Transcript Respirace
Respirace Fotosyntéza Dýchání Energie záření teplo chem. energie CO2 (ATP, NAD(P)H) O2 BIOMASA Redukce za „spotřeby“ NADPH CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3 oxidace produkující NADH (FADH2) Proč rostliny respirují, když energii získávají ve fotosyntéze ? 1. rostliny žijí i v noci 2. rostliny mají pletiva a orgány, které nefotosyntetizují 3. dýchání a metabolismus s ním spřažený je zdrojem metabolitů pro anabolické reakce proto je dýchání nezbytné i u zelených buněk! (v buňkách s chloroplasty je na světle dýchání inhibováno jen na cca 30%) - tvorba uhlíkových skeletů (např. pro asimilaci N) Respirací rostliny získávají: - metabolickou energii ve formě ATP - redukované koenzymy (NADH) - metabolity pro buněčné syntézy - tepelnou energii, … Respirace pomáhá udržovat rovnováhu - redoxní (NAD+/NADH) - ATP/ADP, … - schopnost účinné disipace V jedné buňce často zároveň fotosyntéza, respirace a fotorespirace - komplexní regulace výstavby struktur a aktivity enzymových systémů v chloroplastech v mitochondriích v cytoplasmě v peroxizómech - na úrovni genové exprese (jádro, plastidy, mitochondrie) - na biochemické (především redox signalizace) Základní metabolismus rostlinné buňky Složky dýchání: 1. Glykolýza (+ OPPP) 2. Krebsův cyklus 3. Dýchací řetězec - v cytoplasmě a plastidech (od glukózy k pyruvátu) - energie, syntézy energetický zisk (na 1 glukózu): 2 ATP (substrátová fosforylace) 2 NADH V opačném směru = redukční fáze Calvinova cyklu Glykolýza Anoxygenní glykolýza – limitace kyslíkem kyslík – konečný akceptor elektronů v dýchacím řetězci – za normálních podmínek nebývá limitující pyruvát laktát pyruvát etanol (pokles pH) (alanin, sukcinát) – nutno odstraňovat pyruvát a oxidovat NADH, aby mohla běžet oxidace glyceraldehyd-3-P, která produkuje ATP Evoluční adaptace u trvale zatopených kořenů: tvorba aerenchymu pneumatofory (mangrovy) Glykolýza alternativní enzymy - zvýšení flexibility ATP-PFK (3) PPi-PFK (PFP) nefosforylující G3P DH (5) (NADP– dependentní) pyruvát kináza (9) PEP fosfatáza (PEPc – MDH – ME) Regulace: PEP inhibuje PFK malát přenesen do mitochondrií (PDC TCA cyklus) Mitochondrie Mitochondrie Cytosol pH 7 Pyruvát OH- Vnitřní membrána Matrix pH 8 - komplexy elektrontransportního řetězce OH- Pi - ATP syntáza - membránové přenašeče ADP ATP Matrix enzymy Krebsova cyklu Vnější membrána - zadržuje cytochrom c! [H+] Malát citrát Krebsův (citrátový, TCA) cyklus (od pyruvátu po CO2 a redukované NADH a FADH2) - v matrix (xSDH) - část i cytoplasma - PDC (pyruvát dehydrogenázový komplex) Energetický zisk: (na 1 pyruvát) 4 NADH 1 FADH2 1 ATP - asi 50 % do syntéz (kompenzace malát ! PEPc - MDH) PDC Krebsův cyklus PDC PDC (pyruvát dekarboxylázový komplex) - regulace (NADH, Ac-KoA) - fosforylace inhibiční ! (PDKinase) - blok ADP, pyruvát - stimulace NH4+ Isocitrát DH - regulace (NADH) Obecně zřejmě thioredoxiny! 3. Transport elektronů v dýchacím řetězci využití energie elektronů (z redukovaných koenzymů) pro vytvoření gradientu protonů (a následně syntézu ATP) využití energie gradientu protonů Pavlová L.: Fyziologie rostlin. 2006. Mobilní přenašeče elektronů: ubichinon (= koenzym Q10) + cytochrom c Transport elektronů v dýchacím řetězci Komplex I: přímý přenos protonů (asi 4H+ na 2 elektrony) oxidace NADH - redukce UQ (vznik UQH2 – redukovaný ubichinon) Pavlová L.: Fyziologie rostlin. 2006. Transport elektronů v dýchacím řetězci Komplex II oxidace sukcinátu na fumarát přímo na komplexu II, přenos přes FADH2 - redukce UQ Pavlová L.: Fyziologie rostlin. 2006. Transport elektronů v dýchacím řetězci snižuje gradient protonů! Komplex III: (cytochromový bc1) oxidace UQH2 - redukce UQ - redukce cytochromu c uvolnění (přenos) H+ Pavlová L.: Fyziologie rostlin. 2006. - společný původ s b6f cytochromovým komplexem chloroplastů - stejný mechanismus - chinonový cyklus na dimeru komplexu III Transport elektronů v dýchacím řetězci tvorba gradientu H+ 4H+ + O2 2H2O 4 Komplex IV cytochromoxidáza oxidace cyt c - redukce O2 spotřeba H+ +přímý přenos H+ ATP syntáza: využití gradientu protonů k fosforylaci ATP, transport do cytoplasmy – antiportem ATP/ADP 4H+ + O2 2H2O 4 Pavlová L.: Fyziologie rostlin. 2006. NADH + H+ 2,5 ATP ; FADH2 1,5 ATP 3-5 H+ 1 ATP dle počtu c-podjednotek „Bezpečnostní ventily“ dýchání - kromě komplexů (I – V) jsou na membráně i další oxidující proteiny - jemná regulace jejich aktivity! Inhibitory: rotenon, antimycin A, kyanid UPC „nefosforylující“ NAD(P)H dehydrogenázy alternativní oxidáza +uncoupling protein (UCP) „Bezpečnostní ventily“ dýchání - oxidace s omezenou produkcí ATP (= tvorba tepla) Funkce: Udržování rovnováhy: UQ/UQH2, NAD(P)+/NAD(P)H, ADP/ATP Udržování metabolického běhu - fotorespirace, Krebsův cyklus (tvorba tepla) oxidace NADH „nefosforylující“ NAD(P)H dehydrogenázy (NAD(P)H – UQ) = bypass komplexu I oxidace UQH2 alternativní oxidáza (UQH2 – kyslík) = bypass komplexu III a IV „zkratování“ protonového gradientu uncoupling protein (UCP) = bypass ATP syntázy (komplexu V) Tvorba tepla Funkce alternativní oxidázy a speciálních NAD(P)H dehydrogenáz - aktivace za stresu, i vývojově (AOX x UCP) - ochrana před overedukcí UQ, vznikem ROS, blokem TCA? Vnější faktory ovlivňující rychlost dýchání Kyslík – konečný akceptor elektronů – za normálních podmínek nebývá limitující CO2 – inhibuje respiraci (skladování ovoce a zeleniny v atmosféře s CO2) Teplota – zvyšuje výrazně rychlost dýchání (teplé noci v tropech snižují výnosy, nutnost skladování ovoce a zeleniny v chladu) Světlo – inhibuje respiraci v buňkách s chloroplasty OPPP – oxidativní pentózofosfátová dráha (cyklus) (oxidative pentose phosphate pathway) - dvojstupňová oxidace glukózy (G6P) spojená s dekarboxylací (C6→C5) - energeticky bohaté elektrony (nízkopotenciálové) přeneseny na NADP+ - využití v anabolických drahách (např. mastné kyseliny) OPPP – oxidativní pentózofosfátová dráha - především anabolická dráha (propojení s glykolýzou C6, C3) - redukce NADP+ (syntézy např. mastných kyselin, uvolnění CO2 - zdroj uhlíkových skeletů pro biosyntézy - v cytoplasmě a v plastidech (především v noci) - rekonstituce C6 – částečně společné reakce s Calvinovým cyklem Glukoneogeneze – štěpení tuků a syntéza sacharózy (klíčení) (1) -oxidace, (2) glyoxylátový cyklus, (3) glukoneogeneze - rozšířený (modifikovaný) Krebsův cyklus - glyoxylát dle současné představy není součástí cyklu (změna názvu cyklu?) (3) glukoneogeneze -oxidace Malát syntáza Sumárně: vytvoření C3 cukru ze dvou C2 (2 Ac-KoA) Isocitrát lyáza