فيزيولوژي گياهان زراعي

در عالم گياهي مهمترين و اصلي ترين متابوليسم ها كه اكثر واكنش در آن انجام مي گيرد : آنزيم ها ـ فتوسنتز ـ تنفس .
اگر يك سلول زنده را به كارخانه تشبيه كنيم هزاران تركيب و متابوليت در هر لحظه توليد ميشود .
تنوع تركيبات در عالم گياهي خيلي بيشتر از عالم جانوري است .
احياء كربن يعني تثبيت فتوسنتز ف

 

قط در گياهان وجود دارد و يا تثبيت ازت و گوگرد هم در گياهان وجود دارد .
متابوليسم : مجموع تمام واكنش هاي شيميايي حيات كه در يك سلول انجام مي گيرد را متابوليسم گويند .

آنابوليسم : واكنش هايي كه در آن مولكولهاي كوچكتر به هم مي پيوندند و مولكولهاي درشت را تشكيل مي دهند را تركيب يا آنابوليسم گويند مانند سنتز نشاسته كه اين واكنش انرژي گير است .
كاتابوليسم : تركيبات بزرگ تجزيه شده و مولكولهاي كوچك را بوجود مي آورند كه آن را تجزيه و يا كاتابوليسم مي گويند مانند تجزيه نشاسته كه اين واكنش انرژي زا است .
كاتاليزور ها و آنزيم ها تفاوت هاي زيادي با هم دارند :
۱ . آنزيم ها خيلي قوي تر عمل مي كنند .
۲ . آنزيم ها خيلي سريع تر عمل مي كنند .
۳ . آنزيم ها خيلي اختصاصي عمل مي كنند .
۴ . آنزيم ها قابل انعطاف هستند و به تغييرات محيطي عكس العمل نشان مي دهند .
عيب مهم آنزيم ها : آنزيم ها ساختار پروتيني دارند و يك سيستمي بايد وجود داشته باشد كه براي آنها پروتين توليد كند و به همين جهت براي گياه هزينه بالايي دارد .
فعاليت آنزيم ها مانند كاتاليزورهاي معدني است و كار آنزيم ها تسريع واكنش هاي بيوشيميايي مي باشد .
محل قرار گرفتن آنزيم ها :
آنزيم ها در داخل سلول پراكنده نيستند و هر كدام جايگاه مشخصي دارند . آنزيم ها را با توجه به كاري كه انجام مي دهند جداسازي مي كنند .
در گياهان پست (پروكاريوت) جداسازي آنزيم ها محدود انجام شده ولي در گياهان عالي (يوكاريوت ها) جداسازي با توجه به كاري كه انجام مي دهند انجام شده است . كارايي گياهان عالي خيلي بيشتر از گياهان پست است ويكي از مهمترين علت كارايي بالا در گياهان عالي همين جداسازي آنزيم ها است . يك يا چند آنزيمي كه فرايند مشابهي را كاتاليز مي كنند در يك ساختمان ويژه اي بنام اندامك يا ارگانول نگهداري ميشوند .
آنزيم هايي كه وظيفة آنها سنتز DNA و RNA و

يا آنزيم هايي كه وظيفة آنها تقسيم سلولي است در اندامي بنام هسته نگهداري ميشوند و آنزيم هاي تنفس هوازي در ميتوكندري نگهداري ميشوند و آنزيم هاي فتوسنتز در كلروپلاست نگهداري ميشوند و آنزيم هاي مربوط به تنفس نوري در اندامكي بنام پراكسيزوم نگهداري ميشوند .
چرا جداسازي آنزيم ها باعث افزايش كارايي ميش

ود :
۱ . غلظت كافي مواد تركيب شونده در محلي كه آنزيم ها بايد روي آن تثبيت شوند وجود داشته باشد .
۲ . تضمين آن كه واكنش در جهت توليد تركيب مورد نياز هدايت شود و به مسيرهاي انحرافي كشيده نشود .
ويژگي هاي آنزيم ها :
۱ . اختصاصي عمل مي كنند (هر آنزيمي فقط قادر است روي يك سوبسترا و يا روي سوبسترايي كه گروه هاي فعال مشابهي دارند عمل مي كند )
۲ . تعداد آنزيم ها خيلي زياد است و تا حالا چيزي حدود ۴۵۰۰۰ آنزيم شناسايي شده است .
• هر آنزيم دو اسم دارد : اسم استاندارد ـ اسم رايج .
• در اسم رايج هر آنزيم سه جزء وجود دارد :
۱ . نام سوبسترايي كه آنزيم روي آن عمل مي كند .
۲ . عملي كه آنزيم انجام مي دهد .
۳ . كلمة ase در آخر آن .
بعنوان مثال نام آنزيمي كه از سيتوكروم يك الكترون مي گيرد (سيتوكروم را اكسيد مي كند) به اين صورت است : Cytochromeoxidase
نام آنزيمي كه از ماليك اسيد دو هيدروژن مي گيرد بصورت زير ميباشد :
Malicacid deltydrgrgenase
نام آنزيمي كه NO3- را به NO2- تبديل مي كند :Nitrat redoctase
3 . برگشت پذيري آنزيم ها : آنزيم هيچ نقشي در تعيين جهت واكنش ندارد .
۴ . تركيب شيميايي آنزيم ها : جزء اصلي ساختمان تمام آنزيم ها پروتين است .
پروتين ها ۴ وظيفه در يك سلول دارند :
۱ . بعضي ها نقش ساختماني دارند .
۲ . بعضي ها نقش ذخيره اي دارند .

۳ . بعضي ها ناقل الكترون هستند مانند سيتوكروم ها .
۴ . بعضي ها نقش حمال را دارند و موارد مختلف را حمل مي كنند .
گروه پروستاتيك :
بعضي از آنزيم ها هستند كه مي توانند به تنهايي ف
بعضي از آنزيم ها براي اين كه فعاليت كاتاليكي انجام دهند علاوه بر بخش پروتين نياز به يك مادة آلي غير پروتيني هم دارند تا بتوانند به وظيفه خود عمل كنند كه اين مادة غير آلي غير پروتيني را گروه پروستاتيك مي گويند كه اين گروه توسط پيوندهاي كووالانسي به بخش پروتيني چسبيده است .
برخي از پروتينها هستند كه يك گروه كربو هيدرات (قند) به آنها متصل شده است كه به اين ها گلايكو پروتين مي گويند.وجود اين كربو هيدرات ها مانع تجزيه شده پروتين ها در برابر پروتازها ميشوند .
در تعداد ديگري از آنزيم ها ، آنزيم ها نياز به ماده آلي يا معدني دارند كه به آنزيم ها پروتين نچسبيده بلكه فعاليت آنزيم ها در حظور اين ماده انجام مي گيرد به اين تركيبات كوآنزيم مي گويند . و تفاوتش با گروه پروستاتيك در اين است كه در پروستاتيك ماده ، آلي است و چسبيده به پروتين آنزيم مي باشد ولي در كوآنزيم ماده ، آلي يا معدني است و نچسبيده به پروتين آنزيم .
كوفاكتورها مانند كوآنزيم ها است با اين تفاوت كه اگر مادة مورد نظر همراه آنزيم معدني باشد مانند مس به آن كوفاكتور گويند در گياهان اكثر گروه هاي پروستاتيك ويتامينها هستند و به ندرت كوآنزيم هستند .
حرارت و دما باعث ميشود كه سرعت واكنش زياد شود در واقع افزايش حرارت تعداد مولكولهاي بيشتري را انرژيك مي كند و در نتيجه تعداد بيشتري از مولكولها مي توانند در واكنش شركت كنند .
سرعت واكنش هاي شيميايي به دو عامل بستگي دارد :
۱ . دما ۲ . انرژي اكتيواسيون
• حرارت انرژي اكتيواسيون را تغيير نمي دهد .
• انرژي اكتيواسيون بطور مستقل از حرارت مي تواند روي سرعت واكنش ها و مولكولها تاثير بگذارد .
• حرارت در داخل سلول نمي تواند منشا اثر باشد (به دو دليل)
الف ) اجزاء سلول حرارت را تحمل نمي كند .
ب ) تاثير حرارت با تبعيض همراه نيست .
انرژيك شدن مولكولها در دنياي زيست نمي تواند از طريق حرارت باشد بلكه از طريق كنترل انرژي اكتيواسيون است .
آنزيم ها انژي اكتيواسيون را كم مي كنند .
خود آنزيم ها تحت تاثير عوامل مختلفي تغيير شكل مي دهند اين تغيير شكل را دناتوره شدن مي گويند .
عوامل مختلفي در دناتوره شدن آنزيم ها موثر است :
۱ . حرارت كه باعث شكسته شدن باندهاي هيدروژني ميشود .
۲ . اكسيد شدن .
۳ . يونهاي فلزي سنگين مانند نقره و جيوه و …
۴ . حلالهاي آلي مانند استون ها و …
در خصوص دناتوره شدن با حرارت اين مطلب مهم است كه آنزيم ها در شرايط خشك به حرارت تحمل بيشتري دارند .
عواملي كه بر روي سرعت آنزيم ها موثر هستند :
مهمترين علت عامل غلظت است . وقتي كه از غلظت صحبت ميشود هم غلظت آنزيم مطرح ميشود و هم غلظت سوبسترا . رابطة غلظت سوبسترا و سرعت واكنش را ميتوانيم به اين شكل نمايش دهيم .

 

با افزايش غلظت سوبسترا سرعت واكنش زياد ميشود ولي اين افزايش بصورت خطي نيست و تا اندازه اي افزايش غلظت روي سرعت واكنش اثر گذاشته و باعث ميشود آن زياد شود و بعد در يك غلظت مشخصي سرعت ثابت مي ماند .
ضريب ميكياليس ـ منتن (Km) : عبارت است از غلظتي از سوبسترا كه نصف سرعت Max را ايجاد مي كند . مقدار Km تقريباً ثابت است و فعاليتش مستقل از آنزيم است . مقدار Km بستگي به عواملي متعدد از جمله PH ، دما ، نوع و مقدار آنزترا كاتاليزور كند Km آنزيم براي هر سوبسترا متفاوت خواهد بود .
به سه دليل از Km استفاده مي كنيم :
۱ . هر گاه غلظت سوبسترا را در جايي از سلول كه آنزيم فعاليت مي كند اندازه گيري كنيم ميتوانيم پيشگويي كنيم كه اين سلول نياز به آنزيم بيشتري دارد يا سوبستراي بيشتري . بعنوان مثال آنزيم هاي تنفسي از نظر سوبسترا اشباع نيستند يعني در تنفس مشكل سوبسترا وجود دارد نه آنزيم .
۲ . Km ميل تركيبي آنزيم با سوبسترا را نشان مي دهد . بعبارت ديگر هر چه مقدار Km كوچك باشد ميل تركيبي آنزيم با سوبسترا بيشتر است .
۳ . Km يك تخمين تقريبي از غلظت سوبسترا و آنزيم در بخشي از سلول كه واكنش صورت مي گيرد بدست مي آيد .
آنزيم ها در PH خنثي فعاليت مي كنند و هر گونه انحراف از اين PH منجر به كاهش سرعت خواهد شد .
سرعت واكنش آنزيمي بستگي به سرعت محو شدن سوبسترا يا سرعت توليد تركيب حاصل و يا هر دو بستگي دارد .
هر چه غلظت سوبسترا كم شود سرعت واكنش هم كاهش مي يابد .
مواد بازدارنده : بعضي از مواد مانند كاتيون هاي فلزي واكنش آنزيم ها را مختل مي كنند كه به آنها مواد بازدارنده مي گويند .
كشاورزي در واقع يك سيستم بهره برداري از انرژي خورشيدي است كه اين بهره برداري از طريق فتوسنتز انجام ميشود و از اين طريق منبع مهمي از انرژي براي انسان به دست مي آيد . عملكرد گياهان زراعي هم بستگي به سرعت و اندازة فتوسنتز دارد و بنابراين در راس عملكرد تاثير نور روي فتوسنتز ميتواند موثر باشد . با توجه به اين كه نور مهمترين منبع انرژي در فتوسنتز است بنابراين مطالعه روي اين منبع انرژي تشعشي و تاثير آن روي دنياي زيست لازم است .
فتوسنتز چيزي نيست به جز تبديل يك ماده آلي كم انرژي معدني مانند co2 به يك مادة پر انرژي آلي بنام قند . CO2 -CHO
براي اين كه اين تبديل صورت بگيرد نياز به انرژي است . با توجه به مقدار فتوسنتزي كه در جهان انجام ميشود بايد اين انرژي پايان ناپذير با

شد و اين انرژي چيزي نيست جز انرژي خورشيدي .
براي احياء هر ماده نياز به الكترون وجود دارد و براي احياء CO2 هم بايد الكتون وجود داشته باشد كه تامين كننده اين الكترون آب است .
در فتوسنتز از منابع بالقوه استفاده ميشود و بالفعل ميشوند و بصورت يك انرژي شيميايي قابل استفاده ميشوند .
براي اينكه فتوسنتز انجام گيرد در جريان فتوسنتز دو كار بايد صورت گيرد :
يكي از اين كارها فراهم سازي منابع است ك
ديگري واكنش هاي احياء كربن يا ثبت كربن با واكنش هاي چرخة كالوين است كه اين واكنش ها با حظور آنزيم ها صورت مي گيرد و بسياري از اين آنزيم ها در حظور نور فعاليت مي كنند براي انجام اين واكنش نور بعنوان تامين كنندة انرژي لازم است .
يك فيزيولوژيست لازم است كه در طبعيت انرژي خورشيدي را و تاثير آن را بر روي گياهان بررسي كند .
سه اثر كلي نور :
۱ . تاثير مرگبار نور ، مانند ماوراي بنفش .
۲ . نور محيطي است كه به واسطة آن موجود ميتواند اطلاعات را از اطراف خودش بگيرد و نور روي آرايش فضايي گياهان و ساعت فيزيولوژي آن موثر است .
۳ . استفادة مستقيم از نور خورشيد توسط گياهان براي توليد زيست توده و بيوماس (عملكرد).
با توجه به اين كه خورشيد مهمترين منبع تشعشعي است . در دنياي حيات بررسي طيف خورشيدي كه يك طيف پيوسته است ، لازم است .
نور مرئي (قابل رويت) بعنوان بخش كوچكي از طيف تابشي خورشيدي وجود دارد كه مهمترين بخش در فتوسنتز است .
تئوري امواج الكترومانيتيك :
مي گويد كه نور بصورت موج در فضا حركت مي كند . تعداد امواجي كه در يك زمان معين از يك نقطه معين عبور مي كند را فركانس يا تواتر گويند .
U = C /فركانس يا تواتر (طول موج در ثانيه)
C = 1010*3 سرعت نور سانتيمتر بر ثانيه = طول موج
تئوري كوانتوم : نور در فضا بصورت بسته هاي پر انرژي بنام فوتون حركت مي كند . هر فوتون حاوي مقداري انرژي است . انرژي هر فوتون را كوانتوم انرژي مي گويند .
E = U.h E = h .C/ انرژي فوتون (كوانتوم)
h:662 . 10-27
بين انرژي و طول موج رابطه معكوس وجود دارد .
طيف خورشيدي :

پنجرة بيولوژيك :

نوري كه به زمين مي رسد اين قسمت است . و همه اين نورها به زمين نمي رسد و فقط نورهايي كه بين ۳۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر طول موج دارد به زمين مي رسد . كه در اين قسمت يك طيفي وجود دارد كه به نور مرئي معروف است و از ۳۸۰ تا ۷۶۰ نانومتر است .

واكنش نوري فتوسنتز نتيجة جذب نور توسط رنگريزه هايي مانند كلروفيل است . تمام فوتون ها با طول موج هايي مختلف توانايي تحريك اين رنگريزه را ندارند و تنها طيف محدودي از طيف گستردة تابشي خورشيدي توانايي تحريك رنگريزه

را دارد . گياهان براي انجام فتوسنتز در دامنه نور مرئي فعالند . البته اين بدان معنا نيست كه نورهاي ديگر در فعاليت گياهان دخيل نيستند . در عالم گياهان هزاران گيرندة نوري وجود دارد اما همة اين گيرنده ها نمي توانند در ادامة

فعاليت هاي زيستي نقش داشته باشند .
در فتوسنتز مهمترين گيرنده نوري كلروفيل است .
وقتي نور به رنگريزه برخورد ميكند باعث تحريك آن ميشود.طول موجهاي خاصي باعث تحريك رنگريزه ميشوند و براي اين عمل طول موجهايي كه از ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر قرار دارند مناسب هستند چون كه انرژي مناسبي را براي تحريك رنگريزه ها دارند .

نورهايي با طول موج كمتر از ۴۰۰ نانومتر انرژي زيادي دارند و باعث تخريب رنگريزه ميشوند .
نورهايي با طول موج بيشتر از ۷۰۰ نانومتر انرژي كمي دارند و نمي توانند منشأ اثر باشند .
تحريك رنگريزه ها در واقع واكنش يك فوتون با رنگريزه است بنابراين ميزان نور مصرف شده در فتوسنتز را بر اساس غلظت جريان فوتون بيان مي كنند نه بر اساس انرژي فوتون ها .
غلظت جريان فوتون : تعداد فوتون هايي كه در واحد زمان از يك سطح معين عبور مي كنند .