De Kok
advertisement
2016/2017 FPMO De Kok Fotosynthese: licht energie + 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2 (suikers en zuurstof) Net primary production = carbon fixatie per m2 per jaar In praktijk is fotosynthese complexer: zie plaatje. Fotosynthese vindt plaats in de chloroplast in het blad (zie plaatje voor doorsnede blad). In het mesophyl zitten de meeste chloroplasten (pallisade en spons). CO2 opname vindt plaats door de stomata (onderkant van het blad). Deze kan de plant reguleren. Een chloroplast is een structuur op zichzelf, bezit alles wat een normale plantencel ook bevat + speciale organellen. Stromafase is het cytoplasma van de chloroplast. In de thylakoiden vindt de lichtabsorptie plaats. Zetmeelkorrels kunnen voorkomen, zijn producten van fotosynthese (opslag van suikers). In bepaalde bacteria kan ook fotosynthese voorkomen, maar deze gebruiken geen water maar H2S. Hier komt geen zuurstof uit maar zwavel (en water). De zuurstof die uit fotosynthese komt komt dus niet uit de CO2 maar uit het water. Zie dia 18. Fotosynthese in een chloroplast heeft twee fases, een licht- en donkerreactie. In de lichtreactie worden energetisch rijke verbindingen gemaakt en wordt er ATP en NADPH aangemaakt. De donkerreactie is niet afhankelijk van licht. Bij lichtreactie wordt licht geabsorbeerd en wordt energie gemaakt en NADP wordt NADPH en ADP wordt ATP. Bij donkerreactie wordt de energie beruikt in de Calvin cyclus om suiker, water en weer NADP en ADP te maken. Energie kan door een redox reactie worden gemaakt (van NADP naar NADPH). Een andere mogelijkheid is vormen van ATP. Lichtenergie zorgt ervoor dat ADP ATP wordt (fosfolylering reactie). Lichtreactie heeft 3 stappen: - Lichtabsorptie en excitatie van pigmenten - Pigmenten worden overgegeven aan elektronen transport - Chemiosmose (ATP synthese) o Ophoping van H+ (protonen) in de chloroplast waardoor ATP wordt gegenereerd uit ADP + P (fotofosfolylering). Deze stappen vinden plaats in thylakoide membraan. De zon geeft veel meer energie dan zichtbaar is. Je hebt twee soorten chlorofylen (A en B). Verschillen in absorptie. Heel klein verschil in structuur. Chlorofylen zijn geladen kop en lipide staart. Hierdoor vormen membranen (water afstotend en aantrekkend). De staarten zijn waterafstotend. Je hebt ook carotenoiden. Deze lijken op de lipiden. Je hebt 3 verschillende soorten. Caretenoiden absorberen licht met een lagere golflengte (blauw licht) dan chlorofylen. B is net wat lager qua golflengte dan A (beide rood-oranje licht). Als je dus een combinatie hebt van chlorofyl A en B is de plant in staat meer golflengten licht te absorberen. Planten zijn groen omdat dat de golflengte is die ze niet absorberen. In de herfst verkleuren planten door twee oorzaken, snel afgebroken caretenoiden waarna andere pigmenten omhoog komen (die niet groen zijn). Deze andere pigmenten zijn meestal wateroplosbaar en door het hele blad aanwezig (niet alleen in de chloroplast). Structuur van een chloroplast goed kennen (kunnen tekenen): 2016/2017 Belangrijke reacties in de lichtreactie: Fotosynthese elektronen transport: - Lichtreactie vindt plaats in thylokoide membraan. - Er wordt NADPH en ATP gevormd wat later wordt gebruikt in de Calvin cyclus. - Als er licht wordt geabsorbeerd door een pigment wordt een elektron aangeslagen. - Hij kan dan het elektron doorgeven of het afgeven als warmte. Als licht wordt geabsorbeerd kan een deel van de energie terugvallen als warmte of fluorescentie (licht afgeven). - Een plant heeft twee fotosystemen (I en II). Ze lijken op elkaar maar zijn net wat anders. De ene kan eerder absorberen dan de ander (II meer dan I). De chlorofyl ratio (A, B) verschilt ook iets per fotosysteem. Beide systemen zijn nodig om zo effectief mogelijk licht om te zetten in energie. Het licht gaat eerst in II, daarna in I. o Een elektron komt uit water en wordt geactiveerd door licht en verhoogd in energie niveau (systeem II). Deze wordt dan weer wat afgebroken in energie waar ATP bij vrijkomt en gaat in systeem I. Hier wordt het elektron weer aangeslagen door licht waardoor het elektron naar nog een hoger energieniveau gaat waarna het weer vervalt en er NADPH ontstaat (door binding NADP+ en 2H+). Deze twee vormen van energie gaan daarna de Calvin cyclus in. o Als 1 van de twee fotosystemen zou missen zou er alleen maar ATP ontstaan, wat niet genoeg is. o De systemen drijven in het thylakoide membraan. o Aan de binnenkant van het membraan krijg je een ophoping van H+. Hierdoor werkt het ATP synthase complex (fosfolylering van ADP naar ATP). Je hebt hier dus een lokale verzuring. o Uit de lichtreactie: 12NADP+ + 12 H2O + 18 ADP + 18 Pi 12 NADPH + 12H+ + 18 ATP + 6O2. Hierbij zijn 72 fotonen nodig. Dit is precies genoeg energie om 1 suiker te maken. o In de chloroplast wordt eigenlijk altijd de gefosfolyseerde vorm van NAD gebruikt (NADP+). Donkerreactie (Calvin cyclus): - 6CO2 + 12NADPH + 12H+ + 18ATP C6H12O6 + 12 NADP+ + 6H2O + 18 ADP + 18Pi. - Calvin cyclus vindt plaats in het cytoplasma van een chloroplast. - Met de huidmondjes kan de plant de zuurstof opname en waterhuishouding reguleren. Deze worden gereguleerd door de sluitcellen met turgor. Door veel suikers in de sluitcellen te pompen nemen deze veel water op waardoor je een hoge osmotische druk hebt en de huidmondjes open gaan staan. 2016/2017 - - De regulatie van huidmondjes in gematigde gebieden zijn niet zo van belang, alleen s nachts gaan ze dicht. In extreme gebieden zijn ze echter sterk van belang (tegen uitdroging etc.). Calvin Cyclus: o fase 1: Koolstof fixatie. Daadwerkelijk vastleggen van CO2. CO2 bindt aan molecuul, je krijgt een C6 suiker. RuBisCo splitst dit in 2 C3 moleculen. RuBP (C5) bindt met CO2, krijg je een C6 molecuul, wordt door rubisco omgezet in 2 C3 moleculen. (namen C6 en C3 en rubisco kennen!!). o Fase 2: reductie. ATP en NADPH voor nodig. Substraat voor suikermoleculen wordt gemaakt. Je zet een glyceraat om naar een aldehyde dmv ATP en NADPH. Hierbij komt glucose vrij. Wordt ook weer voor een deel gebruikt voor fase 3. o Fase 3: Regeneratie of ribulose. Er ontstaat weer een C5 molecuul. Je moet de fases en de substraten kennen. Je hebt 6 CO2 moleculen, 6 watermoleculen, 18 ATP en 12 NADPH moleculen nodig voor 1 suiker molecuul (glucose). Fotosynthese is licht gelimiteerd tot een bepaalde hoogte, daarna CO2 gelimiteerd. Bij een hele lage licht absorbtie is de CO2 uptake meer dan de CO2 ‘evolution’. C4 planten gaan langzamer in partiële CO2 druk omhoog, en sneller in CO2 assimilatie, maar loopt dan zwakker af dan C3 planten. C4 planten gaan door de 0, C3 planten niet. Dit komt door fotorespiratie. Fotorespiratie = als zuurstof wordt gebruikt als elektronenacceptor voor fotosynthese, ipv. CO2. RuBisCo (ribulose bifosfaat carboxylase) doet dit onder hoge temperaturen. Dit is ongunstig voor de plant, omdat je dan een C3 en een C2 molecuul krijgt. Hierdoor is de Calvin cyclus dus half zo voordelig. De plant kan het C2 molecuul gebruiken om glycine en serine te vormen. Uiteindelijk wordt er dan weer glyceraat gemaakt, waarna er weer RuBP wordt gevormd en het weer terug kan in de CC. Hierbij komt CO2 vrij (vandaar dat het respiratie heet) en hij gebruikt een extra ATP. In gematigde gebieden wordt ongeveer 20% van de Rubisco ‘verspild’ aan fotorespiratie. Rubisco is waarschijnlijk geëvolueerd toen er nog weinig zuurstof in de atmosfeer was. C3 planten gebruiken RuBisCo om 2 C3 verbindingen om te zetten in de Calvin cyclus. C4 planten vermijden fotorespiratie. Een belangrijke C4 plant is bijvoorbeeld maïs. De morfologie verschilt van C3. Dit zit voornamelijk in het mesofyl. In een C3 plant zit veel lucht. Een C4 plant heeft een heel compact sponzenparengym. De vaatbundelcellen bij C4 planten zijn afgeschermd en vergroot, en er zitten chloroplasten in (!), rondom de vaatbundels. C4 gebruiken PEPco ipv Rubisco. PEPco (PEP-carboxylase) zit in het mesofyl en fixeert het CO2. Hierbij wordt een C4 verbinding gevormd (oxaalzuur). Dit wordt omgezet naar malaat. Dit malaat wordt getransporteerd naar de vaatbundelcellen. Hier wordt het vastgelegd en komt er CO2 vrij, door middel van Rubisco. De Rubisco concentratie in deze cellen is heel hoog. Nadat er CO2 vrij komt ontstaat er weer een C3 molecuul (PEP). Het voordeel van dit mechanisme is dat de O2 heel slecht bij de vaatbundelcellen kan komen. Hierdoor is de O2 concentratie in deze cellen heel laag. Hierdoor vindt er (nagenoeg) geen fotorespiratie plaats. Ook kunnen de producten die worden gevormd heel snel aan het floëem afgegeven worden en worden getransporteerd. 2016/2017 De affiniteit van CO2 van PEPco is veel hoger dan die voor Rubisco. De affiniteit voor zuurstof van Rubisco is veel lager dan die van CO2 (maar zuurstof komt ook veel meer voor). Sommige planten hebben geen ruimtelijke verdeling (zoals C4), maar een dag en nacht verdeling CAM planten. Deze komen vooral voor in hele extreme omstandigheden (woestijnen). Overdag hebben ze hun huidmondjes helemaal dicht en alleen in de nacht staan ze open, omdat ze anders te veel water verliezen. Het probleem is dat ze dan overdag geen toevoer van CO2 hebben. Daarom zijn ze in staat om s nachts CO2 te fixeren. S nachts staan mondjes open, CO2 wordt gefixeerd door PEPco, wordt malaat gevormd, malaat gaat naar de vacuole. Overdag wordt het malaat afgegeven uit de vacuole, wordt gedecarboxileerd, komt CO2 vrij, wordt gebruikt door rubisco en gaat de Calvin cyclus in. Eigenlijk hetzelfde als C4 dus, maar hier vindt het plaats in dezelfde mesofylcellen en is de scheiding tussen nacht en dag. De meeste CAM planten gebruiken dit mechanisme niet altijd, alleen als het echt nodig is. In de winter gaan ze terug naar een C3 (!) metabolisme. C3 is het minst efficient met water, CAM het meest efficient. C4 planten komen meer voor in warme gebieden en dichter bij de evenaar. Fotosynthese Zetmeelkorrels hebben dezelfde oorsprong als een chloroplast, komen uit een amyloplast. Ook in een chloroplast zitten zetmeelkorrels. Producten die niet meteen worden gebruikt uit fotosynthese kunnen worden opgeslagen als zetmeelkorrels. Dit kan soms teveel zijn waardoor de plant schade ondervindt (bij een te hoge CO2 concentratie), meestal aan de chloroplast zelf. In de wortels zitten amyloplasten. Statolithen bevatten ook zetmeel en hebben een belangrijke rol bij het naar beneden groeien van de wortel. Het rode van een tomaat komt doordat de chloroplasten om worden gezet in chromoplasten. Suikers worden in de plant opgeslagen als sucrose. Deze worden getransporteerd door het floëem, het xyleem (houtvaten, dood) is belangrijk bij opname van mineralen en transport van water (beneden naar boven). Suikers gaan via het floëem van boven naar beneden en beneden naar boven. Suikers gaan eerst door de companion cells in het floëem. Dit is een actief proces met de proton force. Suikertransport is dus een actief proces. De suikers worden geladen in de floeem cellen. Als deze concentratie hoog is neemt de plant zoveel mogelijk water op (turgor) uit de xyleemvaten. Hierdoor krijg je een hoge osmotische druk. Zo krijg je verschillende turgor drukken (op plekken waar suiker nodig is laag, waar suiker niet nodig is hoog) waardoor je een stroom krijgt. Dit kan richting de wortels zijn maar ook richting de toppen (voor groei). Als de druk in de wortels ook hoog is krijg je een opslag in de chloroplasten/cellen van suikers in bijvoorbeeld zetmeelkorrels. Suikergebruik wordt dus beïnvloed door de sink demand. De Calvin cyclus wordt niet alleen gebruikt voor de aanmaak van suikers, maar ook voor de synthese van andere producten zoals lipiden. 2016/2017 De ademhaling van de plant Hierbij komt juist CO2 vrij. Het is geen echte ademhaling, maar ze gebruiken zuurstof en er komt CO2 vrij. Hierdoor komt toch heel veel koolstof die wordt opgenomen door fotosynthese weer vrij in de atmosfeer. Een plant heeft altijd een vaste maintenance respiration waar de growth respiration nog boven op komt. Deze bepalen samen de kosten voor de groei. De ademhaling vindt plaats in de mitochondria. Het gaat van het cytoplasma naar de chloroplast, waarna het naar het mitochrondia gaat (??). Voor de afbraak van 1 suiker molecuul heb je 6 zuurstof moleculen nodig. Bij de afbraak hiervan komt 36 ATP vrij, 6CO2 en 6H2O. Glucose gaat in de cel, er vindt glycolyse plaats waarbij ATP en NADH vrij komt. Dit wordt omgezet in pyruvaat, waarna dit wordt omgezet in lactaat en acetyl-CoA en NADH. Acetyl-CoA gaat de Krebs cyclus (citroenzuurcyclus) in waarbij weer ATP en NADH vrij komt, en CO2 gaat weer uit de cel. NADH wordt gebruikt in het elektronen transport systeem, wat weer ATP oplevert. Zuurstof gaat de cel en het mitochondrium in en wordt H2O. Glycolyse is belangrijk, zie plaatje. Pyruvaat wordt met zuurstof anders omgezet dan zonder zuurstof. Zonder zuurstof wordt het acetaldehyde waarna het ethanol wordt. Met zuurstof wordt het acetyl-CoA of lactaat (voor spieren). AcetylCoA gaat de krebs cyclus/citroenzuurscyclus in waarbij ATP, NADH en 2CO2 vrij komt. Actieve fosfolilering (chemiosmose): NADH en FADH2 wordt omgezet in ATP. Dit gaat via een elektrontransportketen. Als een plant in een anaerobe omgeving komt kan het aerenchym gaan aanmaken, een soort parenchym maar dan met veel lucht tussen de cellen. Hierdoor kan het ook respiratie doen met andere stoffen dan zuurstof. Suikers zijn niet de enige energiebron voor planten. De skunk cabbage heeft de meest precieze temperatuur regeling in planten die we tot nu toe hebben gevonden. Hij kan zelfs sneeuw laten smelten. Andere planten doen ook aan warmte regulatie, bijvoorbeeld de philodendron solimoesense. Dit is een vorm van alternatieve respiratie: thermogenesis. Minerale huishouding Alleen vlinderbloemigen hebben een symbiose met wortelknolletjes. Andere stoffen dan CO2 worden voornamelijk in de wortels opgenomen. De belangrijkste zijn zwavel, fosfor en stikstof. Er zijn 13 essentiële elementen voor een plant. De metalen de voorkomen in een plant zijn vaak afhankelijk aan de enzym omzetting, niet aan de groei oid. Hierom is er maar weinig van nodig. Hoe worden mineralen opgenomen? Dit gaat meestal met actief transport of facultair. Voor de meeste mineralen zijn er specifieke transporters, vaak meer dan één. Er zijn twee manieren van opnemen: - Symplastische route: het mineraal gaat meteen door de membranen het cytoplasme in. Dit heet symplastisch transport. Tussen de cellen is vrij transport mogelijk door het cytoplasma. 2016/2017 - Apoplastische route: het mineraal gaat via de celwand naar de binnenkant van de wortel. Het endodermis is een barrière door het bandje van casparie. Deze is impermeabel voor voornamelijk mineralen. Hier moet het mineraal wel door het endodermis en het cytoplasma (dus laatste stukje altijd symplastisch). Hierna worden de mineralen afgegeven aan het xyleem. De drijvende kracht achter de opname van mineralen is verdamping. Het xyleem vervoert de mineralen en water. Stikstof en zwavel worden opgenomen in een geoxideerde vorm (kan niet anders). De plant kan echter niks met SO4=(sulfaat) en NO3-(nitraat). Deze moeten dus eerst worden gereduceerd. De reductie vindt voornamelijk plaats in de chloroplast. Sulfaat helemaal, nitraat wordt eerst omgezet in nitriet en gaat dan naar de chloroplast. Er wordt ongeveer 15 keer zoveel nitraat gebruikt dan sulfaat. Reductie van nitraat: NO3- + 10 H+ + 8 elektronen NH4+ + 3H2O Reductie van sulfaat: SO4 2- + ATP + 8 H+ + 8 elektronen S 2- + 4H2O + AMP + PPi Nitraat is niet de enige stikstofbron die een plant kan opnemen. Een plant kan ook ammonium (NH4+) opnemen. Deze kan hij meteen gebruiken in aminozuren. Ammonium is in te hoge concentraties echter giftig voor een plant. Vlinderbloemigen hebben een symbiose met bacteriën waardoor ze pure stikstof kunnen opnemen (N2) (uit de lucht). Deze bacteriën zijn rhizobium. Ook kunnen sommige planten insecten opnemen als bron voor stikstof. Rhizobium bacteriën vormen knolletjes in de wortels van vlinderbloemigen. Hiermee kunnen planten atmosferische stikstof omzetten in ammonium. Hierbij moet wel zuurstof aanwezig zijn. Het opnemen van deze bacteriën is van de plant een actief proces. Een wortelhaar krult om de bacteriën heen, waarna je een infectiedraad krijgt. Hierna krijgt de wortel een morfologische verandering waarbij een afscherming plaats vindt waarin de bacteriën aanwezig zijn. Hierna worden de cellen van het epidermis verschoven (inkapseling), waardoor er blaasjes ontstaan. In deze knolletjes kan stikstoffixatie plaats vinden. Er vindt dan nitrogenase plaats waardoor N2 wordt omgezet in ammonium (NH4+). Deze reductie kan alleen maar plaatsvinden in aanwezigheid van zuurstof. Daarom maken de planten in de blaasjes leghemoglobine aan, wat heel hoge affiniteit heeft voor zuurstof. Hierdoor blijft de zuurstofconcentratie in de blaasjes hoog. Dit is een heel effectief systeem voor het opnemen van stikstof. In de herfst komt deze stikstof weer vrij. Je kan ook vlinderbloemigen tussen andere gewassen planten zodat je meer stikstof in de bodem krijgt. Hoe minder nitraat in het xyleemsap en hoe meer aminozuren of afgeleiden hiervan, hoe groter de kans is dat de plant alleen maar atmosferische stikstof gebruikt. Planten kunnen ook schimmels gebruiken voor de opname van nutriënten. Ongeveer 80% gaan symbiose aan met schimmels. Deze schimmels zijn mycorrhiza. Je hebt twee vormen: arbusculaire mycorrhiza en ectomycorrhiza. De schimmels gaan in de wortel zelf zitten waardoor het oppervlakte van de wortels enorm wordt vergroot. De schimmel krijgt dan fotosynthese producten voor terug. 2016/2017 Arbusculair (endo) gaat wat meer in de cellen zelf zitten, ecto zit meer aan de buitenkant van de wortels en tussen de cellen. 2016/2017 Dijkhuizen Microorganisms, diversity and cell structure 1. Beter begrijpen van levende organismen (Wat is leven?) 2. Die kennis toepassen voor het voordeel van mensen a. Belangrijke rollen in medicijnen, landbouw en industrie. Onder de prokaryoten verstaan we bacteriën en archaea, onder de eukaryoten onderscheiden we eukarya. Dit is al het leven. Het grote verschil is dat de eukaryoot een celkern heeft. Deze heeft sowieso meer celorganen. De mitochondria waren ooit bacteriën. Zelfde verhaal met chloroplasten. Archaea zijn dichter verwant met eukarya dan met bacteria (latere afsplitsing). Deze boom is gebaseerd op 16S ribosomaal DNA sequencies. Archaea worden meer gevonden in extreme milieu’s. In de pens van koeien zitten veel bacteriën die cellulose afbreken. Wij (de mens) kunnen cellulose niet goed afbreken. Het gras wordt cellulose, wordt glucose, wordt microbiele fermentatie, wat opsplitst in vetzuren en CO2 + CH4 (afvalproducten). Wortelknolletjes helpen planten met het opnemen van N2 door dat om te zetten samen met H naar NH3, wat de plant wel kan opnemen. In ruil daarvoor krijgen de bacteriën voedingsstoffen en mineralen. In ons lichaam competeren goede bacterien met pathogenen voor plaatsen en resources. Daarom niet te veel wassen. Veel bacteriën in de maag en darm, hoe hoger de pH hoe meer bacteriën, en hoe dichter bij de endeldarm. Kleine cellen hebben meer contactoppervlak met het milieu er om heen waardoor ze beter voedingsstoffen op kunnen nemen. Daardoor kunnen bijvoorbeeld coccen heel snel groeien. Hierbij is het cytoplasma membraan van groot belang. Deze bestaat uit een dubbele laag van fosfolipiden. De koppen bestaan uit hydrofiele glycerol met een fosfaat en/of ethanolamine staart. De staarten zijn hydrofobe vetzuren. In deze laag zitten veel eiwitten verankerd, zoals bijvoorbeeld integrale membraan eiwitten die door het hele membraan zitten. Dit zijn meestal transporteiwitten. Sommige steken alleen aan de buitenkant er uit, dit zijn meestal receptoreiwitten. Drie functies van het membraan: 1. barriere 2. eiwitanker 3. energie conservatie door een protonen gradiënt. Verschillende vormen van actief transport (dia 30): - Simpel transport: wordt gedreven door de proton motive force (H+ en OH-). - Groep translocatie: tijdens het transport wordt het molecuul gefosfolileerd. - ABC transporter: drie eiwitten bij betrokken. Aan de buitenkant is een bindingseiwit aanwezig met een hoge affiniteit om het molecuul dat binnen komt te binden. Deze ligt in het periplasma. In het membraan zit een transport eiwit. Aan de binnenkant zit een ATP gebruikend eiwit. Het peptidoglycan is bij gram-positieve bacteriën heel groot. Hierdoor kunnen we deze bacteriën marken met jodium waardoor ze paars kleuren. Een g-neg bacterie heeft een hele dunne laag, waardoor ze de jodium niet vasthouden en ze rood kleuren. Ook hebben deze bacterien aan het buiten membraan polysachiriden en hebben vaak een toxisch membraan. Gram-negatieve bacteriën hebben vaak meer reliëf aan de buitenkant (te zien onder de microscoop). 2016/2017 Lysozyme wordt vaak gebruikt om membranen op te breken doordat ze de beta 1,4 binding verbreken tussen de acetylzuren in. Veel bacteriën kunnen kapsels hebben. Dat zijn over het algemeen polysacchariden. Deze kunnen een stevige laag om de bacterie heen vormen om zich tegen toxische milieus te beschermen (zoals een zuurstofrijke omgeving). Ze kunnen ook die kapsels maken om zich te hechten aan oppervlakten (biofilms). Andere features zijn flagellen, waarmee ze zich kunnen voortbewegen. Deze zijn vaak langer dan de bacterie zelf. Ook kunnen ze fimbriae hebben, waarmee ze zich kunnen vasthechten of DNA over kunnen geven aan andere bacteriën. Ook kunnen bacteriën alkanoate aanmaken wanneer ze heel veel koolstof hebben en te weinig stikstof. Dan kunnen ze de koolstof opslaan. Nog andere vormen die je ziet in cellen is dat ze zwavel opstaan. Deze gebruiken sulfide (H2S) als energiebron en ze maken daar zwavel van. De groene aanslag in meren is vaak blauwalg. Door zonlicht kan de cyanobacterie zijn blaasjes vullen en naar het oppervlakte drijven om meer zonlicht te vangen. Endosporen zijn gedifferienteerde cellen die resistent zijn tegen bijvoorbeeld hitte. Dit kan je zien als een soort dormant stage. Er blijft een spore achter die overleeft en wacht tot de situaties beter zijn. Ze zijn alleen in gram-positieve bacteriën aanwezig. Het sporen maken gebeurt alleen aan het einde van de groei. Calcium is erg belangrijk voor sporevorming. Flagellen kunnen polair zijn en over het hele oppervlakte verspreid zijn, of juist aan één kant. De motor hiervoor in de negatieve cel werkt op een proton moter force. Flagellen komen ook voor in de gram-positieve bacterie. Door de flagellen kunnen bacteriën naar een plek gaan waar ze het liefst zijn, denk aan attractants en repellents. 2016/2017 Microbiële groei Celdeling: Cell elongation septum (tussenwand) formation completion of septum; formation of walls; cell separation 4 stadia groei bacteriën: lag fase (aanpassingsperiode), exponentiële groei, stationair (zelfde niveau, lichte groei, soms sporen maken), dood (voedingsbodem is op). De troebelheid is te meten in de stationaire fase. - Lag fase: periode na enten en voor groei - Exponentiele fase: cellen het gezondst, hard groeien - Stationaire fase: evenveel groei als dood. Bodem raakt op of te veel afval - Dood fase: de cellen gaan in lysus. Hoe meet je het aantal cellen? - Telkamer (onder de microscoop). Hierbij kijk je niet of ze levend of dood zijn. - Agarplaat methode. Cultuur uitspreiden over een agarplaat, incuberen en daarna kolonies tellen. Andere methode is de cultuur eerst op de plaat, daarna de agaar en dan incuberen. Dan kan je zien welke kolonies op de agar zitten en welke in/onder de agar. Hieraan kan je zien welke anaeroob en aeroob zijn. Hierbij tel je alleen levende cellen. - Verdunningsreeks in buisjes. Als je cultuur te groot is en je niet meer kan tellen. Zo verdun je steeds 10 keer (per buisje). - Spectrofotometer. Deze meet de optische dichtheid. Je meet hoeveel licht er wordt gereflecteerd, hoe meer cellen, hoe minder licht er door heen gaat. Bij lagere temperaturen, lagere groeisnelheid. - Prokaryoten kunnen bij hogere temperaturen groeien dan eukaryoten. - Organismen met de hoogste temperatuur optima zijn meestal Archaea. - Niet fototrofe organismen kunnen bij hogere temperaturen groeien dan fototrofe organismen. Sommige cellen hebben vanbinnen een mechanisme om zout tegen te gaan, een soort ‘tegenenzym’ (compatible solutes), zodat de osmotische waarde in de cel hoog blijft en het zout buiten de cel blijft. Deze enzymen hebben verder geen invloed op de cel en zijn dus neutraal. 2016/2017 Micro-organismen zijn onder te verdelen in aeroob en anaeroob. Onder deze groepen zijn nog subgroepen, zoals aeroob obligaat (heeft zuurstof nodig), aeroob facultatief (niet nodig maar wel beter), aeroob microearofilisch (heeft maar een beetje nodig, minder dan in de atmosfeer, maar heeft het wel echt nodig), anaeroob aerotolerant (niet nodig, en groei niet beter als er geen zuurstof aanwezig is), anaeroob obligaat (zuurstof is schadelijk of dodelijk). Al deze vormen hebben een bepaald type metabolisme waarbij ze wel of geen zuurstof nodig hebben. Voorbeelden hiervan zijn aerobe ademhaling, vergisting/fermentatie, anaerobe ademhaling (met nitraat). Deze moet je kennen zodat je de buisjes kan benoemen: a) obligaat aeroob b) obligaat anaeroob c) aeroob facultatief d) aeroob microearofilisch e) anaeroob aerotolerant Lecture 5 Nutriënten, media, diversiteit en eenheid in bioenergetica Macronutrienten: C (koolstof), N (stikstof, eiwitten, DNA, RNA), P (fosfaat), S (zwavel, aminozuren (3/20)), K, Mg, Ca, (Na), (Fe) (en zuurstof voor de aeroben). Micro-organimsen hebben ook micronutrienten nodig: Drie verschillende typen media: - defined medium: we kennen alle componenten - complex medium: compositie is niet helemaal bekend in detail - minimaal medium: alleen de hoognodige elementen zijn aanwezig 3 energie klasses van micro-organismen - metabolisme o de som van alle chemische reacties die plaatsvinden in een cel - catabolisme o energie vrijmakende metabolische reacties 2016/2017 - groepen energie klassen o chemorganotrofen o chemolithotrofen o fototrofen o heterotrofen o autotrofen Energie van redox reacties wordt gebruikt in de synthese van energierije verbindingen (bijv. ATP). Redox reacties gebeuren in paren (twee halve reacties). De elektron donor is de stof die wordt geoxideerd in een redox reactie. De elektron acceptor is de stof die wordt gereduceerd in een redox reactie. De reductie potentiaal (E0’) geeft aan hoe graag een stof elektronen wil afstaan. Dit wordt uitgedrukt in volt. Onder verschillende omstandigheden kunnen stoffen een donor of acceptor zijn (redox koppel). De gereduceerde stof met een meer negatieve E0’ doneert elektronen aan de geoxideerde stof met een meer positieve E0’. Dit is te zien in de redox toren. Hoe hoger een stof in de redox toren, hoe eerder hij doneert. Hoe lager een stof in de toren, hoe eerder hij accepteert. Hoe groter het verschil tussen de twee stoffen, hoe meer energie er bij vrij komt en dus hoe ‘liever’ de reactie plaats vindt. Chemische energie die vrijkomt in een redox reactie wordt voornamelijk opgeslagen in bepaalde gefosforyleerde verbindingen. - ATP, de grootste energie currency - Phospoenolpyruvaat - Glucose 6-phosfaat - Co-enzym A Bij de glycolyse wordt glucose geconsumeerd, twee ATP’s gevormd en fermentatie producten gevormd. Sommige van deze producten kunnen worden gebruikt voor menselijk gebruik. Bij aerobe respiratie wordt O2 geoxideerd en gebruikt als elektronen acceptor. Uit deze reactie komt meer ATP vrij dan uit fermentatie (is dus voordeliger). ATP wordt geproduceerd door de proton motive force, die draait op elektronen transport. Elektronen transport systemen zijn membraan geassocieerd. Ze mediëren het ‘vervoer’ van elektronen en gebruiken de energie die hier bij vrij komt om ATP te synthetiseren. Veel redox enzymen zijn betrokken bij het elektronen transport (bijv. NADH dehydrogenase, flavoproteinen, ijzerzwavel eiwitten, cytochromen). Het elektronen transport systeem is georiënteerd in het cytoplasmisch membraan zodat elektronen gescheiden zijn van protonen. Elektronen dragers liggen in het membraan op volgorde van hun reductie potentiaal (E0’). De laatste drager in deze keten doneert het elektron/proton an de elektronen acceptor. Tijdens deze elektronen transfer worden verschillende protonen vrijelaten naar buiten het membraan. Deze protonen komen van NADH en het uit elkaar vallen van water. Dit resulteert in een generatie van een pH gradient en een 2016/2017 elektrochemische potentiaal door het membraan (de proton motive force). De binnenkant van het membraan wordt elektrisch negatief en basisch. De buitenkant wordt positief en zuur. ATP synthase (ATPase) is een complex dat de proton motive force omzet in ATP. Het bestaat uit twee onderdelen: - F1: veel eiwitten complex, aan de binnenkant van de cel maar buiten het membraan, naar het cytoplasma gericht. - F0: protonen conduting binnenmembraan kanaal. - Het is reversibel. Citric acid cycle (CAC) (citroenzuurcyclus) is een manier waarop pyruvaat compleet wordt geoxideerd: - De eerste stappen zijn hetzelfde als in de glycolyse (van glucose naar pyruvaat). - Per glucose molecuul, komt er 6 CO2 vrij en NADH en FADH wordt gegenereerd. - Speelt een belangrijke rol in catabolisme en biosynthese. - Heeft een energetisch voordeel over aerobe respiratie. Lecture 6 Anaerobe respiratie Bij anaerobe ademhaling wordt een andere elektronen acceptor gebruikt dan O2. Verder lijkt het sterk op aerobe ademhaling, alleen komt er minder energie uit anaerobe ademhaling. Hoe veel energie er uit de ademhaling komt kan worden bepaald door de reductie potentialen te vergelijken (redox toren). Bij anaerobe ademhaling is stikstof vaak de elektronen acceptor. De producten van de nitraat reductie (denitrificatie) zijn gassen. Denitrificatie is de grootste biologische bron van N2 in gasvorm. Denitrificatie: nitraat (NO3-) nitriet (NO2-) nitrische oxide (NO) (gas) nitrous oxide (N2O) (gas) dinitrogen (N2) (gas). De eerste stap, van nitraat naar nitriet heet nitraat reductie en gebeurd bijvoorbeeld in E. coli. De hele denitrificatie gebeurd bijvoorbeeld in Pseudomonas stutzeri. Enzymen die meehelpen aan deze reactie keten worden onderdrukt door zuurstof. Anaerobe ademhaling kan ook gaan met zwavel, dit heet de sulfaat reductie. Reductie van SO4 2- naar H2S gaat door verschillende intermediates en heeft activatie van sulfaat door ATP nodig. Je hebt twee soorten sulfaat reductie: dissimilatieve en assimilatieve sulfaat reductie. Assimilatieve heeft een extra ATP nodig en een NADPH. Gedurende sulfaat reductie leidt het elektronen transport rectie tot een proton motive force formatie. Dit zorgt voor ATP synthese door ATPase. Veel verschillende moleculen kunnen de elektronen donor zijn in een sulfaat reductie, bijvoorbeeld H2, organische moleculen, fosfiet. Sommige sulfur reducerende bacteriën kunnen extra energie krijgen door disproportionation van sulfur moleculen. Acetogenen en methanogenen gebruiken CO2 als een elektronen acceptor in anaerobe respiratie. H2 is de grootste elektronen donor voor beide groepen organismen. Dit heet acetogenese. Het verschil tussen methanogenese en acetogenese is: bij methanogenese is de elektronen acceptor 1 HCO3- en komt er CH4 + 3 H2O uit. Bij acetogenese gebruiken ze 2 HCO3- moleculen als elektronen acceptor en komt er C2H3O2- en 4 H2O uit. Ook komt er uit methanogenese meer energie vrij. 2016/2017 Micro-ogranismen laten dus een grote verscheidenheid aan mechanismen voor energie generatie zien, zoals: - fermentatie - aerobe respiratie - anaerobe respiratie - chemolithotrofie - fototrofie Werkcollege I 1. het membraan is opgebouwd uit fosfolipiden, eiwitten en polisachariden. De functies van de poriën is dat er moleculen in en uit de cel kunnen, al zijn ze meestal selectief. Ze zitten in het buitenmembraan. Het lipide-A heeft endotoxische eigenschappen. Hierdoor heeft het een effect op bijvoorbeeld darmweefsel. Bij gram-positieve bacterie is een hele dikke celwand peptidoglycanlaag, bij negatieve een hele dunne. Het jodium blijft hangen in die dikke celwand, maar niet in de dunne. 2. Fosfolipiden-bi-laag, opgebouwd uit vetzuurketens en glycerolfosfaat, waar ook groepen fosfaat en ethanolamine in kunnen zitten. 3 functies zijn permeabele barrière, eiwit anker, energie conservatie. 3. Een flagel is opgebouwd uit eiwitten die in de vorm zitten van een lange draad, en hij heeft bepaalde ringen (ook eiwitten) in de drie lagen van de gram negatieve cel. Ze komen ook voor bij positieve cellen maar hebben dan minder ringen. De flagel wordt aangedraaid door de proton motive force van motoreiwitten. Chemotaxis is de verandering van richting van organismen als reactie op chemicaliën (denk aan buisjes in bakjes). 4. Koolstof, stikstof, zuurstof, waterstof (zwavel, fosfor). Stikstof komt als ammonium of nitraat in de cel (of aminozuren). Koolstof, waterstof en zuurstof komen van de lucht. Fosfor zit in de fosfolipidenbilaag, DNA en RNA en ATP. Een bacteriële cel bestaat voor 50% uit eiwitten. Functies zijn transport over membranen, enzymen van glycolyse en citroenzuurcyclus, eiwitten in de elektronen transportketen, ATPase. 5. E. coli zou het snelst groeien in het complexe medium, hier zitten al veel stoffen (celcomponenten) in die hij dan zelf niet meer hoeft te maken. E. coli heeft altijd een koolstofbron nodig. 6. H2 is de elektron donor. De elektronen acceptor is O2. Waarom is nitraat een betere acceptor dan fumaraat? Omdat fumaraat redelijk dicht bij waterstof staat in de redoxtoren, waardoor het reductie verschil minder groot is dan nitraat. Voorbeelden van redoxtoren in dia 14 kennen. Waterstof heeft de beste reductiepotentiaal, want deze is sterker negatief. Hierdoor komt er met de reactie met zuurstof meer energie vrij. NAD is een betere elektronenacceptor dan H+, omdat hij lager in de toren staat. 7. Dit moet je kunnen tekenen. Zie dia 15 en 16. 8. Het is exponentiële groei omdat elke cel zich kan vermenigvuldigen. Een semilogaritmische plot is het aantal cellen op een logaritmische schaal tegenover een tijdschaal, waardoor het een lineaire plot wordt. Hier kan je bijvoorbeeld de groeisnelheid halen. Als je heel zorgvuldig een cultuur oment in hetzelfde medium is er geen lag fase. Obligaat aeroob kan alleen groeien met zuurstof, dus bovenin het buisje. Obligaat anaeroob groeit alleen onder in (zonder zuurstof). Facultatief aeroob is meeste bovenaan, maar ook onderin. Microaerofiel is gevoelig voor zuurstof maar heeft het wel een beetje nodig, hij groeit dus vlak onder de zuurstof grens en een beetje in zuurstof. Aerotolerant groeit door het hele buisje. Lecture 7 Stikstoffixatie en symbiose (bacteriële kant). Stikstof heeft een heleboel oxidatie vormen. Als stikstof wil worden opgenomen dan is het bijna altijd een reducerend proces (wordt opgenomen als ammonia, -3 elektronen). Stikstof fixatie is als N2 gas wordt gebruikt als stikstof bron in de cellen. Hiervoor moet het eerst omgezet worden in NH4+: dit 2016/2017 heet nitrogenase. Deze reactie is echter zeer gevoelig voor zuurstof, waardoor de reactie mis kan lopen. Er zijn verschillende manieren van micro-organismen om dit te voorkomen. Stikstoffixatie wordt maar door een beperkte groep prokaryoten uitgevoerd (alleen de organismen met ??? in het DNA). Zie plaatje voor een overzicht van organismen die aan stikstoffixatie doen (zowel vrijlevende aeroben als anaeroben en symbiotische organismen). De symbiose van stikstoffixatie is een van de belangrijkste symbioses die we kennen. Rhizobia zijn hiervan de meest bekende bacteriën. Molecuul kennen. Nitrogenase reactie: N2 N2H2 (komt H2 vrij en 4H er in) 2 H2N (2 H nodig) 2 NH3 (2 H nodig) Bij deze reactie is 16 ATP nodig. Sommige bacteriën maken een slijmlaag om zichzelf heen om zich te beschermen tegen zuurstof (Azotobacter). Dit is een van de methoden. Cyanobacteriën die in lange ketens leven hebben speciale cellen. Deze cel voert alle stikstoffixatie uit. Dit is de enige cel waarin geen fotosynthese plaatsvindt. Dit is de heterocyst. In de overige vegetatieve cellen vindt wel fotosynthese plaats. Deze voorzien de heterocyst wel met bepaalde moleculen, zoals pyruvaat. Dit is nodig voor het reduceren van stikstof. Het glutamine dat de heterocyst aanmaakt wordt naar de buurcellen vervoert. De derde aanpassing is een hemoglobine achtig molecuul (leghemoglobine) dat in staat is zuurstof weg te vangen. Dit geeft een rode kleur. Dit gebeurt bijvoorbeeld in wortelknolletjes. Het doen van nitrogenase kost erg veel energie. Dit indiceert dat het zeer gereguleerd wordt (als ammonia niet nodig is wordt het ook niet aangemaakt). Alle enzymen en onderdelen die een cel nodig heeft voor nitrogenase ligt in een cluster in het DNA. Als er bijvoorbeeld ammonia voorkomt in het medium zal de cel de onderdelen en enzymen niet gaan aanmaken voor nitrogenase. Door wortelknolletjes kunnen planten stikstof uit de lucht halen. Lecture 8 Licht als energiebron - Fototrofy: gebruikt licht als energiebron o Fotofosforylatie: licht gemediëerde ATP synthese o Fotoautotrofen: gebruiken ATP voor assimilatie van CO2 voor biosynthese o Fotoheterotrofen: gebruiken ATP voor assimilatie van een organisch C molecuul voor biosynthese. Fototrofe organsimen gebruiken licht als energiebron. Fotofosforylatie is ATP synthese dmv licht. Dit is wat anders dan vanuit water. Fotoheterotrofen hebben geen calvin cyclus. Deze gebruiken lichtenergie maar kunnen ze uitgaan van hun organische molecuul (gebruiken geen CO2). Het pigment dat Archaea bacteriën rood maakt is bacteriorhodopsine. Een onderdeel hiervan (RetT) gaat van trans naar cis, waardoor er zich een protonenpomp vormt. Hierdoor wordt ATP gevormd. Dit noemen we geen fotosynthese omdat er geen chlorofyl pigmenten aan mee doen. 2016/2017 Fotosynthese is de conversie van licht energie naar chemische energie. Fototrofen doen aan fotosynthese. De meeste fototrofen zijn autotrofen. Fotosynthese heeft licht gevoelige pigmenten nodig, genamad chlorofyllen. Fotoautotrofie heeft ATP productie en CO2 reductie nodig. Fotoheterotrofen gebruiken geen Calvin cyclus voor de C productie, maar organische bronnen (dit zijn meestal bacteriën). Je hebt oxygene (cyanobacteriën) en anoxygene (paarse en groene bacteriën) prokaryote fototrofen. Bacteriën gebruiken een bacteriochlorofyl dat erg veel lijkt op het planten chlorofyl. Het heeft net een andere zijgroep. Chlorofylen hebben een bepaalde ringstructuur met daarin een magnesium molecuul. Ze vangen wel andere golflengten dan planten (360, 805 en 870). Deze zitten allemaal in chlorosomen om de rand van de bacterie (zie plaatje). Carotenoiden worden altijd gevonden in fototrofe organismen. Het voorkomt fotooxidatie en ze kunnen energie invangen en naar het reactiecentrum brengen. Lecture 9 Chemolithotrofie Een chemolithotroof organisme gebruikt anorganische chemische moleculen als elektronen donor. Voorbeelden zijn H2S, H2, Fe2+ en NH3 (ammonia). Deze organismen zijn meestal aeroob en begint de oxidatie met een anorganische elektronen donor. Het gebruikt de elektronen transport keten en proton motive force en is autotroof: het gebruikt CO2 als koolstofbron. Dit is volgens de redox toren echter minder succesvol qua energie opbrengst. H2 oxidatie Anaerobe H2 oxidiserende bacteriën en archaea zijn bekend. Ze katalyseren door hydrogenase. Door de calvin cyclus en hydrogenase enzymen kan er chemolithotrofe groei plaatsvinden. Vaak wordt zwavel ook gebruikt als elektronen donor. Voornamelijk H2S, S0 en S2O3- worden veel gebruikt. Een product van zwavel oxidatie is H+, waardoor de pH van het milieu omlaag gaat. Sox systemen oxideren gereduceerde zwavel moleculen direct in sulfaat. De meeste organimsen die aan zwavel oxidatie doen zijn aeroob, maar sommige kunnen nitraat als een elektronen acceptor gebruiken. Elektronen uit het gereduceerde zwavel komen bij het elektronen transport systeem. Vanaf hier worden ze getransporteerd door de keten naar O2. Dit genereert een proton motive force die leidt tot ATP synthese door ATPase. Zie plaatje. Nitrificatie zijn twee processen: - Oxidatie van ammonium (NH3) naar nitriet (NO2-) - Oxidatie van nitriet naar nitraat (NO3-) Deze functioneren als energiebron/elektronen donor. NH3 en NO2- worden geoxideerd door het nitrificeren van bacteriën tijdens nitrificatie. Twee groepen bacteriën werken samen om ammonia volledig te oxideren naar nitraat. Sleutel enzymen 2016/2017 zijn: - Ammonia monooxygenase - Hydroxylamine oxidoreductase - Nitriet oxidoreductase Uit deze reactie komen alleen kleine energieopbrengsten. De groei van nitrificerende bacteriën is dan ook heel traag. Ammonia-oxiderende bacteriën oxidiceren NH3 door ammonia monooxygenase, waarbij NH2OH en H2O gevormd wordt. Hydroxylamine oxidoreductase oxidiceerd daarna NH2OH naar NO2-. Elektronen en protonen worden gebruikt om ATP te genereren. Zie plaatje. Nitriet oxiderende bacteriën oxideren nitriet (NO2-) door het enzym nitriet oxidoreductase naar nitraat (NO3-). Elektronen en protonen worden gebruikt om ATP te genereren. Zie plaatje. Autotrofe organismen gebruiken licht of een anorganische verbinding als energiebron. De meest voorkomende manier van CO2 assimilatie is die via de Calvin-cyclus (met RuBisCo als sleutelenzym). Anaerobe respiratie is het gebruik van een elektronen acceptor die niet zuurstof is. Voorbeelden zijn nitraat (NO3-), ferrisch ijzer (Fe3+), sulfaat (SO4 2-), carbonaat (CO3 2-) en verschillende organische stoffen. Hierbij komt echter minder energie vrij dan bij aerobe respiratie (zie redox toren). Het is afhankelijk van het elektronen transport, generatie van de proton motive force en ATPase activiteit. Lecture 10 Fermentatie en gisting Bij ademhaling zijn exogene elektronen acceptoren aanwezig voor de oxidatie van elektronen donoren. Dit zijn meestal zuurstofmoleculen. Bij fermentatie is de donor en het acceptor hetzelfde molecuul (of het volgt uit elkaar). Als er geen elektronen acceptoren aanwezig zijn kunnen verbindingen worden gefermenteerd. ATP synthase is dan compleet afhankelijk van fosforylatie. De redox balans wordt bereikt door fermentatie producten. Als een organische verbinding wordt opgenomen in een cel en wordt afgebroken door bijvoorbeeld glycolyse, komt ATP vrij. Door de vorming van NADH van de redox cyclus wordt een fermentatie product gevormd. Dit kan bijvoorbeeld melkzuur uit pyruvaat zijn. De meeste fermentaties kunnen alleen maar werken omdat er onderweg intermediaten zijn die energie rijk zijn. Behalve het maken van melkzuur en ethanol kan er ook NAD+ en H2 gevormd worden als fermentatie product. Hierbij is dan een ferredoxine (donor) betrokken en een hydrogenase. Homofermentatieve fermentatie maakt uitsluitend melkzuur. In herkouwers kan in het rumen cellulose worden verteerd door symbiose. Dit komt door microben. Deze hydrolyseren cellulose naar vrije glucose dat dan wordt gefermenteerd, waarbij allemaal vetzuren gemaakt worden en gassen zoals CH4 (methaan) en CO2. De vetzuren zijn belangrijke energiebronnen en worden opgenomen door de bloedstroom. De micro-organismen maken ook aminozuren en vitaminen voor het dier. De microben zelf kunnen ook worden opgenomen als bron voor eiwitten. De meeste microben in het rumen zijn anaeroob (daarom doen ze aan gisting). Er zitten zo’n 300-400 verschillende soorten in het rumen. 2016/2017 Ook bij de mens zijn veel micro-organismen aanwezig. Deze hebben een heel belangrijk effect op de vroege ontwikkeling, zoals op het immuunsysteem. Ook is er waarschijnlijk een groot effect op de hersenen. De grote hoeveelheid van micro-organismen in menselijke moedermelk kan de oorzaak zijn voor de grote hoeveelheid micro-organismen in onze darmen. Dit is ook zeer afhankelijk van het soort voedsel. In de maag zitten 10^4/g bacteriën (pH 2). De pH neemt toe tot een pH van 7, hierbij zijn dan ook de meeste bacteriën (vlakbij de endeldarm). Ook kan de samenstelling van de bacteriën duiden op obesitas. Bij muizen was te zien dat de muizen die te dik werden veel meer methaanvormende bacteriën hadden. Bij gewone muizen wordt er voornamelijk H2 en vluchtige vetten, bij obese muizen wordt er erg veel CH4 aangemaakt. Symbiose bij insecten Micro-organismen kunnen uit het milieu worden opgenomen maar kunnen ook door de ouders worden doorgegeven. Er zijn ook micro-organismen die alleen maar in een symbiose kunnen leven (kunnen niet vrij leven). Andere symbionten kunnen wel vrij en zelfstandig leven maar hebben een voordeel en geven een voordeel aan de host. Meestal zijn dit nutritional, bescherming van de omgeving en bescherming tegen pathogenen (onze huid zit vol met eigen bacteriën, daardoor kunnen pathogenen zich niet nestelen). Genomen van insecten symbionten zijn veel kleiner dan genomen van vrijlevende symbionten. Termieten kunnen cellulose en hemicellulose afbreken en hebben verschillende magen. Hierin kunnen micro-organismen aanwezig zijn, zoals bijvoorbeeld cellylotische anaeroben. Deze doen aan het afbreken van cellulose naar glucose naar acetaat of H2, voornamelijk in de hindgut. Lecture 11 en 12 De koolstof, stikstof en sulfur cyclus Koolstof cycleert door de grootste reservoirs van de aarde, zoals de atmosfeer, het land, de oceanen, sedimenten, stenen en biomassa. De grootte van het reservoir en de turnover tijd zijn belangrijke parameters voor het begrijpen van de cyclus van de elementen. CO2 in de atmosfeer is het snelste overgeplaatste koolstof reservoir. CO2 wordt gefixeerd door fotosynthese van landplanten en marine microben. Het gaat weer terug de atmosfeer in door respiratie en anthropogene activiteiten (microbiële decompositie is de grootste bron voor CO2 die vrijkomt in de atmosfeer). Koolstof en zuurstof cyclussen zijn gelinkt aan elkaar. Fototrofe organismen zijn de fundering van de koolstofcyclus. Oxygene fototrofe organismen kunnen worden verdeeld in twee groepen: planten en micro-organismen. Planten zijn dominant op het land, microorganismen in het water. Een guild is een populatie microbiëlen met dezelfde metabolische actviteit. Meerdere guilds vormen microbiële gemeenschappen die op macro-organimsen en abiotische factoren in het ecosysteem in werken. Een niche is een habitat dat wordt gedeeld door een guild. Het geeft nutriënten en goede condities voor groei. Biogeochemie: studie van biologisch gestuurde chemische omzettingen. Een biogeochemische cyclus bepaalt de transformaties van een sleutel element van biologische of chemische middelen. Dit gaat meestal via oxidatie-reductie reacties. Microben spelen een kritieke rol in energie transformaties en biogeochemische processen die resulteren in de recycling van elementen naar levende systemen. In veel gematigde meren wordt de waterkolom gestratificeerd in de zomer. Zie plaatje. In rivieren is dit minder door snel stromend water. Kan nog steeds te weinig zuurstof hebben door hoge inputs van: - Organisch matteriaal van het riool. - Agricultureel en industriële vervuiling Biochemical oxygen demand (BOD) is de microbiële zuurstof-gebruikende capaciteit van een hoeveelheid water. Fotosynthese en respiratie zijn onderdeel van de redox cyclus. 2016/2017 Fotosynthese: CO2 + H2O (CH2O) + O2 Respiratie: (CH2O) + O2 CO2 + H2O De twee grootste eindproducten van decompositie zijn CH4 en CO2. CH4 is een potentieel broeikasgas. Een beetje methaan gaat in de atmosfeer. Zie plaatje voor de redox cyclus van koolstof. Methanogenese staat centraal in koolstof cycling in anoxische milieu’s. De meeste methanogenen reduceren CO2 naar CH4 met H2 als elektronen donor; sommigen kunnen andere substraten naar CH4 reduceren, zoals acetaat. Methanogenen werken samen met ‘partners’ (syntrofen) die hen nodige substraten geven. Methanogenische symbionten kunnen worden gevonden in protisten. Het is mogelijk dat endosymbiotische methanogenen voordeel hebben van protisten door het consumeren van H2 gegenereerd van glucose fermentatie. Biotische processen laten meer CH4 vrij dan abiotische processen. N2 is de meest stabiele vorm van stikstof en is een groot reservoir. Alleen een paar prokaryoten hebben de mogelijkheid om N2 te gebruiken als een cellulaire strikstof bron (stikstof fixatie). Denitrificatie is de reductie van nitraat naar stikstofgas producten en is het grootste mechanisme waarbij N2 biologisch wordt geproduceerd. Ammonia dat geproduceerd is door stikstof fixatie of ammonificatie kan worden geassimileerd in organisch materiaal of geoxideerd in nitraat. Zwavel transformaties door micro-organismen zijn complex. Het grootste deel van zwavel op aarde zit in sedimenten en stenen als sulfaat en sulfide mineralen, zoals gypsum en pyriet. De oceanen zijn de meest significante reservoir van zwavel (als sulfaat) in de biosfeer. Hydrogeen sulfide is een belangrijk vluchtig zwavel gas dat is geproduceerd door bacteriën via sulfaat reductie of uitgescheiden door geochemische bronnen. Sulfide is giftig voor veel planten en dieren en reageert met heel veel metalen. Zwavel oxiderende chemolithotrofen kunnen sulfide oxideren en elementair zwavel bij oxische/anoxische raakvlakken. Organische zwavel moleculen kunnen ook gemetaboliseerd worden door micro-organismen. De meest voorkomende organische zwavel molecuul is dimethyl sulfide (DMS). Dit wordt alleen geproduceerd in mariene omgevingen als een degradatie product van dimethylsulfoniopropionate (een alg osmolyt). DMS kan worden getransformeerd via een aantal microbiële processen. 2016/2017 Elzenga Vaatplanten zijn 450 miljoen jaar geleden ontstaan uit algen. Dit heeft tot landleven geleid. - Nutrientenopname uit de bodem ipv uit het water - Vorming van wortels - Hele leven op dezelfde plaats - Omgeving veel minder constant dan in de oceaan (elementen) Planten moeten flexibel met hun omgeving om kunnen gaan. Een groot verschil tussen dier en plant is dat een plant veel meer door het externe milieu wordt beïnvloed dan een dier. Dit uit zich doordat een plant totipotent is (een cel kan nog tot alles uitgroeien). Een ander verschil is open of ongedetermineerde groei. De meeste planten kunnen altijd doorgroeien, dieren niet. Planten die eerst blad hebben en daarna gaan bloeien reageren op de daglengte. Planten (voornamelijk voorjaarsplanten) die eerst met de bloem omhoog gaan reageren op de temperatuur. Een éénjarige plant kan je door laten groeien zolang je er voor zorgt dat ze niet bloeien. Een plant die maar één keer bloeit noemen we monocarpen. Dit zijn meestal éénjarige planten, maar niet altijd. Meristemen komen altijd uit het cambium, in de top van de spruit en onder aan de wortel. Hierin zit boven in een germ line: al het genetisch materiaal van de plant waar uiteindelijk de sperma en eicellen van de plant worden ontwikkeld. Deze delen zo min mogelijk, zodat de genen zo goed mogelijk blijven. De voordelen van op het land leven in plaats van in het water: - Water diffundeert veel langzamer dan lucht (minder beweging in water). - (vroeger) minder concurrentie. - Meer zonlicht - Te veel zuurstof waardoor je fotorespiratie krijgt (zuurstof gaat te langzaam weg). Nadelen: - Je staat vast. - Je bent afhankelijk van je milieu. - Je staat direct in contact met de elementen (water beter gebuffert). - Meer moeite voor voedingsstoffen (wortels etc.). - Zwaartekracht, waardoor je stevigheid nodig hebt. Apicale meristemen zitten aan de stengel en worteltop. Deze zorgen voor de groei. Ze differentiëren zich in eerste instantie in drie meristemen: - protoderm - procambium (secundaire diktegroei) - Vulweefsel meristeem (ground tissue) Verder naar beneden heb je nog een 4e meristeem: - Kurk cambium (alleen bij houtachtige planten) In de wortel heb je: - Apicale meristeem - Wortelmutsje - 3 secundaire meristemen Wortelharen zijn uitgroeisels van de epidermis zonder dat er celdeling tussen zit (het is dus maar één cel). Het is dus wat anders dan zijwortels! Bij secundaire diktegroei (door het laterale meristeem(zijknop)) heb je een verschil tussen bedekt en naaktzadigen, voornamelijk in het xyleem (water en mineralen!). Bij bedektzadigen (angiospermen) heb je een aantal grotere buisjes: houtvaten. Naaktzadigen hebben alleen kleine buisjes (tracheiden). Door deze houtvaten zijn angiospermen waarschijnlijk succesvoller. 2016/2017 Planten hebben drie typen ground tissues: - Parenchym (fotosynthese, opslag, etc. veel cytoplasma) - Collenchym (levende cellen, lijken op sklerenchym, kleinere celwand dan sklerenchym maar nog steeds heel dik) - Sklerenchym (zit in de stengels om de vaten, hele stevige cellen, dode cellen, bijna alleen maar celwand, voor versteviging of bescherming) De bandjes van Casparie zitten om het xyleem en floëem en dwingt water en nutriënten via het cytoplasma de plant binnen te komen. Hierdoor heb je actief transport. Fysiologie van de spruit kennen, zie plaatjes. Externe invloeden Het effect van verdamping op de temperatuur van een blad: De door verdamping van de bladeren veroorzaakte temperatuurverschillen kunnen worden gebruikt voor een schatting van de gezondheidstoestand van de vegetatie. De huidmondjes reguleren de gasuitwisseling (O2, CO2 en H2O) tussen het blad en de omgeving. Hierdoor heeft de plant dus controle over de verdamping. De snelheid van de uitwisseling hangt af van het concentratieverschil (diffusie). De opening van de huidmondjes wordt gereguleerd door: - CO2 concentratie - Licht - Het hormoon ABA - Endogene ritme Veranderingen in de waterpotentiaal van bodem, water en blad zie je over een periode van 24 uur terug in een schommeling. Dit weerspiegelt de mate van verdamping. De formule is: Mu* + RTln a + VP + zFE + mgh (in J/mol) R = gasconstante T = temperatuur in Kelvin a = activiteit (concentratie * activiteitcoefficient) V = partieel molal volume P = druk verschil ten opzichte van 0.1 MPa (=1 atmosfeer) z = lading F = Faraday constante E = electrische potentiaal (V) m = mol massa g = zwaartekracht constant h = hoogte (m) 2016/2017 Als het over de chemische potentiaal gaat ipv water potentiaal valt zFE weg (water heeft geen lading) en als het over kiemplantjes gaat valt mgh weg (te klein). Planten die onder erg droge omstandigheden leven zijn beperkt in hun vermogen om door verdamping de temperatuur laag te houden. Deze hebben zich op andere manieren aangepast: - Beperken van opname van straling - Gereduceerd bladoppervlak - Reflectie van straling (grijze laag-haren, cuticula, etc) - Aanpassing van de temperatuur-gevoeligheid van de enzymen Water is ongeladen. Het “reageert” echter wel op ladingsverschillen (door diffusie), waardoor je verschillende potentiaal verschillen krijgt. Als een cel heel weinig voedingsstoffen oid in zich heeft, gaat het water uit de cel om de osmotische waarde gelijk te krijgen. Dit heet hypertonisch, de cel is dan geplasmolyseerd. Als de lading binnen en buiten de cel gelijk is heet dat isotonisch en noemen we de cel flaccid. Als de lading binnen de cel groter is dan buiten de cel gaat het water in de cel vacuole en heet het hypotonisch. De cel noemen we dan turgid (turgor). De verschillen in waterpotentiaal (of componenten daarvan) zijn de drijvende kracht om alle delen van de plant van water te voorzien. Van de bodem, via de verschillende compartimenten van een plant, tot atmosfeer verplaatst het water zich van hogere naar lagere potentiaal. Het watertransport gaat via het xyleem. Dit gaat voornamelijk van wortel naar scheut. Transport van water en nutriënten en transport van hormonen (signaal). Transport in het xyleem gaat via de tracheiden in alle vaatplanten. In angiospermen heb je ook nog houtachtige vaten (meestal dode cellen). De drijvende kracht voor xyleem transport is: 1. Worteldruk (slechts sterk genoeg om de xyleemvaten weer te ‘vullen’, voor berekening zie dia 64) 2. Capillaire opstijging a. Cappilaire opstijging hangt af van de diameter van de buis (een normale afmeting van xyleemvaten is 20 micrometer). In xyleemvaten zou capillaire werking slechts kunnen leiden tot een hoogte van 0.75 m. De capillaire werking van de celwanden is echter veel groter (de afstand tussen de polymeren in een celwand is slechts 5 nanometer). 3. Verdamping a. Een drukbom wordt gebruikt om de waterpotentiaal in het xyleem van een stengel te meten. Als gelijktijdig de waterpotentiaal in het blad, de verdampingssnelheid en de stroom door de stengel wordt gemeten, dan kan worden afgeleid dat de stroom door het xyleem wordt veroorzaakt door de negatieve waterpotentiaal in het blad. In een sequoia is de druk veroorzaakt door de hoogte van de waterkolom in de stam. In een boom van 100 m hoogte is dit dus 1 MPa. Om de weerstand van de vaten te overwinnen en waterstroom op te wekken is een extra druk nodig van nog eens 0.02 MPa/m, dus 2 MPa bij een boom van 100 m. een sequoia moet en negatieve waterpotentiaal van -3 Mpa in het bladmesophyl in stand houden. Het transport van assimilaten van het blad naar de rest van de plant vindt plaats in het floëem. Hierin is transport van koolhydraten (sucrose), aminozuren en hormonen (signaal). Het gaat van volwassen bladeren (source) naar groeiende bladeren, wortels, vruchten en opslagorganen (sinks). Het floëem bestaat uit zeefelementen en begeleidende cellen (companion cellen). - Zeefelementen zijn levende cellen (maar heel uitzonderlijke cellen: ze bevatten alleen mitochondria, de plasmamembraan en het endoplasmatisch reticulum). 2016/2017 - - Voor het functioneren van de zeefvaten is de associatie van de begeleidende cellen essentieel. Transport in de zeefvaten vindt plaats door ‘mass flow’. De drijvende kracht voor deze ‘mass flow’ wordt opgewekt door het accumuleren van sucrose in de source organen in de zeefvaten en het water dat het zo opgewekte osmotische gradient volgt. In de meeste angiospermen in de gematigde streken is de belading van het floëem apoplastisch. Transport eiwitten transporteren de sucrose (en aminozuren) vanuit de apoplast in de begeleidende cel. Tranport van cel tot cel: - Via de plasmodesmata worden kleine moleculen van de ene naar de andere cel getransporteerd. o Plasmodesmata zijn kanaaltjes gevormd door de plasmamembraan waardoor een ‘streng’ ER loopt. - Transport is via diffusie. - Plasmodesmata kunnen controle uitoefenen. De drijvende kracht in de floëemvaten is de drukgradient die wordt opgebouwd door water dat de suikers die in en uit het floëem worden geladen osmotisch volgt. Doordat de xyleem- en floëemvaten dicht tegen elkaar aanliggen in de vaatbundels is uitwisseling van water mogelijk (circulatie). Oriëntatie in de ruimte Reacties van planten en dieren zijn verschillend. Planten: - Trage reacties (voornamelijk op veranderingen in de omgeving) - Deze reacties zijn vaak energiezuinig Dier: - Snelle reacties (predator-prooi gerelateerd: waar dit ook het geval is in planten, dan ook snelle reactie, blaasjeskruid) Planten kunnen wel bewegen. We onderscheiden drie soorten bewegingen: - Nutatie o Autonome bewegingen van een plant (niet gerelateerd aan stimuli van buiten). Denk aan het opkomen van kiemplantjes van een zonnebloem. Nutaties zijn ook de bewegingen die er voor zorgen dat klimplanten de steun die ze nodig hebben kunnen vinden. - Nastische reactie o Slaapbewegingen, die dienen om verdampend oppervlak te verkleinen en om sterke afkoeling tijdens de nacht te beperken zijn een voorbeeld van een nastische beweging. Reageert op een prikkel van buiten af maar niet in dezelfde richting als de prikkel (vleesetende planten). - Tropisme o Fototropisme is de gerichte beweging in de richting van de hoogste lichtintensiteit. Darwin deed in de 19e eeuw voor het eerst onderzoek naar dit verschijnsel. Went ontdekte dat een chemische signaalstof in de tip van de stengel werd geproduceerd (auxine). Als deze aan een zijde van de stengel wordt aageboden, dan wordt aan die zijde de groei gestimuleerd. Door licht krijg je dus een assymetrische verdeling van auxine. Thigmo-morfogenese is als een plant door aanraking vertraagd groeit/bloeit. 2016/2017 In de beschaduwde kant van een plant gaat meer auxine zitten waardoor deze kant harder gaat groeien, waardoor de plant krom groeit (naar het licht toe). Auxine wordt doorgegeven via polair transport. De celwand wordt in bepaalde cellen dan minder sterk doordat actieve enzymen (gestimuleerd door de ATP H+ pomp) verbindingen doorknippen in de celwand. Auxine is een planten hormoon en grijpt actief in op de plantengroei (op de richting). Nastische bewegingen: denk aan blaasjeskruid (vangen van vliegen). Dit is een hele snelle beweging. Nastische bewegingen komen voornamelijk voor bij vleesetende planten, omdat ze niet in een bepaalde richting reageren. De signaaltransductie van kruidje roer me niet is elektrisch (bijna dierlijk). Voor signiaaltransductie en reactie zijn de volgende elementen nodig: - Perceptie (sensor) - Transductie (versterking/integratie) - Adaptatie (respons) Veel bewegingen zijn turgor-afhankelijk, zo ook de beweging van kruidje roer me niet. Andere bewegingen zijn bijvoorbeeld: - Stomata - Slaap bewegingen van bladeren - ‘solar tracking’ zonnebloemen Turgorveraderingen worden veroorzaakt door afgifte of opname van vooral kalium en chloride ionen. Interne regulatie Planten hormonen spelen een belangrijke rol bij het integreren van verschillende onderdelen van de plant. Vorm en functie van multicellulaire organismen zijn afhankelijk van effectieve communicatie tussen cellen, weefsels en organen. In hogere planten hangt de regulatie en coördinatie van metabolisme, groei en morfogenese af van de uitwisseling van chemische signalen. Dit kunnen bijvoorbeeld ook suikers zijn (al zijn dat dus geen hormonen). Hormonen zijn: - Een natuurlijk voorkomende verbinding die wordt gesynthetiseerd in een deel van de plant die wordt getransporteerd naar een ander orgaan waar het een specifieke werking heeft in een zeer lage concentrate. o Speciaal gesynthetiseerd in ander deel van de plant dan waar het heen gaat. o Natuurlijk voorkomende verbinding o Zeer lage concentratie - Ze kunnen groei bevorderend of remmend zijn. - De werking kan rechtstreeks zijn, ze kunnen eiwitten activeren - Groei stimuleren: o Auxine o Gibberilline o Cytokinine - Groei remmen: o Abscisine zuur o Ethyleen - Andere signaal stoffen (bijvoorbeeld waarschuwende stoffen/beschermende stoffen): o Jasmonzuur o Salicylzuur o Systemin Auxine is bij een heleboel betrokken: - Tropieën en nastieën - Celstrekking - Apicale dominantie - Stimulering celdeling (verwondingen) - Weefsel organisatie (organen) - RNA en eiwit synthese 2016/2017 - Uitstel van bladval Interactie met ethyleen (met name bij de bladval) Voor geordende groei moeten niet al teveel meristemen gelijktijdig actief zijn: apicale dominantie. Het topje van het apicale meristeem heeft de hoogste concentratie auxine (daar wordt het ook het meeste gesynthetiseerd). Als je het dominante apicale meristeem er af knipt gaan de zijknoppen ook groeien. Auxine zorgt er voor dat alle andere knoppen niet uit lopen. De concentratie is echter in het apicale meristeem het hoogst; daarom zijn verschillende weefsels verschillend gevoelig voor auxine. Het apicale meristeem is heel ongevoelig voor auxine (daarom groeit die wel), de laterale meristemen zijn een stuk gevoeliger voor auxine. Auxine is ook betrokken bij de ontwikkeling van fruit, het wordt geproduceerd in de zaadjes. Auxine zorgt dus vanuit de zaden voor de rijping van de bloembodem. Gibberelline is ook belangrijk: - Celstrekking - Celdeling - Enzym inductie - Bloei-lange dag - Breekt knop- en zaadrust Is in Japan ontdekt, doordat sommige rijstplanten heel hoge stengels maakten (en altijd omvielen). Gibberelline werkt ook op andere planten, zoals op erwten. GA geeft geen ‘acid growth’ zoals auxine. Komt voor in volwassen weefsel en is niet alleen celstrekking maar ook celdeling. GA zorgt ervoor dat de spruit op het goede moment uitkomt uit het zaad. Dit komt vanuit het embryo, wat zich dan verspreid over het zaad. Dit maakt dan amylase aan waardoor het zetmeel wordt omgezet in suiker, waardoor het kiemplantje kan gaan groeien/eten. Cytokinine: - Celdeling - Celdifferentiatie - Breekt knoprust - Werkt apicale dominantie tegen - Voorkomt senescentie (veroudering) - Reguleert eiwitsynthese Als cytokinine ongeregelt aanwezig is leidt dat tot vorming van woekeringen van ongedifferentieerde cellen. Dit kan gebeuren door een infectie met Agrobacterium (zorgt voor een verhoogde synthese van cytokinine). Heksenbezems in berken zijn het resultaat van het ongecontroleerd uitlopen van okselknoppen. Cytokinine kan ook de veroudering tegen gaan, waardoor je bijvoorbeeld in een tabaksplant meer goede bladeren behoud (de bladeren in de schaduw blijven ook). Abscisinezuur (ABA): - Controle over huidmondjes - Remming van embryo ontwikkeling - Houdt knop- en zaadrust in stand - Abcissie van blad en vrucht - Staat bekend als (water)stresshormoon Waarom wil je je bladeren kwijt? - Geen last van wind - Compost - Pathogenen kwijt Als planten ongevoelig zijn voor Abscisinezuur is de kiemrust afwezig. In een maiskolf zie je dat de zaden al kiemen aan de maiskolf (niet goed). 2016/2017 Ethyleen: - Gasvorming (kan daardoor buurplanten beïnvloeden) - Snelle diffusie - Interactie met auxine - Abscissie (samen met ABA) (afvallen van fruit en bladeren) - Stimulering senescentie (veroudering) - Fruitrijping - Nog iets Ethyleenremmer kan gebruikt worden om bloemen langer te laten bloeien. Antisense ethyleen synthase remt veroudering van fruit. Dit werden de eerste gemodificeerde producten (tomaten). Deze konden niet bederven. Bij de auxine-ethyleen interactie zorgen er voor dat een blad geel wordt en er af valt.
