Přednáška 6: Respirace u rostlin

Transkript

1 Přednáška 6: Respirace u rostlin co vás v s dnes čeká: Co rostliny získávají respirací Procesy respirace: glykolýza Krebsův cyklus dýchací řetězec oxidativní fosforylace faktory ovlivňující rychlost respirace Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

2 Respirace energie uložená v sacharidech je v procesech respirace řízeně využívána k tvorbě látek obecně využitelných v dalších metabolických procesech vznik ATP a redukční síly NADH vnějším projevem respirace je spotřeba O 2 uvolňování CO 2 vznik H 2 O Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

3 Energetické procesy organismů: heterotrofních pouze respirace autotrotrofních FOTOSYNTÉZA (chloroplasty) - RESPIRACE (mitochondrie) RESPIRACE FOTOSYNTÉZA

4 Proč rostliny dýchají, když energii získávají ve fotosyntéze? 1. Rostliny rostou (žijí) i v noci 2. Rostliny mají pletiva a orgány, které nefotosyntetizují 3. Dýchání a metabolismus s ním spřažený je zdrojem látek pro syntézu mnoha dalších sloučenin Co rostliny dýcháním získávají? - metabolickou energii ve formě ATP - redukovaný koenzym NADH - metabolity pro buněčné syntézy - tepelnou energii Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

5 Dýchání probíhá SOUČASNĚ s fotosyntézou i v zelných fotosyntetizujících buňkách!...ale v buňkách obsahujících chloroplasty je na světle dýchání inhibováno jen na cca 30% Význam: - dýchání vytváří - uhlíkové skelety (např. pro asimilaci N) - ATP pro syntézu sacharózy - dýchání na světle disipuje (alternativní oxidázou) přebytek redukovaných koenzymů (např. NADH vznikající při oxidaci glycinu (při fotorespiraci) vstupuje do dýchacího řetězce) Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

6 mitochondrie semiautonomní organela kruhová molekula DNA 200 kb 2600 kb v meristémech polyploidní mezimembránový prostor vnější membrána vnitřní membrána matrix kristy Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

7 vnější membrána propustná do 10kDa (projde většina buněčných metabolitů, iontů, NE proteiny) CYTOSOL ph7.0 pyruvát OH - vnnitřní membrána tvoří osmotickou bariéru (ionty a osmot. aktivní metabolity nemohou difundovat) obsahuje následující funkční složky: 1) komplexy elektrontransportního řetězce 2) ATP syntázu MATRIX ph8.0 P i - OH - ADP ATP citrát malát 3) membránové přenašeče podle Taiz and Zeiger malát P i 2- Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

8 složky dýchání: základní schéma procesů respirace Glykolýza Krebsův cyklus Dýchací řetězec Pentózofosfátový cyklus FOSFORYLACE ADP ATP 1. substrátová 2. oxidativní...podle finálního akceptoru Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

9 cesta energie z chloroplastu primární fáze fotosyntézy sekundární fáze fotosyntézy sacharidy respirace glykolýza Krebsův cyklus řetězec transportující elektron Pavlová, 2006

10 cesta energie z chloroplastu primární fáze fotosyntézy sekundární fáze fotosyntézy sacharidy respirace glykolýza Krebsův cyklus řetězec transportující elektron glycerátový člunek Pavlová, 2006

11 GLYKOLÝZA - probíhá v cytoplazmě od glukózy k pyruvátu -univerzální dráha pro rostlinnou i živočišnou buňku -ALE...rostliny mají různé alternativní cesty (PEP, malát), odlišná regulace -u rostlin je nejběžnějším transportním sacharidem SACHARÓZA (ne glukóza) Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

12 vznik trióz vstupujících do glykolýzy Pavlová, 2006

13 glykolýza (aerobní) Pavlová, 2006

14 Energetický zisk: 2 ATP (2x substrátová fosforylace) (na 1 glukózu) 2 NADH - aby mohla běžet oxidace glyceraldehyd-3-p, je potřeba regenerovat koenzym NAD + - nutno odstraňovat pyruvát a oxidovat NADH (v Krebsově cyklu a během oxidativní fosforylace) fermentace při nedostatku kyslíku: Anoxygenní glykolýza: pyruvát laktát pyruvát etanol Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

15 anaerobní glykolýza mléčné kvašení (fermentace)

16 anaerobní glykolýza alkoholové kvašení (fermentace)

17 V hypoxických (anoxických) podmínkách jsou rostliny schopny dál metabolizovat pyruvát na laktát nebo ethanol a regenerovat NAD + např. kukuřice při hypoxii nejprve mléčné kvašení, pak alkoholové...proč?...ethanol může volně difundovat z buňky, zatímco laktát způsobuje okyselení cytosolu

18 Struktura intermediátů glykolýzy

19 PENTÓZO ZO-FOSFÁTOVÝ CYKLUS zisk redukční síly NADPH

20 PENTÓZO ZO-FOSFÁTOVÝ CYKLUS oxidace a dekarboxylace glukózy počátek pentózového cyklu zisk redukční síly NADPH cyklus může vést k regeneraci hexóz oxidace hydrolýza oxidativní dekarboxylace

21 KREBSŮV V CYKLUS (CITRÁTOV TOVÝ C.) - v matrix mitochondrií (od pyruvátu po CO2 a redukované koenzymy NADH a FADH2) Energetický zisk: (na 1 pyruvát) 4 NADH 1 FADH2 1 ATP Koenzymy jako přenašeče redukční síly

22 Krebsův cyklus vznik acetylkoa oxidativní dekarboxylace vznik NADH důležitý regulační bod inhibiční efekt ATP

23 Krebsův cyklus vznik α-ketoglutarátu oxidativní dekarboxylace vznik NADH

24 Krebsův cyklus vznik sukcinylkoa oxidativní dekarboxylace vznik NADH

25 Krebsův cyklus vznik ATP substrátovou fosforylací

26 Krebsův cyklus oxidace vznik FADH 2 vznik fumarátu a hydratace na malát

27 Krebsův cyklus oxidace malátu na oxalacetát vznik NADH uzavření cyklu

28 Krebsův cyklus propojení s glykolýzou přes fosfoenolpyruvát oxalacetát nebo malát malát oxidace nebo oxidativní dekarboxylace

29 při glykolýze a v Krebsově cyklu vznikají produkty důležité pro další metabolické dráhy

30 DÝCHACÍŘETĚZEC využití energie elektronů pro vytvoření gradientu protonů (pmf)

31 DÝCHACÍŘETĚZEC PROTEINOVÉ KOMPLEXY I.-IV. IV. - přenos elektronů v dýchacím řetězci z redukovaných koenzymů na kyslík - 4 proteinové komplexy vázané na vnitřní mitochondriální membráně - ATP syntáza - mobilní přenašeče elektronů: ubichinon (hydrofobní 2e - ) cytochrom c (malý potein, nese 1e - ) KOMPLEX I.: NADH dehydrogenáza, obsahuje FMN a FeS centra oxiduje NADH vzniklý v Krebs. cyklu uvolňuje protony do mezimembránového prostoru elektrony předává na UBICHINON KOMPLEX II.: KOMPLEX II.: sukcinátdehydrogenáza, oxiduje sukcinát (jantaran) na fumarát za současné redukce FAD+ na FADH2 elektrony předává na UBICHINON nepodílí přímo na vzniku protonového gradientu

32 DÝCHACÍŘETĚZEC PROTEINOVÉ KOMPLEXY I.-IV. IV. KOMPLEX I.: NADH dehydrogenáza, obsahuje FMN a FeS centra oxiduje NADH vzniklý v Krebs. cyklu uvolňuje protony do mezimembránového prostoru elektrony předává na UBICHINON KOMPLEX II.: sukcinátdehydrogenáza, oxiduje sukcinát (jantaran) na fumarát za současné redukce FAD+ na FADH2 elektrony předává na UBICHINON nepodílí přímo na vzniku protonového gradientu KOMPLEX III.: cytochromový komplex, dva cytochromy typu b, jeden cytochrom c1, protein se strukturou Fe-S Q cyklus a významně přispívá ke vzniku protonového gradientu elektrony předává na mobilní cytochrom c KOMPLEX IV.: KOMPLEX IV.: v komplexu vázány 3 atomy Cu, cytochromy typu a, které se podílejí na přenosu elektronu, a atom Zn přijímá elektrony od cytochomu c na povrchu vnitřní membrány mitochondrie ze strany mezimembránového prostoru a přenáší je na kyslík na straně matrix

33 transport elektronu v dýchacím řetězci lipidová dvouvrstva vnitřní membrány mitochondrie je nepropustná pro protony!! komplex I přenos 2H + vznik UQH 2 (redukovaný ubichinon)

34 transport elektronu v dýchacím řetězci lipidová dvouvrstva vnitřní membrány mitochondrie je nepropustná pro protony!! komplex II vznik UQH 2 (redukovaný ubichinon)

35 transport elektronu v dýchacím řetězci lipidová dvouvrstva vnitřní membrány mitochondrie je nepropustná pro protony!! komplex III cytochromový přenos 4H +

36 transport elektronu v dýchacím řetězci lipidová dvouvrstva vnitřní membrány mitochondrie je nepropustná pro protony!! komplex IV cytochromoxidáza přenos elektronu na kyslík přenos nh +

37 transport elektronu v dýchacím řetězci lipidová dvouvrstva vnitřní membrány mitochondrie je nepropustná pro protony!! vznik pmf vznik pmf vznik pmf využití pmf syntéza ATP

38 mitochondriáln lní ATPsyntáza..nejmenší rotační motor na světě

39 transport elektronu v dýchacím řetězci lipidová dvouvrstva vnitřní membrány mitochondrie je nepropustná pro protony!! antiport ATP/ADP

40 DALŠÍ ROSTLINNÉ ALTERNATIVNÍ ELEKTRONTRANSPORTNÍ KOMPLEXY Rotenon-necitliv necitlivé NAD(P)H dehydrogenázy - bypass komplexu I schopnost oxidovat i NADH (a také NADPH pocházející z oxidačních reakcí pentózového cyklu) -vzniká redukovaný UQH2, ale netvoří se H+ gradient Alternativní oxidáza bypass komplexu III a IV oxidace UQH2 -vznik H2O a tepla dýchání rezistentní ke kyanidu (cytochromové komplexy III. IV. jsou inhibovány kyanidem) též se netvoří H+ gradient a Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

41 transport elektronu v dýchacím řetězci lipidová dvouvrstva vnitřní membrány mitochondrie je nepropustná pro protony!! vznik UQH 2 z vnějšího NADH

42 transport elektronu v dýchacím řetězci lipidová dvouvrstva vnitřní membrány mitochondrie je nepropustná pro protony!! alternativní oxidáza vznik H 2 O a tepla

43 Funkce alternativní oxidázy a speciáln lních NAD(P)H dehydrogenáz oxidace s malou (1/3) produkcí ATP (+ tvorba tepla) Udržování rovnováhy: UQ/UQH2, NAD/NADH, ADP/ATP, Udržování metabolického běhu (Krebsova cyklu): C-skelety pro biosyntézy

44 sušina respirace škrob árón Dioscoridův (Arum dioscoridis) toulec v horní části palice jsou květy samčí v dolní samičí Arum dioscoridis

45 rostliny dýchají stále v noci i ve dne (ve tmě i na světle) dýchání růstové dýchání udržovac ovací (přeměna sacharidů na složky rostliny) úměrné produkci asimilátů (ztráta cca 25 % hrubé produkce PG) - vysoké u klíčících embryií a klíčních rostlin udržování struktur ( bazální metabolismus ) - úměrné hmotnosti bílkovin (u bylin i sušiny) - na udržování živých struktur rostlina denně prodýchá 1% až 2% hmotnosti své biomasy (platí pro byliny) - s růstem a diferenciací stoupá dýchání klimakterické při zrání plodů (jablka, avokádo, banány) dýcháním se snižuje suchá hmotnost rostliny

46 Další vyuv yužítí energie uvolněné dýcháním Transport (vstup, opětovný vstup a výstup z floému) Aktivní příjem minerálních živin (zejména NO -3 ) Asimilace minerálních živin (zabudování do organických sloučenin, zejména redukce nitrátů). rychlost respirace se vyjadřuje jako výdej CO 2 spotřeba O 2 vztažená na jednotku času jednotku hmotnosti (čerstvá, suchá)

47 vnější faktory ovlivňující dýchání kyslík konečný akceptor elektronu ve vzduchu 21% (objemových) ve vodě 265 mm za normálních podmínek nebývá limitující evoluční adaptace aerenchym v kořenech mokřadních rostlin rhizom Acorus calamus Pazourek J., Votrubová O.: Atlas of Plant Anatomy. PERES Publ. 1997

48 vnější faktory ovlivňující dýchání kyslík konečný akceptor elektronu evoluční adaptace aerenchym v kořenech mokřadních rostlin báze O 2 Omezení pasivního vstupu látek ze substrátu Snížení radiálních ztrát kyslíku Kořen rákosu Sudan Red 7B Převzato od A. Soukupa a O. Votrubové, PřF UK

49 vnější faktory ovlivňující dýchání kyslík konečný akceptor elektronu evoluční adaptace pneumatofory vzdušné kořeny mangrovů

50 vnější faktory ovlivňující dýchání kyslík konečný akceptor elektronu evoluční adaptace pneumatofory vzdušné kořeny mangrovů mangrovy Rhizophora stylosa

51 vnější faktory ovlivňující dýchání teplota zvyšuje výrazně rychlost dýchání hospodářské efekty teplé noci v tropech snižování výnosů skladování ovoce a zeleniny CO 2 inhibuje respiraci praktické využití při skladování ovoce a zeleniny

52 převzato z přednášky Dr. Fišera