht v 2e- aan cyto c en 4H+ die nr de tssmembraan wordt gebracht
Cytochroom c: enige e-carrier dat geen intrinsiek eiwit is
o Reductie van complex IV 7-9 eiwitcomplexen (2cytochroom a types)
2 kopercomplexen
o Geoxideerd door CuA complex (cytochroom a reduceerd)
Cytochroom a3 geoxideerd door CuB Complex (reduceerd o2tot h2o)
Cytochroom a3-Cub complex fungeert als reductans voor O2 +bindingsplaats voor cynaide +remmer v
cytochroom c oxidase
#
Matrix NADH dehydrogenase dehydrogenase activiteit v complex I
Complex 1: NADH te oxideren en e- UQ-pool (geen H+ nr tssmembraan ruimte)
Matrix: affinieit is kleiner dan complex I enkel actief bi hoge conc
Buitenste membraan is er hydrogenase (ook geen H+ nr tssmembraan ruimte)
Cytochroom c oxidase: e- v ubiquinon O2 (geen H+ nr tssmembraan ruimte dus energiewarmte)
Stijn Vandelanotte
-27-
Plantkunde II
Plantkunde
ATP-sythese
Transfer v elektronen gekoppeld aan synthese v ATP = oxidatieve fosforylering (gesteund op chemi-osmose)
Werking: meerdere redoxkoppels gerangschikt op toenemende redoxpotentiaal
pos potentiaalverschil in richting v e-transportafname v vrije energie
elektronenoverdracht:exergoon proces= redoxreacties; stapsgewijs energie vrijkomt
Energie: protonentussen membraan ruimte pompen
elektrochemische gradients tss ruimte en matrix (omdat Mito M is impermeabel)
de vrije energie
kan worden uitgedrukt in pmf(grote:-200 tot 240)
elektrische component(
belangrijkst( -150 tot -200)
Via F-type ATP synthase complex: H+ weg +energie(gradient)ADPATP
bouw: ringvormig kanaaleiwit in Memb(F0) + complex bolvormig deel in stroma(F1)
#
#
ATP synthese
in F1:α en β eiwitketens vormen 3 nucleotide bindingsplaatsen
3 posities: L(loose) – T(tight) – O(open)
vrije energie v gradient wordt via F0, Ycomponent v F1nucleotide bindingspl
gevolg rotatie vh α en β comple en conformatie vd bindingsplaats(LTO)
bij voldoende energie kan er ATP gevormd wordn G=32Kj/mol
De oxidatie v NADH door complex I
overbrengen v 10H+ nr tssM ruimte (rekening houden met energie vr ATP en
bij chloroplasten 3H+ vr ATP (bij mitochondria ADP,Pi,ATP gevormd worden=extra Energie)
ATP4-ADP3-; Pi (cytosol)OH-(mitochondrium); OH– kost 1H+
1NADPH3ATP (FADH2(2ATP) geeft e- nr complex II, 1 fosforylatie valt weg)
tijdens glycolyse kan ze nt RECHTSTREEKS via binnenm v mitochondrien( e- nt rechtstreeks overdragen)
moet verschillende carriers onderstaan
appelzuur-asparginezuur shuttle:oxaalazijnzuur reduceren tot appelzuur die doorheen het membraan geraakt met
OH-/appelzuur shuttle (die dan appelzuur weer opzet en NADH vrijmaakt, die leidt to 3ATP)
glycerol-fosfaat shuttel: reduceerd dihydroxyaceton-fosfaat tot glycerolfosfaat. Passeert membraan zet die weer trg
om. Hierbij wordt FAD gereduceerd tot FADH2 (NADDH2ATP)
o SOMMIGE kan cytoplasmatische NADH het buitenmembraan passeren en derect reageren met ubiquinon
(dit leverd slechts 2ATP op per geoxideerd NADH
Fosforylering:
+ glycolyse (2 NADH): 2 of 3 x 2 = 4 of 6 ATP
+ ox. Decarboxylatie (2 NADH): 2 x 3 = 6 ATP
+ Krebs (6 NADH): 6 x 3 = 18 ATP
+ Krebs (2 FADH2): 2 x 2 = 4 ATP
Uit Krebs en glycolyse: 2 + 2 = 4 ATP
Totaal= 36 of 38 ATP
Energie glucose: 2910 kJ
Energie ATP: 33 kJ
Verhouding: 37x33/2910 = 40 à 43 %
Anaërobe dissimilatie
NADH moet geoxideerd worden door NAD+ (maar na limiet op is wat dan?)
Elektronenacceptor: pyruvaat via 2 wijzen
1, melkzuurvorming:enzym gebruikt melkzuurdehydrogenase NADH om pyruvaat te reduceren
2,alcoholvorming: pyruvaat wordt gedecarboxyleerd met enzym pyruvaat decarboxylase en daarna geoxideerd tot
ethanol (CO2 )
Vb, maiswortels: melkzuurfermentatie in waterverzadigde bodems. Langdurig:alcoholvorming (bescherming)
Stijn Vandelanotte
-28-
Plantkunde II
Plantkunde
Oxidatieve pentosefosfaat cyclus
Pentosefosfaat cyclus: directe afbraak van glucose in het cytoplasma(afbraak van koolhydraten)
# geen ATP vorming → slechts opsplitsing in CO2 en NADP+, die fungeert als elektronen acceptor
# NADPH en aantal pentosefosfaten die als bouwstenen kunnen dienen voor celbestanddelen zoals DNA, RNA,
ATP, NAD(P), FMN en FAD
# NADPH(reducerend vermogen + elektronen acceptor)
synthesen (b.v. aminozuren en eiwitten)
transhydrogenatie op NAD+, waarna NADH in de mitochondriën kan worden geoxideerd onder de
opname van O2 en met ATP vorming
Reacties: 6glucose-6-fosfaat +6water +12NADP+6ribulose-5-fosfaat+6CO2+12H (oxidatieproces)
-ribulose-5-fosfaat wordt via een pentosefosfaatcyclus omgevormt tot hexosefosfaat
-Calvincyclus moet 6maal doorlopen voor 1 hexosefosfaat
_________________________________________________________________________
Totaal: 12NADPH+12H+6O66H2O(+Pi)
*NADH +H+ wnnr nt in synthese gebruikt 1NADH weer geoxideerd2ATP (mitohondrien)
-energetische rendement is 27% (24 keer 33kJ v ATP tgnover 2910kJ v suiker)
Dissimilatie van zetzuren
#
#
Energieproducten:zetmeel, sucrose, vetten(zaden, vruchten…voorraadverbindingen)
Vet(lipiden): sterk gereduceerd==<dissimilatie zorgt voor meer energie dan koolhydraten
Vorm: Triglyceriden (in Spherosomencytoplasma zaadlobben/endospermacellen)
ketenlengte vd vetzuren schommelt tss 12-20 (aantal C-atomen)
agregatietoestand: vl: bij Tkam+veel onverzadigde VZ; V: onverzadigde ~ verzadigde
samenstelling in chloroplasten en etioplasten: palmitinezuur,oliezuur, linolzuur,
Behalve reservevetten zijn er structurele vetten: cutine, fosfolipiden, …., terpenen
#
Biosynthese in chloroplasten/etioplasten bij planten:
verzadigde vetten gesynthetiseerd
herhaalde additie ve fragment v 2C door acetyl co-enzym A
Acetyl co-enzym A (gecarboxleerd)malonyl co-enzym A (C-atoom donor)
groeiend vetzuur gebonden aan acyl-carrierproteine(ACP)
Energie ingestoken: 1ATP en 2NADPH per fragment(pijl)
resultaat:Palmitine (stearinezuur en oliezuur wordt in plastiden of glad endoplasmatische reticulum
transport door acyl co-enzym A
Eindsynthese in glad endoplasmatisch reticulum
draagmolecule glycerol ontstaat in cytosol en verestering in het E.R.
triglycereriden: tss de Membr in ruimtes geplaatst, verpakt in blaasjes verlaten E.R als spherosomen
Vetten in zaden die afgebroken worden tijdens kieming om te groeien (kiemproces)
hydrolyse door lipasen triglyceriden 3 vrije vetzuren in de spherosomen + glycerol
tijdens: associatie tussen sperosomen en glyoxysomen= vrije VZ nr glyocysomen (klein, enkelvoudig
membraan)
Glyoxysomen: VZ + co-enzym A mol activatie (enzyme acyl coA synthetase)
β-C-atoom (geoxideerd)carboxylgroep
fragment(acetyl co-enzym A) co-enzym A zndr 2C-atomen (β-oxidatie, 1 /meerder malen) –per
enzyme: O2/2 gereduceerd tot water en 1NADH geproduceerd
Acetyl co-ennzym A fragmenten gemetaboliseet in glycosomen (glyoxylzuur-cyclus)
enzym +oxaalazinzuur citroenzuur (citroenzuur synthase enzym) isocitroenzuur
(krebbcyclus)succinylzuur +glyocylzuur.
-appelzuur synthase +glyocylzuur+acetyl co-enzym A appelzuuroxaalazijnzuur (oxidatie)
EXTRA: succinylzuurmitochondrienappelzuur(Krebbcyclus)uit mitochondrien door shuttle
oxaalzuur (oxidatie)
met PEP carboxylkinese +1ATP: oxaalazijnzuurPEP +1CO2
uit PEP ontstaat glucose en fructose = sucrose
Stijn Vandelanotte
-29-
Plantkunde II
Plantkunde
Waterhuishouding van de plant
Inleiding
Vegetatieve weefsel: 80 – 95% water
(→ sla : ≈ 95%)
H20 % percentage = f (functie weefsel type)
o Spinthout: 35-75%
o Kernhout: <35%
o Zaden: 5-15%
Eigenschap van weefsels: water is slechts een tijdelijke component
o Extrema: bij zeer warme dagen: vervanging van 100% vh waterinhoud
o Plant gaat ≈ 100 x zijn eigen massa aan water verdampen in zijn levenscyclus
Gewasopbrengst
o Voor 1kg droge stof is 350 – 500 l water nodig ⇒ per 10.000kg DS / ha is 5milj. L water nodig !!!
o Extrema: bij zeer warme dagen: 56.000l /ha
⇒ Water is vaak beperkende factor
Wateropname en watertransport
Passief deel: opname snelheid → grote vd atmosferische zuigkracht → hoe droger de lucht
→ hoe groter verzadiging van luchtvochtigheid → hoe intenser de verdamping
Actief deel: fysiologische regelmechanismen die water afgifte regelen.
Hierbij zijn de biologische factoren (stomata) en abiotische factoren (T, RV) het belangrijkst
Eigenschappen van water
Opbouw
H–O–H
→ ruimtelijke structuur : polair
⇒ ze bezitten dus dipool dipool moment
⇒ waterstofbruggen mogelijk
Dit zijn vanderwaals krachten!
Gevolgen van deze fysische eigenschappen
Zeer geschikt voor ionische verbindingen (ze vormen
een watermantel rond de ionen)
Dipool + waterstofbruggen → grote cohesie en adhesie krachten → grote oppervlakte spanning
⇒ capillariteit !
Andere fysische eigenschappen
Grote specifieke warmte → zorgt dat temperatuur van planten niet sterk fluctueert
Grote latente warmte
→ zodat water niet snel kan verdampen (het is de grootste v.alle vloeistoffen
Capillariteit
Vloeistof in bak met hierin cilinder
Tgv cohesie zal watermoleculen samen houden
Tgv adhesie zal wand van cilinder bevochtigen
⇒ water zal in de cilinder naar boven worden gezogen
Opwaartse kracht = 2 * π * oppervlakte spanning
Neerwaartse kracht = h * 2 * π * g * ρ
o Bij evenwicht: opwaartse kracht = neerwaartse kracht
#
#
#
#
Men kan dus besluiten dat de celwanden zich als capillairsystemen gedragen
In xyleem (waterstreng van wortel tot blad): geen lucht-water grenslaag → geen capillariteit
Cohesie krachten → wateraggregaten → kunnen aan zekere trekkracht weerstaan → hoe smaller het capillair
→hoe sterker deze aggregaten , deze worden verzwakt door aanwezigheid van gassen in planten
Spanning van vloeistof verlaagd → cavitatie → zeer nadelig voor watertransport in xyleem bij bomen
Adhesie krachten →hechten aan geladen oppervlakten → beweegbaarheid ↓ → viscositeit ↑
Dit is goed tegen uitdroging
Stijn Vandelanotte
-30-
Plantkunde II
Plantkunde
Rol van water in plant
Water is grondstof voor fotosynthese
o elektronen en protonen leverancier
Water is koelvloeistof
o hoge specifieke warmte en latente warmte
Water zorgt voor turgordruk
o elasticiteit + veerkracht → nodig voor groei te hebben
Oplos ent transporteerbaarheid is hoog
o macro elementen lossen op in water die hierdoor op juiste plaats geraken. Hoe sneller het transport
hiervan verloopt → hoe hoger de beschikbaarheid van deze mineralen
o osmose mogelijk = cell to cell transport
Voorkomen van water in plant
Metabolisch water
o Watermoleculen maken een cyclus tussen fotosynthese en dissimilatie:
⇒FS ⇒ inbouw van H20 ⇒vorming van 02 ⇒ dissimilatie (oxidatie van suikers ) ⇒ H20 weer vrij
Gestructureerd water
o Elektrostatische aantrekking ⇒ Water gebonden op geladen oppervlakten ⇒ ontstaan gelachtige en
colloidale fasen ⇒ noodzakelijk voor plant
o Bij vermindering van deze fractie: verstoring protoplasmatische en normale werking vh metabolisme
Capillair water
o Water buffer voor noodtoestanden (bij extreem warm en droog weer)
o Dit water bevind zicht in kleine holten en porien
Water in vacuolen
o Belangrijkste waterreserves
o Geen echt water maar oplossing van org. Zuren, koolhydraten, ionen
o Waterbuffer als de opname v. water via wortelstelsel de transpiratie niet kan volgen
Waterpotentiaal
Concept
Het vermogen van watermoleculen om arbeid te leveren = thermodynamische basis
Begrippen en eigenschappen
De hoeveelheid van water is niet van belang !
o De beschikbaarheid van water wel !!!
= aantal watermoleculen die zich vrij kunnen bewegen
o Waterpotentiaal ≈ potentiele energie uit fysica
o Referentieniveau voor dit vermogen : waterpotentiaal = 0
o Getalwaarde van waterpotentiaal = W / V om watermoleculen over te brengen vd referentie naar een
bepaalde plaats in de plant
Als een druk moet overwonnen worden : Waterpotentiaal > 0
Als er spontane water afzuiging is: Waterpotentiaal < 0
o Wateroverbrenging : voorwaarden
Iostherme omstandigheden
Reversibele wijze
o Bepaling van getalwaarde
Moeilijk onder reële omstandigheden
P=
R.T
e
. ln
Vw
e°
•
•
o
o
P<0 → P↓ → sterkere aanzuiging
P>0 → P↑ → sterkere afstoting
P uitgedrukt in Pa = J / m³ = N / m²
Waterpotentiaal in de bodem
Meestal weergegeven door pF-waarde (Brigse log nemen van P) = zuigspanning in de bodem!
Toegepast op niveau vh substraat
Waterpotentiaal = maat voor beschikbaarheid van water op een bepaalde plaats / plantendeel
Bij negatieve waarden → spontane aanzuiging van water → Ep ↓ → arbeid wordt vrijgesteld
• Stroming gebeurt in richting vd meest negatieve waarden!
Componenten van de waterpotentiaal
Stijn Vandelanotte
-31-
Plantkunde II
Plantkunde
Gravitatiepotenitaal
o Pg = Ep vd watermoleculen op een bepaalde hoogte boven een referentie niveau
o Pg = m . g . h / V(m³)
o Pg = (1kg. 9,81 m /s² . 1 m )/ 10-³ m³ = 9,81 . 10³ Pa = 0,00981 MPa
o Pg = 0,00981 MPa per meter hoogte die moet overwonnen worden!
o OPM; enkel van belang bij zeer grote planten ! … meestal verwaarloosbaar …
Osmotische potentieaal
o Ontstaan: gevolg van osmose
o Pπ ~ ionenconcentratie
o Pπ < 0
osmose: verplaatsing van water naar plaats waar concentratie ervan lager is
gevolg: zuigt dus altijd zuiver water aan!
o Pπ = - M . R . T = - n R T /V
( = vgl van Van’t Hoff en geldt voor sterk verdunde oplossingen!)
o Pπ van een ideale oplossing met M = 1M
Pπ = - 1 M . 8,314 J/mol K . 293 K = -2,44 MPa
o Pπ van een ideale NaCl oplossing met M = 1M
Pπ = - 1 M . 2 . 8,314 J/mol K . 293 K = - 4,88 MPa
Drukpotentiaal
o Ontstaan: gevolg van tegendruk of reactie op turgordruk
o Drukkrachten die op watermoleculen inwerken verhogen het vermogen tot leveren van arbeid ⇒ Pp >0
o OPM: ter hoogte vd xyleemvaten is Pp < 0
Matrixpotentiaal
o Ontstaan: gevolg van bindende krachtwerking tussen watermoleculen en structurele elementen
o Eig: hoe kleiner de porien , hoe sterker watermoleculen worden vastgehouden
o Eig: concentratie oplossing stijgt → bewegingsvrijheid neemt af → Pπ wordt negatiever
Totale potentiaal
o P = Pg + Pπ + Pm + Pp
Waterbalans van de plant
Water in de bodem
Waterbergingsvermogen van de bodem is afhankelijk van
o de bodemtextuur
klei: groot adsorptie oppervlak tgv heel kleine partikels
zand: klein adsorptie oppervlak tgv grotere partikels
o organisch materiaal
veel humus → samenplakken van partikels → te vergelijken met klei
bodem werking na regenval
o Water percoleert naar grondwatertafel tgv zwaartekracht
o Behalve: als er voldoende elektrostatische aantrekking of capillaire werking is blijft het water daar
Waterpotentiaal vd bodem
o Vooral bepaald door matrixpotentiaal
o In mindere mate door osmotischepotentiaal
Bij veldcapaciteit : P benadert 0
Bij verwelkingspunt: P van -1,5 tot – 3MPa (voor ariede bodems)
Stijn Vandelanotte
-32-
Plantkunde II
Plantkunde
Bodemwerking na periode van droogte ⇒ uitdroging bodem
o water wordt door adhesie sterker vastgehouden aan de bodemdeeltjes
o water verwijderen van een oppervlak is een zuigkracht nodig om het matrixpotentiaal te overwinnen
Pm = - 2 T / r
(T = zuigspanning = 7,28.10^-8 en r = straal druppel (lucht-water))
o Gevolgen: eerst wordt water weggenomen uit grotere grond porien (minste weerstand)
⇒resterende deel zit in kleine porien ⇒ hoe kleiner de porien hoe groter de zuigkracht nodig
Bulk flow of massa stroming
o Wortel nemen water op ⇒ meer negatieve water potentiaal ⇒ zuigkracht rond de wordtel
o ⇒ spontane waterstroming naar de wortel
o Afhankelijk van:
Zuigkracht vd zone rond wortels
Hydraulische conductiviteit
• Groot bij zandbodems
• Klein bij klei en uitgedroogde bodems
Water opname door de wortel
# Voorwaarden : Innig contact tussen worteloppervlak en bodemoplossing
# Via:
Wortelhaartjes (vooral) en dan nog vooral boven de strekkingszone
Celwanden
# Eenmaal opgenomen verplaatst het water zich in de richting vd centrale cilinder
Watertransport doorheen de plant
# Manieren om water te krijgen tot aan de endodermis:
Apoplastisch : via niet levend continuüm van celwanden en intercellulaire holten = passief transport
D.w.z.: water gaat tot de endodermis zonder 1 celmembraan te passeren
Cellulair: veel trager dan apoplastisch … veel hoger weerstand
Transmembraan / osmotisch: van de ene naar de andere cel
# passeren via 2 membranen
# soms via vacuolen en tonoplast
Symplastisch: via plasmodesmata en de celwanden
OPM: respiratie vd wortelcellen ↓ → hydraulische conductiviteit ↓ → volume water vervoerd↓
⇒ Planten in verzadigde bodem → 02 gebrek bij wortelcellen → respiratie ↓ → water transport ↓ → watergebrek
⇒ verwelking !!!!
# Eenmaal aangekomen aan de endodermis
= fysiologische barriere met lijsten van caspari ⇒ passief transport wordt gestopt
Worteldruk ≈ 0,1 – 0,5 MPa
Onder droge omstandigheden kan geen positieve druk worden opgebouwd in xyleemvaten.
Omgekeerde bij beperkte transpiratie (RV ≈ 100 %) ⇒ Gevolgen hiervan kunnen zijn:
o Worteldruk wordt niet meer gecompenseerd door transpiratie ⇒ water wordt uit de hydathoden geperst
⇒ waterdruppels = guttatie
⇒ waterblazen in het mesofyl
⇒ virtificatie: sponsweefsel normaal zeer veel lucht holten , nu gevuld met water
⇒ mesofyl wordt necrotisch
Transport naar de bladeren … als het water eens door het endodermis is …
Voor 99,5 % doorheen xyleem (= tracheen + tracheiden)
o Dit xyleem vormt 1 waterstreng van wortel tot blad (cohesiekrachten weerstaan aan zuigkrachten)
Xyleem
o Dode cellen zonder cytoplasma en sterk verhoute wand ⇒ kleine hydraulische weerstand
o Tracheeen :
cilindrische cellen en longitudinaal verbonden
bevatten stippels ⇒ communicatie mogelijkheid met andere xyleemelementen
o Tracheiden:
Spitsuitlopende cellen
Bevatten stippels ⇒ communicatie mogelijkheid met andere xyleemelementen
Types: ring, spiraal, nettracheiden
Laterale verbindingen/ stippels en thyllen:
o Zorgen voor oplossing tegen cavitatieproblemen / vorming van gasbellen die cellen beschadigen
Stijn Vandelanotte
-33-
Plantkunde II
Plantkunde
Transport in de bladeren
Het xyleem splitst in nauwere vertakkingen:
o Water: tracheiden → parenchymweefsel dat nerven omringd
o Waterdiffusie : parenchymweefsel → substomatale ruimtes
o Verdamping: substomatale ruimte → stomata → verdamping
Hoe groot moet de zuigkracht zijn om water in de bladeren te krijgen → Wet van Poiseuille
o
o
Transportsnelheid v =
π . r 4 ∆P
.
8 η ∆x
…
R ≈ 40µm
η ≈ 10^-3 Pa.s
V = 4 mm/s
⇒ Per oppervlakte eenheid hebben we een drukgradiënt nodig van 0,02 MPa/m hoogte !
Daarnaast moet ook ng de gravitatie overwonnen worden ≈ 0,01 MPa / m hoogte
Waterstrengen zonder opgeloste gassen kunnen een
weerstand van 30MPa weerstand dus ruim
voldoende om een zuigkracht van -3MPa te
weerstaan.
Diffusie van waterdamp uit de bladeren
Water wordt via vaatbundels in de nerven over de bladeren
verdeeld
De bladcellen zijn nooit verder dan 0,5mm van een nerf
verwijderd
Het xyleem in de fijnste nerven: enkel opgebouwd uit
tracheiden en begeleidende floeemparenchymcellen
⇒hieruit loopt het water naar de celwanden van bladcellen
≈ een bodem
o Daaruit wordt de zuigkracht vd wortels voor het
water uit de bodem opgebouwd
o Die zuigkracht ontstaat op de grensvlaken van
water-lucht in het mesofylweefsel
Verdamping = diffusie proces
→
→
→
o Slechts 5% damp door cuticula (=goede isolator!)
o Openingsgraad van stoma ~ dampverlies
o Zones / Diffusiestappen voor de verdamping …
Interstomatale ruimte
Stomatale porie
Grenslaag (dun laagje lucht die door wrijving aan het blad blijft kleven)
o Tijd nodig voor de verdamping
∆t = d² / diffusiecoëfficiënt van water = (10^-3m)² / (2,4 . 10^-5 m²/s) = 0,042 s
Bij openstaande huismondjes en droge lucht verliest een blad ≈~zijn hele watervoorraad
o Afhankelijk van:
Het verschil in waterdampconcentratie tussen atmosfeer en interne ruimtes vh blad = ∆P
Diffusie weerstand die waterdamp ondervindt bij het verlaten vh blad
o Hieruit volgt:
Stroomsnelheid = Potentiaalverschil / weerstand
Of Transpiratiesnelheid = dampdichtheidsverschil / diffusieweerstand
Of
Tr =
d 0 .(t blad ) − d l
rv
→ Tr = g./ m² s = aantal gram dat per blad oppervlak per seconde aan de lucht wordt afgegeven
→ d0 (tblad) – dl = g ./ m³ = verschil tussen dampdichtheid van lucht in substomatale holte en lucht
→ rv = diffusie weerstand in s/m
Stijn Vandelanotte
-34-
Plantkunde II
Plantkunde
Diffusieweerstand voor waterdamp
Stomatale weerstand
Bouw van een huidmondje
Regelbare openingen
Samenwerking van 2 sluitcellen
Verschillen met gewone epidermiscellen
o Bevat chloroplasten ↔ gewoon epidermiscellen niet
o Buurcellen hebben andere vorm dan epidermiscellen
Sluitspleet verbonden mesofyl
o De grote vd sluitspleet wordt geregeld door de 2 sluitcellen
o Turgor ↑ → openen
;
turgor ↓ → vernauwing
o Ook chloroplasten zeer belangrijk bij verandering in turgor
Types!
o Amaryllidatype
Meest voorkomend
Bezitten radiaal gerangschikte microfibrillen die rug en buikzijde verbinden
Microfibrillen beperken ook de opening vd sluitspleet → beperking afgestane waterdamp
o Gramineeentype
Bij poaceae en cyperaceae
Haltervormige sluitscellen
Bij turgordruk ↑ zwellen de uiteinden op waardoor de starre middenstukken van elkaar
gedrukt worden
Mechanismen betrokken bij de stomatale opening en sluiting
Factoren die bladtranspiratie beïnvloeden
o Stomatale weerstand
= enige factor onder biologische factoren
Gerealiseerd door de sluitcellen die de stomatale opening omringen
Stijgende turgordruk → opening sluitcellen
o Voorwaarde: osmotische waarde in sluitcellen ↑ en osmotische potentiaal - ↓
Welke mechanismen?
Turgor druk hangt samen met K+ concentratie in de vacuolen van de sluitcellen:
⇒ Gesloten sluitcellen: 100mM ⇒start (2) ⇒ K+ ionen (en Cl- en appelzuur- ionen): buurcellen → sluitcel vacuole (1)
⇒ 400 à 800mM ⇒ Pπ ↑ ⇒ Pπ ≈ - 2MPa ⇒ aanzuiging van water ⇒ opening vd sluitcellen. .. (3)
OPM: Cl- en appelzuur versterken dit!
(1): gebaseerd op ATPase pompen: hun energie halen ze uit ATP-moleculen uit de FS of respiratie van mitochondriën
Deze pompen protonen weg uit sluitcellen naar apoplastische ruimte ⇒ er ontstaat een elektrochemische gradiënt
⇒ aantrekking van K+ … Cl- wordt aangetrokken door H+/Cl- symport
Er kan een immens synchronisme opgemerkt worden tussen: lichtintensiteit, FS en stomatale conductiviteit
OPM: Cytokinine doet huidmondjes open gaan ↔ heel anders dan ABA (zie hieronder)
(2):
Licht brengt dit proces opgang → 2 licht receptoren spelen hierbij een rol (uitzondering : CAM planten)
Donker brengt omgekeerde proces opgang !
(3):
Openen ⇒ Zetmeelgehalte ↓ ⇒ Zetmeel als leverancier van koolstof voor organische zuren ⇒ afbraak van
zetmeel ⇒ stijging osmotisch actieve componenten
Wanneer gaan huidmondjes sluiten?
Lage C02 concentratie doet stomata open gaan ↔ Hoge C02 concentratie doet ze sluiten
Watertekort is limiterende en belangrijkste factor: waterstress doet huidmondjes sluiten
o Vaak volgt er een oscillerend gedrag … openen en sluiten : gevolg van de sterke daling van C02
⇒huimondjes gaan open ⇒ CO2 opname + watertekort ⇒ versnelde sluiting
o Abscisine zuur (ABA) heel belangrijk (hormonale sturing)
Uitdrogen van cel → ABA concentratie ↑
Watertekort → ABA concentratie ↑
ABA: andere bladcellen naar sluitcellen
Hoge temperaturen
o Droogtestress ⇒ sluiten
o Toename respiratie ⇒ CO2 stijging ⇒ sluiten
⇒ Huidmondjes sluiten ⇒ Concentratie Ca2+ ↑ tgv binding met ABA:
Deze binding veroorzaakt fosfolipase → hydrolyse → IP3 → activatie Ca pompen → Ca instroom in sluitcellen
→stimulatie uitstroom K+ → osmotische waarde↓ , hydrostatischte druk in cel ↓ ⇒ sluiten huidmondjes
Verband biologische controle vd stomatale weerstand en externe omstandigheden
Sterk soortspecifiek ⇒ opstellen per soort !
Stijn Vandelanotte
-35-
Plantkunde II
Plantkunde
Grenslaagweerstand
Gevolg van wrijving van lucht tegen bladoppervlak:
o Er ontstaat een remmende invloed op de diffusie van watermoleculen → de grenslaagweerstand
Afhankelijk vd stromingslengte en windsnelheid
Aard vh bladoppervlak (kaal, behaard, sterk behaard)
Klein tov stomatale weerstand
Er ontstaan dikke grenslagen bij trage luchtbewegingen: tot 12cm dik in serres, normaal slechts enkele mm
OPM: te lang aanhouden van deze dikke grenslagen kan onder bepaalde omstandigheden een sterke transpiratie
vermindering hebben als gevolg , waaruit volgt dat er een verminderde groei is.
Oplossing hiervoor is het luchten van serres door bv een ventilator
Transpiratiebewegingen
d .(t ) − d l
Tr = 0 blad
rv
d l = d 0 .(t ).RV / 100
Bv bij 20°C: dl = 17,31 . 85/100 = 14,72 g/m³
Diffusieweerstand:
rv = rs + rg
voorbeelden zie boek … maar zeer
gemakkelijk ! …
Waterhuishouding op bladniveau
Samenhang tussen bodem en bladpotentiaal
→ Geen waterverlies op bladniveau
Er is dus geen water beweging: alle
plaatsen hebben een zelfde WP , bij
een waterverzadigde bodem geld
dus: Pblad = Pbodem = 0
⇒ Pπ = - Pp
Fysiologisch: waterinhoud van
vacuolen kan niet verder meer
toenemen door osmose gezien de
tegendruk vd celwant
→ Transpiratie neemt toe
Wateropname ijlt na: er ontstaat
een negatieve druk in xyleem … turgordruk ↓ … zuigkracht ↑
⇒ compensatie van transpiratie verlies door grotere water opname
⇒ stroming wordt stationair
→ Stel gebrekkige wateropname
Optreden van plasmolyse … negatieve waarden voor turgordruk … verwelking
⇒ herstel
Of ⇒ permanente verwelking (=membraan beschadiging)
Osmoregularisatie
Goede strekking van jonge planten is noodzakelijk voor voldoende sterke turgordruk bij periode van groei.
Water gebrek door: droogte of te grote transpiratie → daling in turgorpotentiaal en turgordruk …
⇒ Dit kan tegen gegaan worden door negatieve waarden van de osmotische potentiaal
Hoe? Import van osmotische actieve bestanddelen = osmoregularisatie
Natuurlijke osmoregularisatie : dankzij FS (dit verdwijnt snachts)
Planten ‘trainen” voor het sneller opbouwen van negatievere osmotische potentiaal door inductie van een lichte,
aanhoudende droogtestress ⇒Ptot ↓ als gevolg van hoge transpiratie snelheden ⇒ osmotische aanpassing = “+”
o Bv: bij tomaat osmotische aanpassing tot -1MPa na 1 week (bij woestijn planten tot – 2 à – 3 MPa)
Algemeen: osmotische aanpassing van Pπ ⇒ Pp blijft cte en Ptot ↓ ⇒ osmoregularisatie is goed voor betere
droogresistente planten.
Nadeel: Verlies van energie door osmotica transport.
Het is dus noodzakelijk dat de celmembranen van goede kwaliteit zijn om het weglekken van osmotica te voorkomen
Dit effect is genetisch bepaald!
Stijn Vandelanotte
-36-
Plantkunde II
Plantkunde
Minerale voedingselementen
Essentiële minerale elementen
Zoals licht, CO2 en H20 groeifactoren voor de plantengroei
Groene plantendelen: meestal 5 – 10 % DS
o 90% afkomstig van organische verbindingen
o 10% afkomstig van minerale elementen
60 mineralen mogelijke … allemaal even essentieel? Nee
Wanneer essentieel?
o Als het element afwezig is kan de plant zijn normale levenscyclus niet doorlopen
o Het element moet een onderdeel zijn v/e onmisbare component vd plant (DNA, Enzym)
o De functie vh element kan niet worden overgenomen door een ander element
⇒ Nagaan in waterculturen
⇒ Onderzoek meestal met cultuurplanten
2 types: bepaald door het percentage van dit element in het gehalte DS
o Macro elementen (C,H,O,N,S,P,K,Ca,Mg)
o Micro elemnten (Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo en Cl)
Rol en metabolisme van minerale elementen in de plant
Stikstof (N)
Komt voor in vele essentiële verbindingen vd plant
o Aminozuren en eiwitten
o Nucleine zuren
o Chlorofyl
o ATP, NAD+, NADP+
Stikstofgebrek
o Verstoring plantengroei
o Bladen kleuren snel geel … (oudere bladeren eerst)
Voldoende stikstof:
o Goede vegetatieve ontwikkeling van planten
Teveel aan stikstof
o Weelderige groei met eventuele zwakkere stengel
o Vertraagde generatieve ontwikkeling
2 mogelijke stikstof vormen aanname uit het substraat
o Nitraat (NO3-)
meestal grootste percentage , want NH4 oxideerd snel tot NO3 (nitrificatie)
o Ammonium (NH4+)
bij grassen en coniferen …. Geen nitrificatie door zure bodem
Inbouw van stikstof vereist de reactie van NH4+ met glutaminezuur
o → reductie van NO3- is een noodzaak
o Reductie in de wortel of bovengrondse groene plantendelen (vooral bladeren)
Reductie van nitraat in de wortels:
NO3 opname: Suikers → wortels → respiratie:
⇒ suikers ~ aminozuren
NH4 opname: suikers → wortels → respiratie:
⇒ suikers ~ aminozuren
Reductie van nitraat in de bladeren
NO3 opname in wortels → bladeren → FS ipv respiratie
→ nitraatreductase (bij aanwezigheid nitraat en licht!)
(dus afhankelijk van lichtreacties en lichtintensiteit)
⇒ aminozuren
Sommige planten gebruiken combinatie … granen en grassen
Hoeveelheid NO3 afhankelijk van omgevingsparameters…
Normaal weinig nitraat , nu veel nitraat
⇒ reductie capaciteit wortels te klein ⇒ bladeren moeten helpen
Normaal veel nitraat, nu weinig nitraat en kleine FS
⇒ opstapeling in bladcellen ⇒ nitraat ~ nitriet = giftig
⇒ gevaar voor bladrijke gewassen zoals spinazie
Stijn Vandelanotte
-37-
Plantkunde II
Plantkunde
Assimilatie van nitraat
Opname van nitraat
o Meestal door wortelepidermis en cortexcellen
o Door bladcellen (bij epifyten)
o Membraanpassage is carriergebonden ⇒ dus actief
o 2 systemen:
1 met hoge affiniteit HATS (actief bij 0,2 – 0,5 mM )
1 met lage affiniteit LATS (actief vanaf 0,5 mM)
o Tegen elektrochemische gradiënt in !
o ATPase ⇒ protonengradient wordt gecreerd ⇒ m embraanpotentiaal van -150 tot -250mV
Bij nitraat opname , 2 protonen mee naar binnen
Nitraat in de cel
o Opgestapeld in de vacuole in cellen van de wortels, stengel, bladeren (hoofdnerf vooral)
o Concentratie ≈ 20mM
o Gentetische en fysiologische groeicondities bepalen waar nitraat wordt opgeslagen
Reductie van nitraat naar nitriet = Stap 1en gebeurt in de cytosol
oNO − + NAD ( P ) H + H + nitraatred
uctase ... NR

 → NO2− + NAD + + H 2 0
3
⇒ Reactie gekatalyseerd door nitraatreductase (is opgebouwd uit FAD+, ijzer in haemstructuur, Mo)
⇒ regeling nitraatreductase
+NO3- concentratie : werk inducerend (soms constitutief, bv bij soja)
+CO2 en sucrose concentratie
+ aanwezigheid van N-verbindingen
+ cytokinine
+ licht: dag en nacht regime
Verklaring voor de lichtinvloed
+ ATP uit FS financiert transport van nitraat naar cytosol
+ Activatie van fytochroom; genen coderend voor nitraatreductase worden geactiveerd
+ FS leverd NADPH en koolhydraten (via dissimilatie KH: NADH)
Als NO3 altijd beschikbaar is vertoont NR een cyclisch gedrag
+ glutamine ↑ → NR mRNA ↓
+ NR activiteit stijgt en daalt afwisselend
Korte termijn regeling van NR activiteit
+ ⇒ Als er weinig of licht meer op de planten valt of bij lage CO2 concentraties
+ Fosforylatie van serine op NR
→ Binding van regeleiwit 14-3-3 met fosfaat NR ⇒ NR wordt geinactiveerd
→ gekatalyseerd door kinase
+ defosforylatie kan gebeuren door een fosfatase ⇒ NR wordt gereactiveerd
Reductie van nitriet naar ammonium = Stap 2 en gebeurt in chloroplasten of plastiden
3H 2 0 + 6 Fd ( Fe 3+ ) + licht ⇒ 1,5O2 + 6 H + + 6 Fd ( Fe 2 + )
−
NO 2 + 8H + + 6 Fd ( Fe 2 + ) ⇒ NH 4+ + 2 H 2 0 + 6 Fd ( Fe 3+ )
−
uctase
NO 2 + 2 H + + 3H 2 0 + licht nitrietred

→ NH 4+ + 2 H 2 0 + 1,5O2
o Reactie gekatalyseerd door nitrietreductase
o NADPH (pentose fosfaat cyclus) zorgt voor reducerend vermogen in niet FS actieve cellen
o reductie vraagt 10 protonen en 8 elektronen
⇒ pH stijging en ongunstige metabolische condities
Compensatie?
• 50% door: H+ vrijstelling bij de inbouw van NH4 in eiwit
•
Stijn Vandelanotte
50% door import of door productie van appelzuur
-38-
Plantkunde II
Plantkunde
Omvorming van ammonium naar organische componenten = Stap 3
o Reactie van NH4+ met glutaminezuur en de vorming van glutamine of met asparginezuur tot asparagine
⇒ worden gebruikt om N te verplaatsen van source naar sink en om N-reserves aan te leggen
Glutamine en asparagine zijn wegens hun hoge N/C verhouding belangrijke
stikstofvoorraadbronnen. ⇒ bv. In aardappels, wortels, radijzen
In oudere bladeren
glutaminezuur + NH4 (afkomstig van afbraak eiwitten: glutamine wordt vervoerd naar sinks
= secundaire assimilatie
o Vorming van glutamine
Endergoon → vraagt dus ATP
Hierbij is glutamine synthase GS de katalysator
o Oorsprong van glutaminezuur
Regeneratie van glutaminezuur via α - ketoglutaarzuur ⇒ vorming van 2 mol. glutaminezuur
• 1 wordt gestopt in synthese processen
• Andere reageert met NH4+
o Ontstaan asparagine zuur/asparagine
Glutamine geeft zijn amino groep aan asparagine zuur ⇒ asparagine ontstaat
• Voorwaarden hierbij:
⇒ vorming van ATP naar ADP en tussen komst van aspargine synthase
o Asparagine zuur kan deze amino groep ook nog doorgeven via ander transaminatiereacties aan ander α
ketozuren; zodoende ontstaan ook nog andere aminozuren
o Inbouw van nitraat N in een organische molecule vraagt veel energie en FS producten
6 of 8 Ferredoxines en 1 of 3 NAD(P)H
1 ATP
Verklaard waarom nitraatreductie zo FS afhankelijkheid
Fixatie van luchtstikstof
= reductie van N2 tot NH4+
Andere manier dan nitraat en ammonium uit de bodem om stikstof in de plant te krijgen
⇒ Door vrij levende en in symbiose levende bacteriën (bv. Rhizobium)
# Belangrijk voor
Ecosystemen: voor het sluiten vd stikstofcyclus
Landbouwsystemen: extra stikstofbron
# Belangrijk vooral bij de stikstofbalans van de Fabaceae of vlinderbloemigen
15% vd Fabaceae werd onderzocht en 90% produceerden wortelknobbeltjes
# Andere plantensoorten waar dit belangrijk is zijn bv de Alnus
# Reductie reactie:
#
#
nitrogenase
N 2 + 8e − + 16mgATP + 16 H 2O 
→ 2 NH 3 + H 2 + 16 MgADP + 16 Pi + 8 H +
Reactie vraagt de tussenkomst van nitrogenase = opgebouwd uit 2 eiwitcomplexen: Fe-S en Fe-Mo
Als elektronenbron worden KH gebruikt afkomstig vd bladeren vd waardplant
ATP is nodig
Principe
Bacterie moet plant herkennen en omgekeerd
Als dit gebeurt is krullen de haartjes om
Vermenigvuldiging van bacteriën → deze migreren naar de cortex → daar scheiden ze cytokininen af
Cortexcellen moeten delingen ondergaan → wortelknobbeltjes ontstaan
→ symbiose gaat opgang komen
Plant stuurt assimilaten naar de bacterie
Plant krijgt stikstof terug ⇒ heel stikstofrijke wortels ⇒ heel stikstofrijke bodem
Een gedeelte van het gevormde NH3 gaat naar de plantencellen
NH4 wordt daar omgezet naar glutamine, asparagine, ureiden (allatoine en allatoinezuur)
Ureiden hebben net als asparagine en glutamine een hoge N/C verhouding
In de vorm van glutamine, asparagine en ureiden wordt gefixeerde stikstof vervoerd naar de
andere delen vd plant. De aard vh transport is plantensoort afhankelijk
OPM
Snelheid van stikstof fixatie is temperatuursafhankeljk: te koud → geen stikstoffixatie (15°C is min!)
Systeem van symbiose werkt enkel als beide partijen voordeel hebben
N-fixatie is gevoelig voor te veel O2
Opgelost door; leghemoglobine en anatomische structuren zorgen voor verlaagde O2 conc.
Stijn Vandelanotte
-39-
Plantkunde II
Plantkunde
Fosfor
Zeer belangrijk voor:
o Gaat in elk proces met energie transfer gepaard
ATP → hydrolyse → vrijstelling van 31 kj
= voldoende voor tal van endergone metabolische reacties
o Regulator voor metabolische processen
o Aanwezig in nucleine zuren
Ze verbinden de nucleide groepen⇒tot DNA, RNA dus essentieel voor bijhouden genetisch
materiaal
o Aanwezig als fosfolipiden in membranen
o Altijd in z’n meest geoxideerde vorm voorkomend (PO4-)
Zowel als organische en anorganische vorm
o Verplaatst zich zeer gemakkelijk in de plant
Van de oudste naar de jongste bladeren en naar vruchten en zaden in ontwikkeling
o Zeer belangrijk voor de groei en ontwikkeling
Eigenschappen
o Lage oplosbaarheid
o Gemakkelijk vastgelegd in de bodem
o Opname van H2PO4- is actief
Te kort aan P
o Slecht wortelontwikkeling, ontwikkelingsstoornissen, vertraging in bloei en vruchtzetting
Vergroten beschikbaarheid aan P
o Wijzigingen in wortelarchitectuur
o Verhoging van aantal wortelhaartjes
o Afscheiding van organische zuren en H+ om de oplosbaarheid van Pi te verhogen
o Afscheiding van fosfaten om organsch gebonden P vrij te maken
o Activering van high affinity Pi transporter in celmembranen van wortelcellen
o Mycorrhiza associaties
Kalium
Belangrijk voor
o Als katalysator van meer dan 50 enzymen
Bv pyruvaatkinase bij de reactie : PEP + ADP → pyruvaat + ATP
Zetmeel en sucrose synthese
o Belangrijk bij de turgordruk ⇒ stomata ⇒ waterhuishouding
Talrijke K+/H+ symports zijn beschreven
o K+ transportsystemen zijn aanwezig in planten in functie vh weefseltype
HATS en LATS zijn aanwezig
Gebrek aan K
o Bruine plekken op bladeren (vooral op oudere bladeren)
o Ophoping van sucrose
o Aanleiding tot zwakkere celwanden ⇒ meer legering ⇒ meer penetratie mogelijkheden in celwand
K+ ionenkanalen zijn volgtage geactiveerde ionenkanalen (Shakertype)
o D.w.z. dat een verandering in lading tav. De rust membraanpotentiaal leidt tot een verandering in de
conformatie vh kanaaleiwit ⇒ het wordt meer permeabel
Stijn Vandelanotte
-40-
Plantkunde II
Plantkunde
Zwavel
Biologische functie van zwavel
Belangrijk voor
o Als component van eiwitten (via cysteine en methionine) = 3D structuur dankzij die 2 aminozuren via
het vormen van een disulfide binding wat nodig is voor goed biologisch functioneren v/e eiwit
o Disulfide binding kan verbroken worden door: reductiereacties → regulatie redoxpotentiaal van RSH
o Groei en ontwikkeling van planten
Glutathion en CoA zorgt hiervoor, ze helpen bij
• Redoxcontrole
• Transport en stockage van gereduceerde S-verbinding
• Chelaterend vermogen bv. Voor zware metalen
• Detoxificatie van herbiciten
→
in membranen van chloroplasten
o In Sulfolipden
o Signaalstoffen en fytoalexinen
bv bij Allium soorten
o Geur-en smaakstoffen →
Bij gebrek aan S
o Bij baktarwe: afwijkend patroon vd voorraadeiwitten
o Chlorose van bladeren en nerven (jongste bladeren eerst doordat S zich moeilijk verplaatst
Opname en assimilatie van zwavel
Opname gebeurt in de vorm van sulfaat ionen ⇒ reductie is noodzakelijk voor inbouw
o SO42 − + ATP + 8e − + 8 H + → S 2 − + 4 H 2 0 + AMP + PPi
o De reductie gebeurt in de wortels en bovengrondse plantendelen (chloroplasten vooral)
In niet FS actief weefsel in de proplastiden
o Vraagt energie
OPM: bij meeste planten soorten wordt zwavel in xyleem vervoerd naar de bladeren maar is niet
gereduceerd. In floeem wordt zwavel zowel in geoxideerde alsgereduceerde toestand teruggevonden
Opname verbeterd via lage pH in apoplastische ruimtes
Gebaseerd op protonengradient , verkregen door ATPase pompsystemen
Inbouw gebeurt stapsgewijs
o Activering van reductieproces
o Reductie tot sulfide
In chloroplasten als volgt:
De sulfaat groep van APS wordt door het enzym APS sulfotransferase overgebracht naar het
zwavelatoom v/e acceptormolecule XSH: XSH → X-S-SO3De reductie van SO3- van X-S-SO3- gebeurt door ferredoxine, dit geeft weer XSH en vrij S(2-)
Dit wordt snel verwerkt in organische moleculen zodat het zich niet opstapeld
o Inbouw van sulfide met vorming van cysteine
Ook H2S wordt in kleine conc. Teruggevonden in planten
o Het regelt de reductie van SO4- en dus de inbouw van zwavel in organische moleculen
o H2S ontstaat pas bij voldoende hoog cysteine niveau
o Later remt het de vorming van cysteine
Calcium
Belangrijk voor
o Stabilisatie van middenlamella, celwand en membranen
Verzorgt de verbinding tussen hemi-cellullose strengen
Binding van fosfolipiden of membraaneiwitten
o Vorming van spoelfiguur tijdens delingsprocessen
o Doorgeven van hormonale / omgevingssignalen
Opname gebeurt via de bodem in de vorm van Ca(2+)
Ca(2+ ) concentraties laag houden is vitaal voor plantencel omdat
o Hoge Ca concentraties inhiberen enzymes
o Functie van secundaire boodschapper zou verloren gaan
o Vermindering in cytoplasmatische stroming
o Te hoge concentratie Ca leidt competitie met Mg (2+) ionen voor zelfde bindingsplaatsen
Stijn Vandelanotte
-41-
Plantkunde II
Plantkunde
Magnesium
Belangrijk voor
o Porfyrinering van chlorofyl (15 à 20 % vd totale hoeveelheid magnesium in de planten
o Alle fosforylatiereacties: het zorgt voor de binding vh enzym en de pyrofosfaatgroepen van ATP en
ADP.
o Activatie van Rubisco en ATPasen
o Als bindingseenheden van ribosomen
Gebrek van Mg
o Oudste bladeren een tussennerf chlorose → tussennerven vertonen gele kleur tvm watergebrek
Sporenelementen of micro elementen
Nodig in zeer kleine hoeveelheden
Actief als co-factor of activator van enzymen
Essentieel bij elektronentransfers tijdens redox reacties
o Het aannemen van verschillende valenties is bij enkele micro elementen een uitgesproken eigenschap
Ijzer
Koper
2 types
o Ijzer-zwavelverbindingen → transfer van elektronen in ademhalingsketen
o Haemproteinen
Bij gebrek
o Grassen produceren Fe chelaterende verbindingen of fytosideroforen
Deze worden aangemaakt in het cytoplasma uit methionine via nicotianamine
o Chlorotisch weefsel tussen de nerven
Eerst opmerkbaar bij jonge bladeren
Vooral terug te vinden in chloroplasten
o In plastocyanine → zorgt voor e- transport tussen FSII en FSI
o Cytochroom oxidase
Gebrek
o Minder eiwitrijke zaden
o Verwelking vd jongste bladeren
o Bij granen gaan bladuiteinden omknikken
Zink
Zure katalysator van ≈ 80 plantenenzymen
Belangrijk bij functionering van transcriptie regeleiwitten
Gebrek
o Chlorose tussen bladnerven
o Bij fruitbomen: kleine bladeren en kleine internodia
Mangaan
Fotolyse van water in FS
Activator van enzymen
Bij gebrek
o Chlorosa (afhankelijk van planten soort eerst de oude of de jongste bladeren)
Molybdeen
Essentiele cofactor van 2 belangrijke enzymen: nitrogenase en NR
Opstapeling van nitraat bij Mo gebrek + chlorose tussen de nerven vd oudste bladeren
Boor
Opname van B(OH)3
Bij gebrek:
o geen strekking meer van wortelcellen + DNA en RNA inhibitie
o remming op vorming pollenkiembuis en apicaal meristeem
o bij bieten (hartrot), bloemkool en selder (holle stengel) en bij appelen (zwarte vlekken)
Chloor
hoe lager de concentratie hoe beter
belangrijk bij fotolytische splitsing van water
activator van asparagine synthetase
Osmoticum
Bij gebrek: verminderde groei, verwelking vd bladeren, zwarte vlekken en soms chloorovermaat (aardappel)
Onderdeel vh enzym urease voor afbraak van ureiden en purine basen
Veel kritiek of het wel een essentieel element is voor planten
Nikkel
Stijn Vandelanotte
-42-
Plantkunde II
Plantkunde
Opname van mineralen door de plant
Wortel als absorptie orgaan
De wortel is een absorptie orgaan opgebouwd uit vertakkingen met een genetisch bepaalde vorm
o Monocotylen: homorhiz wortelstelsel
o Dicotylen: allorhiz wortelstelsel
o 20 – 50 % vd totale biomassa bevind zich in wortel weefsel
o In periodes van droogte tot 90% vd totale biomasse
o In waterculturen slechts 5 à 10 %
Wortelbiomassa is afhankelijk vd omstandigheden
o Zuurstof en watergehalte vd bodem
Bodem ondiep ⇒ wortelstelsel blijft oppervlakkig
Watergebrek ⇒ wortelstelsel kan heel diep
uitgroeien
o Bodemstructuur
o Bodemfertiliteit
Cilindrische en/of draadvormig
o Dat is de grootste oppervlak / doorsnede ⇒ weinig breukkans
o Voorzien van wortelhaartjes ⇒ vergroting van absorberend oppervlak
Mycorrhizen: symbiose tussen schimmels en wortelcellen
o Schimmel ontvangt assimilaten terwijl water en mineraalopname verbeter (PO4,K, NH4, NO3)
o Ecto en endomycorrhzen (⇒ sporen van arbusculaire mycorrhiza)
Opname van mineralen door de wortel
De precieze plaats vh binnendringen van mineralen is nog steeds een bron van discussie:
mogelijke theorie is dat dit afhankelijk is van element en plantensoort
o Gerst: neemt K+, NH4+, PO4-op over het ganse oppervlak en Ca en Fe enkel in de apicale zone
o Mais: neemt Fe wel over het ganse oppervlak op
Alle minerale elementen in een oplossing kunnen gemakkelijk worden opgenomen worden door de wortels ook
al zijn hun concentraties laag: bv NO3- < 2mM en PO4- < 0,001mM.
o Dit vind met via bodemanalyse
Hoe krijgt men mineralen in omgeving vh worteloppervlak?
o Door diffusie: mineralen vinden zich in een bodemoplossing die zich beweegt van hoge naar lage conc.
o Door Bulk Flow van waterstroming kunnen ze passief worden meegenomen
De belangrijkheid van de bulk flow stijgt met de concentratie vd opgeloste zouten
o Wortel groeien en verlaten de uitgeputte zone’s
Na de opname volgen ze dezelfde weg als het water, dit kan op 2 manieren
o Apoplastisch: diffusie en massastroming …
dit stopt als de endodermis met zijn lijsten van caspari is bereikt
o Symplastisch:
Van cel tot cel via 2 primaire celwanden, middenlamella, 2 plasmamembranen
Via plasmodesmata
Via pericykel en xyleemparenchymcellen komen de mineralen in de xyleemvaten terecht
o Deze verplaatsing kost wel energie … ATP
Stel isoleerd wortelstelsel ⇒ K+ ionen van lage concentratie overbrengn naar hogere
concentratie ⇒ concentratie verloopt in functie vd tijd zie rechts ….
Door extrapolatie kan men een snijpunt met de y-as vinden. Daar kan men de
hoeveelheid uit afleiden die binnendringt … de zogenaamde outerspace..
Deze vormt de apoplastische zones tot aan de endodermis. Opname gebeurt passief via
massastroming en difussie
Outerspace vs innerspace
o Membranen weinig permeabel voor ionen (lipofiel karakter)
Noodzakelijk voor waterhuishouding vd plant
1waardige ionen ok, Meerwaardige ionen niet OK
Niet geladen of weinig geladen en kleine moleculen:OK(bv O2)
o Bij T↑ → ademhalingssnelheid en carrieractiviteit ↑
o Hoe geraken geladen verbindingen door membranen?
Via transporteiwitten (=hydrofiele kanalen) → kanalen : selectieve porien
Specialisatie ionenkanalen: K+ en Na+ geen concurrentie zoals
die er is met Rb+ maar geen Cl of sucrose
o Carriertransport → Carriers: gesloten eiwitstructuren
Beperkte uitwisselbaarheid tussen outer en innerspace
Stijn Vandelanotte
-43-
Plantkunde II
Plantkunde
Morfogenese en plantenhormonen
Inleiding
⇒ Morfogenese: zygote → multicellullair organisme
o Groei
toename v. afmetingen, volum
tgv
celstrekking en celdeling
in 1 dominante richting ⇒ topgroei /
cellen nemen in alle richtingen toe ⇒diffusie groei
o ontwikkeling (=doorlopen vd levenscyclus)
groei en celdifferentiatie v. weefsels tot organen
o gestuurd door genetische informatie
o gestuurd door licht (intensiteit en daglengte), temperatuur
o Planten bezitten een axiale structuur:
stengel, hoofdwortel … de primaire assen
Soms polarisatie op de axiale structuur maar ook op
celniveau kan er polarisatie optreden
o Plantencellen migreren niet tijdens hun ontwikkeling
Morfologie en positie v. plantenorganen worden
bepaald door celdeling en celexpansie
o Meristemen
Primaire en secundaire meristemen: hierrond vind
een delings en strekkingszone
Groei en ontwikkeling
Celdeling en celcyclus
Celdeling of mitotische deling: 1 moedercel → 2 dochtercellen
o Delingingsfase of M fase wordt afgewisseld met interfase
Interfase: G1, S , G2 fase
Controle vd celdeling
o Moleculaire vd cyclus en ontwikkelingsprogramma
Snelheid, orientatie vd celcyclus
o Een onderling verband tusssen deze regulatie mechanismen binnen de celcyclus
CDK’s (cycline afhankelijke kinasen) hebben een regulerende rol bij het passeren vd controlepunten
o Bouw? katalytische eenheid + regulatorische cycline eenheid
o Wat? Conservatieve eiwitten behorende tot de familie v. serine en threonine kinasen
o Controle punten bij : G1 – S en G2 – M
o Bij de doorgang door de controlepunten wordt de vorming, activatie en inactivatie v. CDK’s vereist
o Types?
CDK a: in alle fasen actief vd celcyclus , maar vooral v. G1 naar S
CDK b: vooral in later fasen vd celcyclus, vanaf S
CDK c: bevat CDK activerende kinasen (CAK) en negatieve regulatoren (JCK)
Plantencyclinen
o 8 groepen
o Structurele indeling
o Juiste functies nog niet beschreven
Externe en interne signalen → gehalte
CycD ↑ → bind met CDKa → CDKa
geactiveerd op Thr 161 door CAK
→ICK inhibeert dit
Einde G1 fase: Thr 161 fosforyleerd →
genen om S fase binnen te treden
komen op → expressie ervan
Begin S fase: cellen bevatten inactieve
CDK-CycB → gactiveerd door een
CAK
Einde mitose: CDK activiteit wordt
vernietigd door een anafase
bevorderende complex APC
Stijn Vandelanotte
-44-
Plantkunde II
Plantkunde
Celstrekking
Voorwaarden: vereist wateropname zodat turgordruk stijgt
Richting:
bepaald door de schikking microfibrillen
Microfibrillen meestal met anisotropische schikking.
o Soms kunnen bepaalde wanden waarbij fibrillen radiaal gerangschikt ⇒ weerstand aan waterdruk
o Ongeordende schikking ⇒ uitrekken in richting loodrecht op de richting vd microfibrillen
Celdifferentiatie
Differentiatie: cellen die door deling uit elkaar voortkomen gaan fenotypische verschillen hebben
Bij dieren: celdifferentiatie tijdens embryogenese
Bij planten: celdifferentiatie na de embryogenese
Plaats in embryogonale zone bepaald de aard vd differentiatie
Geen eind differentiatie ⇒ nog altijd dedifferentiatie mogelijk ⇒ vormen v. andere celtypen blijft mogelijk
o = totipotentie = bij vegetatieve vermeerdering wordt uit praktisch elk deel vd plant volledige nieuwe
planten verkregen
Differentiatie beïnvloed door
o Genetische factoren
o Epigenetische factoren = omgevingsfactoren
C02, neutrientenbescihkbaarheid, daglengte
• Invloed kan v. buitenaf of inwendig zijn (bv v. andere cellen)
• Signalen worden opgevangen door mitogeen geactiveerde eiwitkinasen MAPK’s
o Spelen een crusiale rol in signaal transductie mechanisme
o Ze vertalen de opgevangen signalen in cellullaire responses
Regulatie vd morfogenese
Algemene informatie over plantenhormonen en signaalstoffen
#
#
#
#
#
#
#
Groei en ontwikkeling liggen genetisch vast
maar worden gemoduleerd door omgevingsfactoren en interne conditites
Bij de regulatie vd morfogenese spelen regulatorische verbindingen een belangrijke rol
Plantenhormonen
Reguleren de activatie en inhibitie v. genen
Wat zijn plantenhormonen
Signaalstoffen: externe en interne factoren
Laag moleculaire organische stoffen
Zijn werkzaam in zeer lage concentraties
Concentratie is niet gerlateerd met de werking vh plantenhormoon
# Om actief te zijn moet het hormoon kunnen gebonden of opgenomen worden door
een target cel; daarvoor is een passende receptor nodig
# Aantal receptoren kunnen verschillend zijn in functie vd onwikkelingstadium v. e cel
Beïnvloeden groei, ontwikkelings en metabolische processen
Plaats v. synthese is verschillend v. plaats vd uitwerking
Transport v. deze plantenhormonen is noodzakelijk
Productie v. plantenhormonen
Veel plantenorganen kunnen deze zelf produceren (bv wortelvorming bij plantenstek)
Opname uit bodem
Case 1:
Hormoon penetreert membraan en reageerd met cytosol eiwit receptor
macromoleculair complex infereert met promotergedeelte v/e welbepaald gen
hormoon moet wel hydrofoob zijn … bv brassinosteroiden
Case 2: hormoon reageert met receptor in membraan
Ofwel fungeert receptor als carrier
Ofwel activeert het hormoon
receptorcomplex een secundaire
boodschapper. Bv Ca 2+
Activiteit v. planten hormonen = deels ook
beïnvloeding v. genexpressie
DNA : transcriptie → HnRNA : nRNA processing → mRNA
mRNA: translatie → enzym : activatie / modificatie
→ actief enzym → metabolische processen
Zie meer info blz 195, volgens mij niet zoo belangrijk
Stijn Vandelanotte
-45-
Plantkunde II
Plantkunde
Plantengroeiregulatoren: biosynthese, metabolisme en karaktristieken
2 groepen
- groeibevorderende : auxinen, gibberelline, cytokinen en brassinosteroiden
- groei remmende : abscisine zuur, ethyleen en jasmijnzuur
OPM:
synthetisch bereide regulatoren
o Interfereren met transport of synthese
o Concurreren voor zelfde receptor
Uitwendige omstandigheden
o Invloed op morfogenese v. planten: bv. Fotomorfologische pigmenten … licht (intensiteit en daglengte
Auxinen
Ontdekt door Darwin: → jonge planten groeien naar licht toe (fototropisme)
Boysen-Jensen en Paal: → fototropisme is v. chemische aard
Kögl: → auxine is de chemische stof → IAA … indolazijnzuur
Synthese, afbraak en metabolisme
Synthese gebeurt vooral in bovengrondse plantendelen die geassocieerd zijn met celdeling
⇒ Apicaal meristeem, jonge bladeren, vruchten (embryo en endosperm)
OPM: ook in worteltop en in volwassen bladeren maar IAA concentratie ligt veel lager
Werking vd synthese:
Aminozuur Tryptofaan
1) Triptofaan : transamineerd → indol 3 pyrodruivezuur: oxidatieve decarboxylatie → indol 3 acetaldehyde
2) Triptofaan : decarboxylatie → tryptamine : oxideert → indol 3 pyrodruivezuur : oxidatieve decarboxylatie →
indol3acetaldehyde …. ⇒ dehydrogenase enzym ⇒ IAA
Werking vd afbraak:
1) IAA → oxideerd via IAA oxidase = mangaan afhankeljk enzym
2) IAA → oxideerd mbv licht ≈ fotodestructie wordt gekatalyseerd door
riboflavinen
Andere:
# Compartimentering (in celvacuole) en conjugatie (met glulcose,
arabinose) zorgen ervoor dat er minder vrij is en dus actief IAA
aanwezig is.
# Snelheid vd transport v. synthese plaats naar de plaats v. werking heeft
een impact op da activiteit v. IAA
Transport v. IAA
Transport wijze is afhankelijk vd ontwikkelingsffase en v. weefsel of orgaan type
# Polair transport in basipetale richting (van boven naar onder) …
Traag (1cm/u)
Actief
Cel tot cel transport in stengels, coleoptielen, blad, vrucht en bloemstelen
Chemi osmotische diffusie proces
Regeling zou gebeuren door competitie voor de IAA anioncarrier … flavenoide vs IAA
# Niet polair transport via het floeem
Snel
Passief
Via floeem … vooral IAA die in volwassen bladeren wordt aangemaakt
Stijn Vandelanotte
-46-
Plantkunde II
Plantkunde
Fysiologische effecten v. auxinen
Beinvloeden in sterke mate de groei en ontwikkeling v. planten:
Ze promoten de celstrekking in stengelcellen
Ze promoten de celdeling in apicaal meristeem
Afhankelijk v.
Onwikkelingsfase v. weefsel of orgaan
Concentratie
Type auxine
Aanwezigheid v. andere plantenhromaonen
Belangrijke rol in de celstrekking vd stengel / coleoptielen
Optimale concentratie 10^-5 à -6
Bij hogere concentraties wordt ethyleen geproduceerd ⇒ celstrekking wordt tegengegaan
Beinvloedt mechanisce eigenschappen v. celwand: Pπ, Pp, hydraulische conductiviteit
Verhogen de uitrekbaarheid vd celwand in coleoptielen en jonge stengels
Zuur groei theorie: IAA activeert pompsysteem → protonen actief weg uit apoplastische ruimtes → pH daling
→activatie v. enzymen → celwandstructuur minder stabiel → uitrekbaarheid stijgt
Epidermale cellen v. groeiende plantendelen hebben hiervoor een grote affiniteit
Regeling vd groeirichting v. planten
Fototropisme: groei in de richting vh licht
Positief (stengels scheuten) en negatief (wortels) fototropisme mogelijk
Blauw en nabij ultraviolet golflengten spelen rol bij fotorespiratie
Belichte zijde bezit een lagere concentratie aan auxinen dan schaduwzijde (polair transport)
Gravitropisme: groeien in functie vd zwaartekracht
Positief en negatief gravitropisme mogelijk
Stabolieten en Ca2+ spelen rol bij de positief gravitropisme
Auxine veroorzaakt apicale dominantie
Te hoge concentraties in stengel om axillaire knoppen te activeren
Apicaal meristeem produceren veel auxinen en worden aanzien als sterke sinks
Verwijderen apicaal meristeem ⇒ zijknoppen kunnen wel uitlopen…
1) optimale concentratie voor groei v. de axillaire knoppen lager zijn dan de concentraties dien nrl gevonden worden.
2) apicale meristemen maken IAA aan → = sterke sinks → toevoeging v. veel assimilaten en plantenhormonen
Axillaire meristemen maken onvoldoende assimilaten en cytokininen aan om actief te worden.
Verhouding ABA en auxinen … hoge concentraties auxinen in stengel → hoge concentraties ABA in
zijknoppen waardoor deze zeker niet kunnen ontwikkelen
Auxinen stimuleren de vorming v. zij en adventiefwortels
Hoge concentraties auxinen zouden positief zijn voor zijwortelvorming
maar eerder negatief voor de hoofdwortel
Adventief wortels ontstaan op stengel bv na kwetsuur en niet uit het wortelweefsel
IAA stapelt zich op in een zone juist boven de verwonding
Auxinen vertragen het proces v. bladabscissie
Auxinen regelt vruchtzetting: endosperm en embryo produceren grote hoeveelheden auxinen
Synthetische auxinen: veel sterkere werking dan de natuurlijke auxinen
Dit wordt gebruikt als herbiciden
Bv: bij granen en grassen tegen dicotyle onkruiden
Gibberellinen
Ontdekking: bij onderzoek naar rijstziekte in Japan
Grote familie v. verwante sotffen … 84 …
Stijn Vandelanotte
-47-
Plantkunde II
Plantkunde
Synthese en biologische activiteit
Synthese gebeurt niet in welbepaalde organellen
o Maar in plastiden zou dit eventueel wel mogelijk zijn
Enzymen betrokken bij deze synthese zijn:
o Deels oplosbaar (komen tussenbeide bij fosforylatie v. wateroplosbare intermediaren)
o Deels membraan gezonden (komen tussenbeide bij de oxidatie v. hydrofobe intermediaren)
Gibberellinen zijn terpenen bestaande uit 20 koolstofatomen
o Opgebouwd uit isoprenen
Werking synthese:
CoA → Mevalonzuur = startvervinding voor terpenen synthese → mevalonzuur fosforyleerd + decarboxyleerd
→isopentenylpyrofosfaat → per 4 aan elkaar gezet → C10 → C15 → C20 = geranylgeranylpyrofosfaat (*)
Tot punt (*) ondergaan alle terpenoide verbindingen (carotenoïden, steroïden) hetzelfde proces
→ C20 ondergaat cyclisatie proces → ent kaureen ontstaat = 1ste echt binding v. de gibberelline biosynthese pahtway
→ C19 vh ent kaureen oxideert →ent kaureen zuur → een verlies v. C-atomen → gibbererlline A – aldehyde
= GA aldehide = eerste gibberelline dat ontstaat in alle planten soorten en induceert alle andere gibberellinen!
OPM: andere variaties mogelijk
- oxidatie graad v. C20
- aantal hydroxylgroepen en hun verankeringsplaats ⇒ hydroxylatie in β configuratie op C2 verhinderd
biologische activiteit
De meeste gibberellinen die zijn niet of in mindere mate actief: ze fungeren als precursoren voor andere biologisch
wel actieve gibberellinen.
- bepalend voor de stengelelongatie
- bij dwergmutanten niet aanwezig
Gradatie in activiteit bij strekkingsproces: GA1>GA20>GA53>GA44>GA19
Inactivatiestappen:
o 2β hydroxylatie GA20 → GA 29 of GA1 → GA8
o Oxidatie v. C20 tot carboxylgroep
o Vorming v. glucosiden
Fysiologische effecten v. gibberellinen
Gibberellinen zijn biologisch zeer actief: dossissen v. 10^-10 zijn voldoende
Gibberellinen regelen de stengelstrekking
Vooral GA1 … (aangetoond bij erwten)
Lange erwten bevatten de Le allele: codeert voor 3β hydroxylase GA20 enzym die omzetting v. GA20 naar
GA1 mogelijk maakt
Naast GA1 wordt ook GA8 en Ga29 aangetroffen in Le planten
Bij Na planten worden gibberelline synthese geblokkeerd tussen ent kaureen en GA12 aldehyde
Gen La cry codeert verbinding die gibberelline receptor activeert zodat zonder GA1 toch een sterke verlenging
optreedt
OPM: hoe de regulatie v. stengelstrekking door gibberelline werkt is nog niet opgehelderd
Mogelijks onttrekking v. Ca2+ uit celwand
Mogelijks vermindering v. peroxidase enzym
• komt tussenbeide bij het aan elkaar zetten v. fenolische verbindingen
Spelen een rol bij het doorschieten v. lange dag planten
Door vernalisatie
Sommige planten hebben bij korte koude dagen een rozet groeiwijze… als ze bloot gesteld worden aan
lange dagen gaan ze zicht strekken ⇒ stengel heel snel bijgroeien.
andere planten hebben eerste een koude periode nodig voor ze kunnen reageren op daglengte =vernalisatie
Bij korte dagen veel GA19 en minder 20 , bij lange dagen GA20 en minder GA19
Stimulatie v. de aanleg v. mannelijke bloemen
Stimulatie v. vruchtzettingen en groei (partenocarpische vruchtzetting)
Gevolg: zaadloze vruchtzetting (bv bij druif en appel)
Stimulatie v. kiemproces door activatie v. hydrolase enzymen
Doorbreken v. dorminantie bij zaden en knoppen
Beïnvloeden v. ontwikkelingscyclus: generatief naar juveniel (klimop) of omgekeerd (coniferen)
Commerciele toepassingen
- vruchtzetting: bij druiven
- een mengeling v. cytokininen en GA4 en GA7 bij Golden om sterker verlengde vruchten te krijgen
- suikerriet : verlengde stengels
- gibberelline inhibitoren: bv. Paclobutrazool, chloormequat-Cl
Stijn Vandelanotte
-48-
Plantkunde II
Plantkunde
Cytokininen
ontdekking: bij een zoektocht naar verbinding die de celdeling stimuleren
Stapsgewijze ontdekking:
o Melkachtig endosperm v. kokos werkt positief op celdeling
(Van. Overbeek)
o Adenine werkt zwak positief + in vaatweefsel komt substantie voor dat celdeling simuleerd (Skoog)
o Geautoclaveerd DNA v. haringen = kinetine
o Kinetine + auxinen = sterke stimulans v. celdelingen bij tabak
o Eerste natuurlijk cytokinine: zeatine
o Zeatine en kinitine zijn aminopurine derivaten
Centraal een adenosine moleculen met aan het 6e N atoom een zijketen
o Sommige cytokininen zijn terug te vinden als gemodificeerde N-basen in tRNA moleculen
Synthese en metabolisme
→ zijketens v. cytokininen zijn chemisch verwant met carotenoïden , gibberellinen, ABA en rubber
⇒ ze zijn opgebouwd uit isopreen eenheden. De precursor voor isopreen structuren is mevalonzuur.
Mevalonzuur → via metabolische reacties → ∆² isopentyl pyrofosfaat
Het enzym cytokinine synthase koppelt AMP aan ∆² isopentenyl pyrofosfaat
Dit volledige proces is nog niet zo goed beschreven. Zeker de enzymen bij dit alles kent men nog niet
Kenmerken v. cytokinine
Worden vooral door de wortelmeristemen aangemaakt
Via xyleem opwaarts getransporteerd en vervoerd naar de bladeren ⇒ onder de vorm v. ribosiden
Factoren die wortelgroei beinvloeiden zijn positief voor cytokinine productie
Inactivatie door:
o Binding met glucose en alanine
o Metabolische afbraakoxidase
Positieve invloed op eiwitsynthese
o Verhoging v. polyribosomeninhoud vd cellen (dit is bewezen bij soja)
tRNA-cytokinine complexen spelen een rol bij condon herkenning
o Eiwit 1 gebruikt CUU voor leucine
o Eiwit 2 gebruikt UUA voor leucine
Activatie v. cytokinie is nodig om bv. Leucyl tRNA anticodon te activeren voor UUA
• Als er geen Eiwit 2 is
Cytokininen bepalen mee het eiwitpatroon v/e cel
o Cytokinine bindingsplaats CBF
Deze cytokinine complexen zouden regelend optreden bij eiwitsynthese
Fysiologische activiteit v. cytokininen
Regulatie v. de celcyclus
Vooral interferen met 2e controle punten : G2 naar M fase
Maar ook bij het 1e controlepunt
Verhouding Auxine / cytokinine regelt de morfogenesis
Hoge verhouding → vorming v. wortels uit callusweefsel
Lage verhouding → scheuren en vorming v. scheuten uit callusweefsel
Tussenin → ongedifferentieerde callusgroei
Cytokininen vertragen de bladsenescentie en stimuleren nutrienten mobilisatie
Verhinderen afrijping (bv. Bij biet en witloof)
Cytokininen stimuleren de onwikkeling v. chloropolasten
Zonder licht ⇒ ontwikkeling v. etioplasten uit proplastiden
Deze bevatten wel carotenoïden maar geen chlorofyl.
Met licht ⇒ ontwikkeling v. chloroplasten uit proplastiden
Cytokininen stimuleren de celgroei
Vooral bij dicotylen met bladachtige kiemlobben
Stijn Vandelanotte
-49-
Plantkunde II
Plantkunde
Ethyleen
Biosynthese, afbraak en eigenschappen v. ethyleen
Eenvoudige verbinding:
Lichter dan lucht, ontvlambaar
Ontsnapt gemakkelijk uit plantaardige cellen
Werking vd synthese
Aminozuur L methionine → “ATP en enzym werking” → SAM → “ACC synthase” → ACC
ACC synthase wordt beïnvloed door omgevingsfactoren en bepalend voor ethyleenproductie
ACC = onmiddelijke precursor v. ethyleen
ACC transport → andere plaatsen → daar via EFE omgezet (zuurstof gebrek kan dit verhinderen) → Ethyleen
ACC vormt ook N malonyl ACC ⇒ accumuleert in plantenweefsel en controleert de ethyleenbiosynthese
Via een bij product v. SAM kan weer methione gevormd worden en is de cyclus gesloten
De mogelijke functies v. het metabolisme:
- inactivering v. membraangebonden ethyleen
- activering v. ethyleen
- bindingsreceptor
Ethyleen productie
- gestimuleerd door ontwikkelingsfaze
- gestimuleerd door omgevingsfactoren (droogte, waterverzadiging)
- aanwezigheid v. andere plantenhormonen
- Auxinen zijn in staat omzetting SAM → ACC te versnellen
Regulatie v. ethyleen productie
- AVG en amino oxyazijn zuur inhiberen de omzetting v. SAM → ACC
- Co blokkeert omzetting ACC → ethyleen
- ACC kan omgezet worden tot N malonyl ACC ipv enthyleen
Fysiologische activiteit v. ethyleen
Ethyleen bevordert de vruchtrijping
Het veroorzaakt epinastie v. bladeren
Verbreekt de dorminantie
Stimuleert de wortelvorming
Stimuleert bij bepaalde plantensoorten de vorming v. bloemen en vruchten
bij komkommer enkel nog vrouwelijke bloemen
Ethyleen inhibeert de celelongatie
Abscisinezuur
Structuur
-
3 isopreeneenheden die een alifatisch ringstructuur vormen met 1 dubbele binding, drie methylgroepen en een
onverzadigde keten eindigend op carboxylgroep
De posities v. de protonen op C2 en C4 en de orientatie vd carboxylgroep bepalen of het gaat over de cis of
transisomeer
o De cis isomeer is het meest actieve
o Dmv licht wordt trans isomeer omgevormd tot Cis
Synthese
-
-
de synthese kan plaatsgrijpen in iedere cel, die chloroplasten of amyloplasten bevat
o na aanmaak in de bladeren kan het ophopen in membranen
o bij stress situaties kan het snel vrijgemaakt worden
vervoer v. ABA via xyleem en floeem
effecten v. ABA zeer afhankelijk v. ontwikkelingsfaze en omgevingsfactoren
de juiste synthese weg v. ABA is nog altijd onduildelijk
o 1) mevalonzuur reageerd met farnesyl pyrofosfaat om direct ABA te vormen
o 2) splitsing v. violaxanthine → hieruit wordt ABA gevormd
Xanthoxine is net als ABA een groei inhibitor
ABA wordt geïnactiveerd
o door oxidatie → ABA wordt onstabiel wat wordt omgezet tot phaseinezuur en dihydrophaseinezuur.
o Conjugatie met glucose
Stijn Vandelanotte
-50-
Plantkunde II
Plantkunde
fysiologische effecten v. ABA
ABA veroorzaakt zaad en knopdormantie
inhibitie v. hydrolase enzymen
ABA is antagonist v. auxinen
ABA is een stresshormoon: sluiten vd huidmondjes
ABA beïnvloed op positieve wijze de water opname
Hydraulische conductiviteit vd wortel neemt toe
Doet ionen opname vd wortel toenemen
Stimuleert de vorming v. zijwortel
ABA accelereert senescentie en abscissie
ABA interfereert met de eiwitsynthese
het stimuleert de productie v. stresseiwitten
Brassinosteroiden
Biologische effecten tgv Brs
- stengelverlenging
- stimulering vd pollenkiembuis
- activering vd protonen pompen
- bevorderen v. bladontrolling
- heroriëntering v. mircofibrillen
- stimulering v. xylogenesis
- ethyleen productie
- afbuiging v. bladeren ter hoogte vd bladschede
- promotie v. celstrekking
- mogelijks effect op fotomorfogenese
Jasmonaten ⇒ jasmijnzuur
Biologische effecten tgv Jasmonaten
- inhibitie v. groei (oa opgemerkt bij rijst)
- vertraagde wortelgroei
- remming v. kieming v. zaden en pollenkorrels
- inductie v. afrijping bij vruchten (JA activeert het ACC oxidase en stimuleert dus de ethyleen productie)
- hoge concentraties v. JA worden opgemerkt bij ontwikkelde zaden en in vegetatieve sinkorganen
o al dan niet belangrijk bij de herkenning v. sinkfunctie
- remming in blad v. kern en chlorplast geven
- signaalfunctie bij planten: bv bij verwonding door insecten of bij infectie door schimmels
- activering v. synthese v. antifungale eiwitten en fytoalexine gerelateerde enzymen
Stijn Vandelanotte
-51-
Plantkunde II