Respirace. (buněčné dýchání) O 2. Fotosyntéza Dýchání. Energie záření teplo BIOMASA CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3

Transkript

1 Respirace (buněčné dýchání) Fotosyntéza Dýchání Energie záření teplo chem. energie CO 2 (ATP, NAD(P)H) O 2 Redukce za spotřeby NADPH BIOMASA CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3 oxidace produkující NADH (FADH2)

2 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 (především pro asimilaci N) Respirace - zdroj metabolitů pro anabolické reakce

3 Respirací rostliny získávají: - metabolickou energii ve formě ATP (přímo, či oxidativní fosforylací) - redukované koenzymy (NADH) pro reakce - metabolity pro buněčné syntézy - tepelnou energii, Respirace pomáhá udržovat rovnováhu - redoxní (NAD+/NADH) - ATP/ADP, - účinná disipace chemické energie je-li potřeba Redoxní stav - NAD(P) + /NAD(P)H a poměr ADP/ATP - určení směru mnoha zvratných reakcí! - kofaktory v klíčových reakcích Vzájemná regulace metabolismu mezi organelami

4 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 v glyoxyźómech - na úrovni genové exprese (jádro, plastidy, mitochondrie) - na biochemické (především redox signalizace) 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

5 Metabolity vstupující do respirace sacharidy - glykolýza, OPPP organické kyseliny - Krebsův cyklus (glykolýza) bílkoviny hydrolýza na amk, deaminace (TCA, glykolýza) tuky - hydrolýza lipázou (glycerol a mastné kyseliny) glycerol oxidace na glyceraldehyd-3-fosfát (glykolýza) mastné kyseliny β-oxidace (acetyl-coa), Krebsův cyklus, glyoxylátový cyklus lipáza triacylglycerol diacylglycerol mastná kyselina Glykolýza - 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

6 Glykolýza - zvýšení flexibility alternativní enzymy: ATP-PFK (3) PPi-PFK (PFP) nefosforylující GAPDH (5+6) (NADP dependentní) pyruvát kináza (9) PEP fosfatáza (PEPc MDH ME) Regulace: PEP inhibuje PFK malát přenesen do mitochondrií (PDC TCA cyklus) Anoxygenní glykolýza limitace kyslíkem kyslík konečný akceptor elektronů v dýchacím řetězci za normálních podmínek nebývá limitující pyruvát laktát pyruvát etanol (pokles ph) (alanin, sukcinát, 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)

7 Anoxygenní glykolýza regulace [O 2 ] ADH dekarboxylase pyruvát laktát pyruvát etanol (neklesá ph) (alanin, sukcinát, větvené amk, ) nutno odstraňovat pyruvát - AOX, PDC: aktivace pyr.! Výrazná modulace metabolismu při poklesu [O 2 ] homeostáza! - pyruvátkináza! (Zabalza et al. 2009) -ADH (alkoholdehydrogenáza) - rychlost respirace a hladina O 2! (regulace energetickým stavem ATP/ADP a [O 2 ]) 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)

8 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 Mitochondrie

9 Mitochondrie Cytosol ph 7 Pyruvát OH - Vnitřní membrána - komplexy elektrontransportního řetězce Matrix ph 8 OH - P i - ATP syntáza - membránové přenašeče Matrix enzymy Krebsova cyklu Vnější membrána - zadržuje cytochrom c! [H + ] Malát citrát ADP ATP Krebsův (citrátový, TCA) cyklus (od pyruvátu po CO 2 a redukované NADH a FADH 2 ) - v matrix (xsdh) - PDH (pyruvát dehydrogenázový komplex) Energetický zisk: (na 1 pyruvát) 4 NADH 1 FADH 2 1 ATP - asi 50 % do syntéz - kompenzace malát! PEPc (MDH)

10 Krebsův cyklus PDH (pyruvát dehydrogenázový komplex) - regulace (NADH, Ac-KoA) - fosforylace inhibiční! PDKinase - blok ADP, pyruvát - stimulace NH ketoglutarát DH, isocitrát DH - regulace (NADH) Redox signalizace - thioredoxiny! CYKLUS není regulován JAKO CELEK! Využití reakcí Krebsova cyklu je variabilní Sweetlove et al. 2010

11 Cytosolické ekvivalenty reakcí Krebsova cyklu Sweetlove et al Glukoneogeneze štěpení tuků a syntéza sacharózy (klíčení) (1) β-oxidace, (2) glyoxylátový cyklus, (3) glukoneogeneze

12 Glukoneogeneze (2) glyoxylátový cyklus - rozšířený (modifikovaný) Krebsův cyklus - glyoxylát dle současné představy není součástí cyklu Malát syntáza Isocitrát lyáza Glukoneogeneze (3) vlastní glukoneogeneze v cytoplasmě Sumárně: vytvoření C3 cukru ze dvou C2 (2 Ac-KoA)

13 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-

14 Model uspořádání komplexu I z Arabidopsis min 49 podjednotek 17 rostlinně specifických 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

15 Přímá redukce UQ bez koenzymů - přímá oxidace některých metabolitů G3P, glycerol-3-phosphase 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) - společný původ s b6f cytochromovým komplexem chloroplastů - stejný mechanismus - chinonový cyklus na dimeru komplexu III

16 Komplex IV cytochromoxidáza oxidace cyt c a redukce O 2 tvorba gradientu H+ 4H + + O 2 2H 2 O - pumpování a spotřeba H+ (přesná dráha H+ není jasná) - inhibice KCN - zdroj ROS 4 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 +uncoupling protein (UCP)

17 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 -inhibitor SHAM (kys. salicylhydroxamová) +uncoupling protein (UCP) 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) - tvorba tepla oxidace NAD(P)H nefosforylující NAD(P)H dehydrogenázy (NAD(P)H UQ) = bypass komplexu I - nižší afinita k NADH než kom. I, vyšší redukce UQH oxidace UQH 2 alternativní oxidáza (AOX) (UQH 2 kyslík) = bypass komplexu III a IV aktivitou AOX zkratování protonového gradientu uncoupling protein (UCP) = bypass ATP syntázy (komplexu V) Tvorba tepla

18 Funkce alternativní oxidázy a speciálních NAD(P)H dehydrogenáz - aktivace za stresu, i vývojově - ochrana před overedukcí UQ, vznikem ROS, blokem TCA? - zajištění rychlého toku e- (oxidace NADH při fotorespiraci) UCP Fotorespirace potenciální silné narušení redoxní a energetické rovnováhy

19 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 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) 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.