Transcript ATP

Modul: Dýchání - respirace
Glykolýza
Cytosolické a plastidové procesy
Cyklus kyseliny citrónové
Mitochondriální elektronový transport a syntéza ATP
Metabolismus lipidů
Inovace studia botaniky prostřednictvím e-learningu
CZ.1.07/2.2.00/07.0004
Dýchání – Respirace
Mnohastupňový oxido-redukční proces
– přijímaným kyslíkem se oxidují energeticky bohaté organické sloučeniny na CO2
a vodu (výdej do prostředí)
-uvolněná energie v podobě ATP je využívána k tvorbě látek využitelných v dalších
metabolických procesech
- probíhá ve všech orgánech na světle i ve tmě.
- ve fotosyntetizujících pletivech je část energie ze sekundárních pochodů
fotosyntézy přímo převáděna do metabolických cyklů. (ATP z fotofosforylace je
spotřebováno pouze v chloroplastech)
-v heterotrofních orgánech a za tmy je energie dodávána pouze respirací.
Výchozí sloučeniny (respirační substráty) – sacharidy – glukosa, sacharosa, škrob
nebo látky od nich odvozené - tuky a zásobní bílkoviny.
Zásoby, floémový
transport
Cytosol
škrob
Sacharidy
Hexosa -P
Hexosa -P
Pentoso-P
cyklus
PLASTID
Triosa -P
Triosa -P
CO2
NADPH
zásoba
Mitochondrie
Organické
kyseliny
Citrát.
cyklus
Fotosyntéza
NADPH
Anaerobní glykolysa
Zisk respirace
– metabolická energie v podobě ATP
- redukční potenciál v podobě redukovaných
koenzymů – dehydrogenas
(NADH2,NADPH2,FADH2)
- meziprodukty k různým buněčným syntézám
- tepelnou energii
ATP – hlavní produkt respirace
vzniká
- substrátovou fosforylací v glykolyse a v Krebsově cyklu
- oxidační fosforylací v mitochondriích
Pentosofosfátový cyklus
- „obrácený Calvinův cyklus“ - probíhá v cytoplasmě a plastidech
- začíná oxidací glukosa – 6 – fosfátu
- meziprodukty jsou využívány k buněčným syntézám, tvorba glyceraldehyd-3fosfátu
- vznik 2NADPH + H+, které mohou být využity v respiračním řetězci
- ATP se zde substrátovou fosforylací netvoří
Etapy respirace
Mitochondrie
Cytoplasma
– dekarboxylace pyruvátu a
vznik acetyl koenzymu A
Glykolýsa
- Krebsův cyklus
Pentosový cyklus
- respirační řetězec
- oxidační fosforylace
Glyoxysomy - u rostlin
- enzymy oxidace
mastných kyselin
- Glyoxalátový cyklus
- fotorespirace
- oxidace mastných kyselin
(odbourání tuků) u živočichů
Mitochondrie
- Různého tvaru nejč. elipsovitý, rozdílný tvar mezi druhy, pletivy i v buňce.
- Velikost cca 0,1-10 µm
Počet 10 – 200000
- V anaerobních buňkách chybí
- Shlukují se do míst spotřeby energie
- Mají vlastní DNA , fúzují a dělí se
Dvoumembránová stavba – kompartmentace dějů
Vnější je hladká - volně propustná, proteiny umožňující volnou difúzi mol.do 10kD
(poriny)
Vnitřní zvrásnělá - tvoří kristy (zvětšení plochy )
- selektivní (CO2,H2O, O2); transportní proteiny (75%), které kontrolují
průchod metabolitů a jiných látek. Stopkatá tělíska ATP syntásy.
Matrix vnitřní hmota mitochondrie.
Mezimemránový prostor
Vnější
membána
Vnitřní
membrána
Matrix
Kristy
Glykolysa
Fosforylace glukosy řadou kroků na PEP a dále na malát nebo pyruvát.
Malát – konečný produkt glykolysy u většiny rostlin (u živočišných buněk pouze
pyruvát) a je hlavním substrátem mitochondrií .
1 GLUKOSA oxiduje a dává vznik 2 MALÁTU
Nevzniká ATP ani NADH – spotřeba při redukci oxalacetátu na
malát
1 GLUKOSA - oxidace vznik 2 PYRUVÁTU = 2ATP, 2 NADH+H
Tvorba glykolytických meziproduktů jako výchozích surovin dalších
buněčných syntéz.
Např.
- glyceraldehyd fosfát – glycerolfosfát – glycerol = syntéza tuků
- aminace pyruvátu = alanin
Glykolysa- vznik triosa fosfátů – dihydroxy aceton-P a glyceraldehyd-3-P
Plastid
Sacharosa
Fruktosa
Škrob
Glukosa
ATP
Fotosyntéza
Hexokinasy
ADP
Triosa fosfáty
Fruktosa6-P
Glukosa-6-P
Hexosa-P-isomerasy
Pi
Glycerátový
člunek
ATP
PPi fosfofruktokinasa
ATP - fosfofruktokinasa
ADP
PPi
Fruktoso-1,6-bifosfát
Aldolasa
Triosafosfát
isomerů
Glyceraldehyd-P
1,3 - P -glycerát
NAD
NADH
ADP
O
O
ATP
C
3-P-glycerát
Fosfoglycerát
kinasa
Pi
Glyceraldehyd-3P
dehydrogenasa
H2CO
2-P-glycerát
Krebsův cyklus
Mitochondrie
NAD
Pi
Oxaloacetát
Pyruvát
ATP
ADP
O
C
CH
O
CH2
C
O
OH
Pyruvát kinasa
O
O
C
C
O
O
CH2
C
O
Enolasa
Fosfoenolpyruvát
HCO3
Malát
dehydrogenasa
O
H2O
PEP
karboxylasa
NADH
Malát
H C OH
P
Glykolysa - probíhá jen pokud je NADH+ + H+ regenerováno na NAD+.
Při dostatku kyslíku - tato regenerace probíhá v dýchacím řetězci za vzniku
H2O a elektrochemického protonového gradientu mezi mezimembránovým
prostorem a vnitřním prostorem mitochondrie.
Při nedostatku kyslíku - se akceptorem H+ při regeneraci stává kyselina
pyrohroznová ( pyruvát), ze které její redukcí vznikají sloučeniny hromadící
se v buňce – etanol nebo laktát.
Na anaerobní glykolysu nenavazuje Krebsův cyklus. Pouze tzv. fermentační
reakce.
Pyruvát
Fermentační reakce
Anaerobní glykolysa
CO
2
Pyruvát dekarboxylasa
O
Laktát dehydrogenasa
NADH+H
NAD+
CH
Acetaldehyd
CH3
NAD+
NADH+H
Alkohol dehydrogenasa
Etylalkohol
CH2OH
CH3
Laktát
O
O
C
HCOH
CH3
Tvorba malátu
1) v cytosolu je PEP karboxylován fosfoenolpyruvátkarboxylasou na oxalacetát
oxidace malátdehydrogenasou za vzniku malátu, který je transportován do
matrix. Uchování a regulace organických kyselin rostliny řeší jejich
uchováním ve vakuole (nejen CAM rostliny).
2) v matrix oxidován jablečným enzymem za vzniku pyruvátu a CO2
oxidativní dekarboxylace
Tento enzym se vyskytuje v matrix mitochondrií pouze u rostlin.
Pyruvát tvořený z malátu vstupuje do reakcí, tvorba acetyl CoA a vstup do
Krebsova cyklu.
V Krebsově cyklu odbourávání posledních 2C pyruvátu ve formě CO2 a tvorbě 4
redukovaných koenzymů. V jedné z reakcí vzniká ATP (GTP).
Pyruvát v mitochondriích
dekarboxylace pyruvátu a tvorba acetyl-CoA
Pyruvát dehydrogenásový multienzymový komplex
TTP – thiamin pyrofosfát
amid kyseliny lipoové
HS – CoA
flavoprotein s FAD pro přenos 2H a reaktivaci kyseliny lipoové
•
aktivovaná kyselina octová = vstup do Krebsova cyklu
Transport malátu a pyruvátu z cytoplasmy do mitochondrií
Jedná se o transport přes vnitřní membránu mitochondrií.
Pyruvátový transporter – výměna za hydroxylové ionty
Dikarboxylátový transporter – malát , sukcinát za ionty Pi
Fosfoenolpyruvát
HCO3
AD
P
Pyruvát
CO
NAD
H
2
AT
P
NAD
+
NADH
AcetylCoA
CO2
Jablečný
enzym
Oxaloacetát
O
Citrát z
cytosolu
H3C C-CoA
Oxaloacetát
Malát
dehydrogenasa
O
O
NADH
NADH
C
NAD
+
Citrát
C
NAD+
O
CH2
Malát
dehydrogenasa
Malát z
cytosolu
O
CH
O
CH2
O
O
C
O
Krebsůvcyklus
C
O
OH
C
O
O
C
O
O
C
O
Malát
Cytosol
Pyruvát
dehydrogenasový
komplex
NAD
+
PEP
karboxylasa
Malát
KoA
Pyruvát
Mitochondrie
CH2
C
OH
CH2
C
O
Krebsův
cyklus
AcetylCoA
KoA
Oxaloacetát
Citrátsyntasa
NADH
Citrát
O
O
NAD+
O
C
H
H
C
C
O
Malát
dehydrogenasa
Malát
C
O
Fumarát
Isocitrát
dehydrogensa
Sukcinát
dehydrogenasa
Sukcinát
C
O
CH2
CH2
C
AT
P
O
OH
OH
NAD
+
NADH
H
NAD+
SukcinylCoA
NADH
O
O
C
CH2
CH2
C
O
CoA
O
C
CO2
AD
P
CO2
O
KoA
O
C
2-Oxoglutarát
2-oxoglut.
dehydrogenasa
SukcinylCoA
syntasa
O
O
C
Krebsův cyklus
O
FAD+
O
H
C
Isocitrát
Fumarasa
FADH
CH2
O
Akonitasa
O
C
C
O
CH2
C
CH2
H
O
C
O
Respirační řetězec – elektronový transportní řetězec, umístěný na vnitřní
mitochondriální membráně. Oxidace redukovaných koenzymů.
-
Transport elektronů z redukovaných koenzymů respiračním řetězcem ke
kyslíku za vzniku H2O.
-
Vylučování protonů z vnitřní strany membrány (matrix) do
mezimembránového prostoru mitochondrií.
-
Vznik transmembránového gradientu protonů, se kterým souvisí syntéza
ATP v bílkovinném komplexu ATP syntasa (komplex podobný jako v
chloroplastech)
Přenos elektronů - zajišťují čtyři hlavní komplexy integrálních polypeptidů
a další složky respiračního řetězce jako ubichinon (koenzym Q),
cytochrom c, AOX.
Komplex I.
- vstup elektronů z redukovaných koenzymů NADH + H+ které vznikají v
Krebsově cyklu do dýchacího řetězce.
- prvním místem vylučování protonů H+ z matrix do mezimembránového
prostoru
- přenos elektronů na přenašeč koenzym Q
přenašeč koenzym Q – (ubichinon ; ubihydrochinon) příjmá elektrony z
komplexu II. Není pevně vázán na membránu - „putuje“.
- přenos elektronů z NAD(P)H+H+ vzniklých v glykolyse a v
pentosofosfátovém cyklu z vnější strany membrány (cytosolu) i z matrix.
Pro rostliny specifické přenašeče elek. tzv. externí a interní NAD(P)H
dehydrogenasy, které přijímají el. produkované v cytosolu nebo matrix a
přenáší je na CoQ.
Komplex II. – spřažen se sukcinát dehydrogenasou – jediný enzym
Krebsova cyklu, který je vázaný na membránu.
- produkuje redukovanou formu FADH2 předává elektrony z komplexu II.
na koenzym Q.
Komplex III. – (cytochrom BC1) dochází v něm k oxidaci a redukci CoQ
- zprostředkovává přenos elektronů z redukovaného CoQH2 na
- Cytochrom c = periferní protein - transportuje e- z III. ke komplexu IV.
Komplex III. Je zároveň dalším místem vylučování 4 H+
mezimembránového prostoru mitochondrií.
do
Komplex IV. – (cytochrom oxidasa) - terminální oxidasa cytochromové cesty
- obsahuje dvě centra obsahující Cu a+b a dva cytochromy a + a3
- přijímá elektrony z Cytochromu c a přenáší je na konečný akceptor
kyslík za vzniku H2O
- třetím místem vylučování protonů (2H+).
Zpětný pohyb protonů komplexem ATPsyntasy je spojen s tvorbou ATP
( oxidativní fosforylace).
Mezimembránový prostor
4H
4H
NADHP+H
NADP+
NADH+H
NAD+
3H
Dehydrogenasa
Cyt C
e-
e-
Fo
Komlex I
NADH
dehydrogenasa
e-
e-
Koenzym Q
e-
e-
NADH+H
NAD+
Komlex III
Cytochromový
komplex
e-
Komlex IV
Cytochrom
Oxidasa
AOX
NAD+
O2
FADH+H
FAD+
Komlex V
ATP syntasa
e-
Komlex II
Sukcinát
Dehydrogen.
dehydrogenasa
NADH+H
2H
O2
H 2O
H 2O
F1
3H
Matrix
ADP
Pi
ATP
ATP syntasa
– je integrální multipodjednotkový
transmembránový protein, který funguje jako přenašeč
protonů vnitřní membránou mitochondrií. ATP syntasa je
složena ze dvou jednotek. F1 je vnější jednotkou, která
katalyzuje syntézu ATP. Fo je jednotka tzv.oligomycin
citlivá, nerozpustná ve vodě. Obě lze od sebe oddělit
močovinou.
Jednotka F1 je otáčivá a na základě protonmotivní síly.
Obsahuje tři reaktivní centra-protomery, ve kterých
dochází vlivem uvolněné energie k navázání ADP+Pi ,
tvorbě ATP a uvolnění ATP do matrix.
Točivý pohyb je zajišťován průchodem protonů (H+) při
navázání na karboxylovou skupinu v jednotce Fo.
Respirace rezistentní ke kyanidu
Kyanid (a další látky) u mnoha pletiv působí jako inhibitory cytochromové cesty
přenosu elektronů.
• Existence AOX (alternativní oxidasa), enzym je umístěný na vnitřní
membráně mitochondrií a je specifický pouze pro některé rostliny. Je
rezistentní vůči kyanidu a dalším inhibitorům respiračního řetězce
(komplexy III. a IV.)
•
Tvoří alternativní cestu přenosu elektronů na kyslík.
•
AOX naváže elektrony na úrovni koenzymu Q a vynechá blokovaný
Cytochrom c.
• Nedochází k vylučování protonů z komplexu III. a IV. Tvorba jen ½ ATP.
Fyziologický význam nejasný – známe pouze:
1) zvýšení teploty v toulci Araceae (zvýšení teploty až o 10°C)
2)Vyzrávání semen (Fraxinus exelsior)
3) Uvolnění přebytečné respirační energie – kdy může dál probíhat aerobní
glykolysa, pentosový cyklus a Krebsův cyklus a využívá se produkce mnoha
důležitých intermediátů.
Tvorba ATP
Substrátová fosforylace – probíhá v glykolyse a K-cyklu při enzymatických
hydrolýzách 1,3-fosfoglycerátu, PEP, sukcinylCoA
Při těchto reakcích dochází k uvolnění energie na fosforylaci ADP a navázání Pi
- nižší produkce ATP
Oxidační fosforylace – využití membránového gradientu z přenosu protonů do
mezimembránového prostoru – využití protonmotorické síly H+ k pohánění
ATPsyntasy.
Na 1 glukosu vzniká 36-38 ATP v celém dýchacím procesu.
Export ATP z mitochondrií – přenos pomocí proteinových přenašečů
lokalizovaných ve vnitřní mitochondriální membráně.
Výměna některých substrátů přes vnitřní mitochondriální membánu
pomocí transportních proteinů
Dikarboxylický transportér – umožňuje výměnu dikarboxylových kyselin
jako např. malátu, sukcinátu za anorganický fosfát potřebný při tvorbě ATP.
Trikarboxylický transportér – umožňuje výměnu citrátu za malát nebo
sukcinát.
Adenin nukleotidový translokátor – dimerní protein s jedním vazebným
místem. Umožňuje kompetitivní výměnu ADP3- z cytosolu za ATP4- z matrix
mitochondrie na základě elektrogenního antiportu poháněného rozdílem
membránového potenciálu.
Fosfátový a pyruvátový nosič – poháněný rozdílným pH matrix a
cytosolu, které vytváří transmembránový protonový gradient.
Mitochondrie
H+
H+
Pyruvátový
přenašeč
H+
H+
H+
Fo
Fosfátový
přenašeč
Pyr-
F1
ADP3-
H+
ATP4-
H+
OH-
H+
PiKrebsův cyklus
H+
H+
VI.
FADH+H
Matrix pH 8,0
III.
4 NADH+H
II.
H+
OH-
H+
I.
Pi2Malát2H+
Malát2-
ATP4H+
Citrát2-
Cytosol pH 7,5
ADP3Adenin nukleotidový
přenašeč
H+
Trikarboxylátový
přenašeč
Dikarboxylátový
přenašeč
Amfibolické funkce citrátového cyklu a glykolýzy
- Katabolické - odbourávání CO2
-
Anabolické – využití meziproduktů v dalších syntézách
-anaplerotické reakce – doplňování produktů do Krebsova cyklu
malát, ( PEP)
sukcinyl CoA (odbourávání MK s lichým počtem C)
2-oxoglutarát, oxaloacetát ( z AK)
-kataplerotické reakce – využití meziproduktů Krebsova cyklu k jiným
syntézám
biosyntéza MK (A-CoA)
biosyntéza AK (z oxaloacetátu, 2-oxoglutarátu)
porfirínové skelety (sukcinyl CoA)
Sacharosa
Nukleové kyseliny
ATP, ADP
NAD
NADP, FMN
Cytokininy
IAA
Nukleotidy
Fenylalanin
Tyrosin
Tryptofan
Pentosofosfáty
Alkaloidy
Flavonoidy
Proteiny
Hexosafosfáty
Celulosa
Glaceraldehyd3-P
Kys. šikimátová
Glycerol-3-P
PEP
Alanin
Lipidy
Pyruvát
Acetyl CoA
Asparát
Oxaloacetát
Dihydroxy aceton-P
Mastné kyseliny
Citrát
Karotenoidy
Gibereliny
ABA
Krebsův
cyklus
2-Oxoglutarát
Tvorba významných
meziproduktů v respiraci
Proteiny
SukcinylCoA
Glutamát
Porfirínové skelety
Chlorofyly
Fytochromy
Cytochromy
Am.kyseliny
Glyoxalátový cyklus (anaplerotická reakce)
-
u rostlin, plísní a bakterií
-
Obsahují enzymy, které katalyzují konverzi A-CoA na oxaloacetát.
Glyoxalátový cyklus obsahuje některé enzymy Krebsova cyklu
(isocitrátlyasa,malátsyntasa – přítomné pouze u rostlin)
-
v olejových tělískách, glyoxyzomech, mitochondriích, cytosolu
-
2 mol. A-CoA, který je produkovaný v β- oxidaci mastných kyselin se
metabolizuje na sukcinát dále malát nebo oxaloacetát v cytosolu, což je
cesta tzv. glukoneogeneze = kdy z mastných kyselin se tvoří sacharidy,
které jsou využity pro počáteční růst a vývoj klíčních rostlin.
-
využití triacylglycerátů u klíčních rostlin (Helianthus annuus, Ricinus
communis, atd.)
Glukosa
Tuková tělíska
ACoA carboxylasa
Glyoxysom
CoA
Mastné kyseliny
Triacylglyceroly
Lipasa
ACoA
Hexosy
NAD+
AMP
ATP
Oxalacetát
NADH+H
NADH+H
ACoA
PEP
CO2
CoA
ADP
CoA
Isocitrát
Malát syntasa
n ACoA
Oxaloacetát
NADH+H
Citrát
Glyox. cyklus
Malát
PEP karboxykinasa
ATP
NAD+
β-oxidace MK
Isocitrát lyasa
Glyoxalát
Sukcinát
Malát dehydrogenasa
NAD+
Mitochondrie
Malát
Malát
Fumarát
H 2O
FADH+H
Sukcinát
FAD+
Faktory ovlivňující rychlost respirace
Vnitřní faktory – regulace rostlinné transpirace
Některé substráty respirace stimulují enzymy v dřívějších krocích respirace.
Naopak kumulace některých produktů respirace tyto reakce inhibuje.
Např. vysoký poměr ATP/ADP inhibuje glykolytické enzymy, přenos elektronů
v respiračním řetězci = celou respiraci.
NADH+H+ inhibují některé fáze Krebsova cyklu.
PEP inhibuje počáteční reakce glykolýzy
Fruktoso-6-P
Fruktoso-1,6-P
PEP
Pyruvát
A-CoA
Oxaloac.
Malát
Citrát
KC
Isocitrát
2-oxogl.
NADH+H
NAD+
Respirační řetězec
ATP
ADP
Pi
Vnější faktory ovlivňující respiraci
Kyslík – rostliny nemají specifický vazač O2
rozvod - pomocí intercelulár (aerenchym)
- vodné roztoky v xylému a floému
Nedostatek kyslíku výrazně omezuje respiraci!
Plody, bulvy hlízy – kompaktní orgány bez intercelulár
- příjem O2 pomocí difúze.
Teplota - při vyšší teplotě vzrůstá intenzita respirace a projevuje se nedostatek O2
snížením rychlosti difúze a klesá rozpustnost kyslíku ve vodě.
Nedostatek O2 pro aerobní oxidaci se projeví tvorbou produktů anaerobní glykolysy
(ethylalkohol, laktát).
Podzemní orgány – zaplavení půdy nebo její slehnutí = nedostatek O2 pro kořeny
(pomalejší difúzeO2 ve vodě 10000x pomalejší, nižší koncentrace O2 )
Hypoxie – snížené množství O2
Anoxie – prostředí bez O2
(Tisovec dvouřadý – Taxodium distichum) - pneumatofory
Pokles respirace = pokles tvorby ATP v kořenech, potlačení syntézy RNA a bílkovin,
které se projeví sníženým aktivním příjmem živin a vody kořeny. Dlouhodobé
zaplavení neadaptovaných rostlin způsobí jejich usychání a smrt.
Kořeny získávají energii pouze z anaerobní glykolysy, tvorba laktátu snížuje pH
cytosolu buňky, které může způsobit i smrt buňky.
Hromadění ethanolu a laktátu je méně škodlivé než nízká tvorba ATP
anaerobní glykolysa …………..2 ATP na molekulu glukosy
aerobní glykolysa……………..36 ATP
Fyziologický význam respirace
Udržování pletiv a buněk při životě – využití ATP pro tvorbu bílkovin a pro tvorbu
gradientů protonů na membránách
Růst – ATP, NAD(P)H + H+ a respirační meziprodukty pro různé biosyntézy v rostlinách
Transport látek – příjem min. živin kořeny, aktivní transport floémem = spotřeba ATP
Redukce nitrátů – spotřeba NAD(P)H+H+
Redukce sulfátů - v kořenech, spotřeba ATP a NAD(P)H + H+
Modul: Dýchání – respirace.
Glykolýza
Cytosolické a plastidové procesy
Cyklus kyseliny citrónové
Mitochondriální elektronový transport a syntéza ATP
Metabolismus lipidů
Inovace studia botaniky prostřednictvím e-learningu
CZ.1.07/2.2.00/07.0004