Respirace - buněčné dýchání (katabolismus)

Transkript

1 Respirace - buněčné dýchání (katabolismus) Schéma základního energetického metabolismu rostlinné buňky Fotosyntéza Fotochemie Calvinův cyklus Respirace Glykolýza (+ β-oxidace, ) Krebsův cyklus Dýchací řetězec Pentóza-fosfátová dráha (cyklus, OPPP) Transport asimilátů, tvorba a štěpení škrobu

2 Respirace x fotosyntéza oxidace x redukce Redukce za spotřeby NADPH + ATP CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3 oxidace produkující NADH (FADH2) + ATP ATP Respirací (katabolismem) rostliny získávají: - metabolickou energii ve formě ATP (přímo, či oxidativní fosforylací) - redukované koenzymy NAD(P)H pro reakce - metabolity pro buněčné syntézy - tepelnou energii, Respirace pomáhá udržovat rovnováhu - redoxní (NAD+/NADH) - ATP/ADP - řady dalších metabolitů - bezpečná disipace chemické energie, je-li potřeba (omezuje tvorbu ROS)

3 Kdy a které rostlinné buňky respirují? 1. všechny za tmy = zdroj energie (ATP, redukované koenz.) 2. buňky, pletiva a orgány, které nefotosyntetizují = zdroj E 3. dýchání a s ním spřažený metabolismus je zdrojem metabolitů pro anabolické reakce Potřebují fotosynt. buňky respirovat? - dýchání nezbytné i na světle u zelených buněk! - na světle dýchání inhibováno na cca 30% proč nutné? - tvorba uhlíkových skeletů (asimilace N) - regulace, ATP pro cytoplasmu, Respirace - zdroj metabolitů pro anabolické reakce OPPP propojení poolu hexosep a poolu a triosep/pentosep

4 Petóza-P a trióza-p pool - v rovnováze křižovatka katabolických a anabolických drah OPPP G6P hexose-p pool Reakce a strukturní vzorce

5 Schéma základního energetického metabolismu rostlinné buňky Fotosyntéza Fotochemie Calvinův cyklus Respirace Glykolýza (+ β-oxidace, ) Krebsův cyklus Dýchací řetězec Pentóza-fosfátová dráha (cyklus, OPPP) Transport asimilátů, tvorba a štěpení škrobu Metabolity vstupující do katabolismu sacharidy: hexózy: glykolýza, OPPP cytoplasma/plastidy sacharóza: invertáza, sacharózasyntáza ROZDÍL? - cytoplasma (invertáza i v apoplastu)

6 Metabolity vstupující do katabolismu sacharidy: škrob zpřístupnění: fosforylace a defosforylace (plastidy) - částečně degradován i ve vakuole (autofagicky) Metabolity vstupující do katabolismu organické kyseliny - Krebsův cyklus (matrix m.), glykolýza (cytopl.) bílkoviny hydrolýza na amk, deaminace organické kyseliny tuky - hydrolýza lipázou (glycerol a mastné kyseliny) lipid. tělíska glycerol oxidace na glyceraldehyd-3-fosfát (glykolýza) mastné kyseliny β-oxidace (acetyl-coa) glyoxyzómy (perox.), Krebsův cyklus, glyoxylátový cyklus (glukoneogeneze) glyoxyzómy + mitochondrie lipáza triacylglycerol diacylglycerol mastná kyselina

7 Glykolýza - v cytoplasmě a plastidech (od glukózy k pyruvátu) - energie, syntézy V opačném směru = redukční fáze Calvinova cyklu energetický zisk (na 1 glukózu): 2 ATP ( hexóza x hex.p) (substrátová fosforylace) 2 NADH Glykolýza - vysoká flexibilita alternativní enzymy: ATP-PFK (3) PPi-PFK (PFP) Regulace: - PFP zvratná reakce - PEP inhibuje PFK nefosforylující GAPDH (5+6) (NADP dependentní)

8 Glykolýza (a spřažené reakce) - vysoká flexibilita různé osudy PEP (+ PEP fosfatáza: PEP pyruvát bez ATP) Anoxygenní glykolýza limitace kyslíkem kyslík konečný akceptor elektronů v dýchacím řetězci za normálních podmínek nebývá limitující pyruvát laktát pyruvát etanol (při poklesu ph) + alanin, sukcinát, GABA, (větvené amk) nutno oxidovat NADH, aby mohla běžet oxidace glyceraldehyd-3-p, která produkuje ATP Evoluční adaptace u trvale zatopených kořenů: tvorba aerenchymu pneumatofory (mangrovy)

9 Anoxygenní glykolýza regulace [O 2 ] ADH dekarboxylase pyruvát laktát pyruvát etanol (neklesá ph) nutno odstraňovat pyruvát (aktivuje AOX) PROČ to VADÍ? laktát - ph: snížení akt. LDH zvýšení akt. PDC Výrazná modulace metabolismu až při velkém poklesu [O 2 ] homeostáza! pyruvát - nízká k: PDH (Ac-KoA) - vysoká k: PDC (acetaldehyd) - ADH: regulace energetickým stavem ATP/ADP a [O 2 ] - další osudy metabolitů viz TCA! (Zabalza et al. 2009) 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)

10 OPPP oxidativní pentózofosfátová dráha x cyklus - zdroj uhlíkových skeletů pro biosyntézy dominuje (= dráha) - v cytoplasmě a v plastidech (především v noci) - rekonstituce C6 částečně společné reakce s Calvinovým cyklem Mitochondrie Vnitřní membrána - komplexy elektrontransportního řetězce - ATP syntáza - membránové přenašeče Matrix - enzymy Krebsova cyklu - PDH Vnější membrána - mj. zadržuje cytochrom c! Cytosol ph 7 [H + ] Pyruvát OH - Matrix ph 8 OH - P i ADP ATP Malát citrát

11 Krebsův (citrátový, TCA) cyklus (od Ac-KoA po CO 2 a redukované NADH a FADH 2 ) Vstupy: Pyruvát: PDH Ac-KoA (pyruvát dehydrogenázový komp.) OAA, malát (z PEP) (náhrada za použité meziprodukty často cca 50 %; malát navíc přenos e-) Unikátně v matrix: sukcinátdh PROČ? Celkem energetický zisk: (na 1 pyruvát) 4 NADH 1 FADH 2 1 ATP Krebsův cyklus + PDH PDH - pyruvát dehydrogenázový k. - regulace (NADH, Ac-KoA) - fosforylace inhibiční! PDKinase - blok ADP, pyruvát - stimulace NH 4 + (PDH v plastidech syntéza lipidů!) VÝHODY? 2-ketoglutarátDH, isocitrátdh - regulace (NADH) Redox signalizace (?) - thioredoxiny (NADPH)! - NADPH-dep. MDH, ICDH! CYKLUS není regulován JAKO CELEK! PROČ?

12 Využití reakcí Krebsova cyklu je variabilní - tvorba ATP - z cukrů - z tuků - z citrátu - z proteinů - asimilace dusíku - syntéza proteinů - redoxní regulace - balance: ME+PDH x PEPc Sweetlove et al Cytosolické ekvivalenty reakcí Krebsova cyklu (podobně v peroxisómech!) Sweetlove et al. 2010

13 Anoxygenní podmínky glykolýza+krebsův cyklus Anoxygenní podmínky recovery

14 Glukoneogeneze štěpení tuků a syntéza sacharózy (klíčení) (1) β-oxidace, (2) glyoxylátový cyklus, (3) glukoneogeneze Glukoneogeneze (2) glyoxylátová dráha (cyklus) proč i mitochondrie? - rozšířený (modifikovaný) Krebsův cyklus - glyoxylát není součástí cyklu SDH Malát syntáza Isocitrát lyáza

15 Glukoneogeneze (3) vlastní glukoneogeneze v cytoplasmě Sumárně: vytvoření C3 cukru ze dvou C2 (2 Ac-KoA) Využití tuků v zastíněných listech - ABC transportér do Px - beta-oxidace - transport do Mt (citrát!) - OAA (Asp shuttle Px-Mt) Kunz et al Plant Cell

16 3. Transport elektronů v dýchacím řetězci využití energie elektronů (z redukovaných koenzymů) pro vytvoření gradientu protonů (a následně syntézu ATP) I II III IV (V) využití energie gradientu protonů Pavlová L.: Fyziologie rostlin Mobilní přenašeče elektronů: ubichinon (= koenzym Q10) + cytochrom c Komplex I NADH dehydrogenáza I - přímý přenos protonů (asi 4H+ na 2 elektrony) - oxidace NADH - redukce UQ (vznik UQH2 redukovaný ubichinon) - jemná regulace (fosforylace, výměny podjednotek?) - vysoká afinita k NADH!!! - omezená schopnost redukce UQ ( H+ přenos!) - zřejmě možný i zpětný přenos e- - inhibitor rotenone 4

17 Model uspořádání komplexu I z Arabidopsis min 49 podjednotek cca 13 rostlinně specifických (CA, GLDH tvorba askorbátu!) (galacton lacton DH) 2010 by American Society of Plant Biologists Jennifer Klodmann et al. Plant Cell 2010;22: Komplex II - oxidace sukcinátu na fumarát - přímo na komplexu II - přenos e- přes FADH 2 - redukce UQ - inhibitor malonát 4

18 Přímá redukce UQ bez koenzymů (a bez komplexu I a II) - přímá oxidace některých metabolitů G3P, glycerol-3-phosphate G3PDH, glycerol-3-phosphate dehydrogenase G3PDHc, cytosolic glycerol-3-phosphate dehyd. ETF, electron transfer flavoprotein ETFQO, electron transfer flavoprotein quinine oxidoreductase IVD, isovaleryl-coa dehydrogenase 2HGD, 2-hydroxyglutarate dehydrogenase Dongen et al Komplex III - cytochromový bc 1 - oxidace UQH 2 (redukce UQ) - redukce cytochromu c - přenos H + (lokalizované uvolnění) - inhibitor antimycin A 4 - mitochondrial processing peptidase activity (rostliny a houby) - společný původ s b6f cytochromovým komplexem chloroplastů - stejný mechanismus - chinonový cyklus na dimeru komplexu III

19 Komplex IV cytochromoxidáza oxidace cyt c a redukce O 2 katalytický akumulátor e- : Cu, cytochrom, vazba postr. řetězců Tyr His tvorba gradientu H+ - pumpování a spotřeba H+ 4 4H + + O 2 4 2H 2 O (přesná dráha H+ není jasná) - inhibitor KCN - zdroj ROS Bezpečnostní ventily dýchání - kromě komplexů (I a III) jsou na membráně i další enzymy oxidující NAD(P)H či UQH 2 - jemná regulace aktivity (AOX: aktivace pyruvátem)! UPC nefosforylující NAD(P)H dehydrogenázy alternativní oxidáza = dýchání rezistentní ke kyanidu, inhib. SHAM (kys. salicylhydroxamová) +uncoupling protein (UCP)

20 Bezpečnostní ventily dýchacího řetězce - oxidace s omezenou produkcí ATP (= tvorba tepla) Funkce: - udržování rovnováhy: UQ/UQH 2, NAD(P) + /NAD(P)H, ADP/ATP - udržování metabolického běhu - Krebsův cyklus, (fotorespirace) - x overredukci UQ oxid. poškození (high light, fotorespirace) - tvorba tepla oxidace NAD(P)H nefosforylující NAD(P)H dehydrogenázy (NAD(P)H UQ) = bypass komplexu I - nižší afinita k NADH než komp. I, účinná redukce UQH 2 oxidace UQH 2 alternativní oxidáza (AOX) (UQH 2 kyslík) = bypass komplexu III a IV zkratování protonového gradientu uncoupling protein (UCP) = bypass ATP syntázy (komplexu V) Tvorba tepla aktivitou AOX Regulace alternativní oxidázy -částečně platí pro alt. NAD(P)H dehydrogenázy (dáno afinitou, ale také spíše spojité!) Jakou formou? - aktivace thioredoxinem - aktivace ketokyselinami (pyruvát, 2-oxoglutarát) - aktivace za stresu, i vývojově, posttranslační regulace - ochrana před overedukcí UQ, vznikem ROS, blokem TCA? - zajištění rychlého toku e- (oxidace NADH při fotorespiraci) UCP!!!

21 Vnější faktory ovlivňující rychlost dýchání Kyslík konečný akceptor elektronů za normálních podmínek nebývá limitující CO 2 inhibuje respiraci (skladování ovoce a zeleniny v atmosféře s CO 2 ) 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 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 (glyoxyzómech) - na úrovni genové exprese (jádro, plastidy, mitochondrie) - na biochemické (především redox signalizace) - plynulé přechody mezi různými mody fungování (ATP, ADP, Pi, NAD(P)H/NAD(P) +, CO 2, NH 4+, )

22 Signalizace z chloroplastů a mitochondrií k jádru (= retrográdní) Typy signálů: - redoxní signalizace! - obecné kofaktory, přenašeče e - : NADPH, Trx, GSH, k. askorbová - ROS/RNS signály (H 2 O 2, NO, ) - specifické z určité dráhy (1,3-BPG/DHAP), pyruvát, 2-OG Přenos signálů (informace o redox stavu): - přímo - zprostředkovaně přes metabolity (př. malát / OAA) - přes modifikace enzymů Regulace na biochemické úrovni a na úrovni genové exprese.