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 – RespiraceMnohastupňový 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.

SacharidyZásoby, floémový transport

Cytosol

Triosa -P Triosa -P

Hexosa -P

PLASTID

Hexosa -P

škrob

Fotosyntéza

Pentoso-P cyklus

Organické kyseliny

zásoba

Mitochondrie Citrát. cyklus

CO2 NADPH

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 respiracevzniká - substrátovou fosforylací v glykolyse a v Krebsově cyklu

- oxidační fosforylací v mitochondriích

Pentosofosfátový cyklusPentosofosfátový cyklus

- „obrácený Calvinův cyklus“ - probíhá v cytoplasmě a plastidech

- začíná oxidací glukosa – 6 – fosfátu

- meziprodukty jsou využívány k buněčným syntézám, tvorba glyceraldehyd-3-fosfátu

- vznik 2NADPH + H+, které mohou být využity v respiračním řetězci

- ATP se zde substrátovou fosforylací netvoří

Etapy respirace

Cytoplasma

Glykolýsa

Pentosový cyklus

Mitochondrie

– dekarboxylace pyruvátu a vznik acetyl koenzymu A

- Krebsův cyklus

- respirační řetězec

- oxidační fosforylace

- fotorespirace

- oxidace mastných kyselin (odbourání tuků) u živočichů

Glyoxysomy - u rostlin - enzymy oxidace mastných kyselin

- Glyoxalátový cyklus

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

Kristy

Matrix

Vnější membána

Vnitřní membrána

GlykolysaFosforylace 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 MALÁTUNevzniká 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

Sacharosa

Fruktosa Glukosa

Plastid

Škrob

Fotosyntéza

Triosa fosfátyGlukosa-6-P

ATP

ADP

Hexokinasy

Fruktosa6-P

Fruktoso-1,6-bifosfátAldolasa Triosafosfát

isomerů

Hexosa-P-isomerasy

PPi fosfofruktokinasa ATP - fosfofruktokinasa

ATP

ADPPPi

PiGlycerátovýčlunek

Glyceraldehyd-P1,3 - P -glycerát

Fosfoenolpyruvát

Pyruvát

ADP

ATP ADP

ATPNADHNAD

H2O

3-P-glycerát

2-P-glycerát

Pi

OxaloacetátMalát

HCO3

Pi

NADHNAD

Krebsův cyklusMitochondrie

CO

O

CH

OH

CH2 CO

O

C

O

O

CH2 C

O

C O

O

CH OH

O

C

H2CO P

O

Fosfoglycerát kinasa

Glyceraldehyd-3Pdehydrogenasa

Enolasa

Pyruvát kinasa

Malát dehydrogenasa

PEP karboxylasa

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.

NADH+HNAD+

NADH+H NAD+

CO2

LaktátEtylalkohol

Acetaldehyd

Pyruvát

Pyruvát dekarboxylasa

Alkohol dehydrogenasa

Laktát dehydrogenasa

Fermentační reakceAnaerobní glykolysa

CH2OH

CH3

CH

CH3

O

HCOH

CH3

C

OO

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 mitochondriíchdekarboxylace pyruvátu a tvorba acetyl-CoAPyruvát dehydrogenásový multienzymový komplex

TTP – thiamin pyrofosfátamid kyseliny lipoovéHS – CoAflavoprotein 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

Krebsůvcyklus

PyruvátPyruvát

dehydrogenasový komplex

AcetylCoA

NAD+

CO2

NADH

Malát z cytosolu

Oxaloacetát

KoA

Citrát

NAD+

NADH

Malát dehydrogenasa

Jablečný enzym

NAD+

NADH

CO2

Malát

Citrát z cytosolu

Oxaloacetát

Fosfoenolpyruvát

Malát

HCO3

NADH

NAD+

Cytosol

Pyruvát

ADP

ATP

O

C-CoACH3

CO

O

CH

OH

CH2 CO

O

C

O

O

CH2 C

O

C O

O

C

O

OH

CH2 C

O

C O

O

CH2C

O

O

Malát dehydrogenasa

PEP karboxylasa

Mitochondrie

C

OH

CH2 C

O

O

CH2C

O

O

H

2-Oxoglutarát

SukcinylCoA

CH2 C

O

CH2C

O

OCoA

Sukcinát

CH2 C

O

CH2C

O

O O

Fumarát

C C

O

CC

O

O O

H H Isocitrát

C

O

OH

C C

O

C O

O

CH2C

O

O

H

OH

Krebsův cyklus

AcetylCoA

Malát

OxaloacetátCitrát

Akonitasa

Isocitrát dehydrogensa

2-oxoglut. dehydrogenasaSukcinylCoA

syntasa

Citrátsyntasa

Sukcinát dehydrogenasa

Fumarasa

KoA

Malát dehydrogenasa

NAD+

NADHADP

ATP

NAD+

NADH

KoA

CO2

CO2

FAD+

FADH

NAD+

NADH

Krebsův cyklus

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+ do mezimembránového prostoru mitochondrií.

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).

Dehydrogen.

Dehydrogenasa

Matrix

Mezimembránový prostor

NADH+H NAD+ FAD+FADH+H

NADH+H NAD+

Komlex INADH

dehydrogenasa

Komlex IISukcinát

dehydrogenasa

Koenzym Q Komlex IIICytochromový

komplex

Komlex IVCytochrom

Oxidasa

Komlex VATP syntasa

Fo

F1

AOX

ATPADP Pi

Cyt C

NADH+H NAD+

NADHP+H NADP+

H2OO2

H2OO2

4H4H 2H

3H

3H

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

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 ATPSubstrátová fosforylace – probíhá v glykolyse a K-cyklu při enzymatických

hydrolýzách 1,3-fosfoglycerátu, PEP, sukcinylCoAPři 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

I.

II.

VI.

III.

Fo

F1

H+ H+H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+H+

H+

Pyruvátový přenašeč

OH-

Pyr- Fosfátový přenašeč

Pi-

OH-

Trikarboxylátový přenašeč

Dikarboxylátový přenašeč

Adenin nukleotidovýpřenašeč

ATP4-

ADP3-

Malát2-

Citrát2-

Malát2-

Pi2-

Matrix pH 8,0

Cytosol pH 7,5

Krebsův cyklus

FADH+H

4 NADH+H

ATP4-ADP3-

Amfibolické funkce citrátového cyklu a glykolýzy- Katabolické - odbourávání CO2

- Anabolické – využití meziproduktů v dalších syntézách

-anaplerotické reakce – doplňování produktů do Krebsova cyklumalát, ( 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

Hexosafosfáty

KarotenoidyGibereliny

ABA

Proteiny

Glaceraldehyd3-P

PEP

Acetyl CoA Mastné kyseliny

Proteiny

Glutamát

Am.kyseliny

Porfirínové skeletyChlorofyly

FytochromyCytochromy

Lipidy

Dihydroxy aceton-P

Glycerol-3-P

Krebsův cyklus

Alanin

FenylalaninTyrosin

Tryptofan

Pyruvát

OxaloacetátAsparát

IAA

PentosofosfátyNukleotidy

Nukleové kyselinyATP, ADP

NADNADP, FMNCytokininy

2-Oxoglutarát

Celulosa

Kys. šikimátová

AlkaloidyFlavonoidy

Citrát

Tvorba významných meziproduktů v respiraci

SukcinylCoA

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.)

Tuková tělískaGlyoxysom

Mitochondrie

Triacylglyceroly

β-oxidace MK

ACoA

n ACoA

CoA

ATPAMP

CoA

Glyoxalát

Isocitrát

Citrát

Oxalacetát

Malát

ACoA

CoA

SukcinátFumarátMalát

Oxaloacetát

NAD+

NADH+H

NADH+H

NAD+

FAD+FADH+H

ATP

ADPCO2

PEP

Hexosy

Glukosa

NAD+

NADH+H

H2O

Malát syntasa

Isocitrát lyasa

Sukcinát

PEP karboxykinasa

Malát

Malát dehydrogenasa

Mastné kyseliny Lipasa

Glyox. cyklus

ACoA carboxylasa

Faktory ovlivňující rychlost respirace Faktory ovlivňující rychlost respirace Vnitřní faktoryVnitřní 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

KC

Respirační řetězec

ATP ADP

NADH+H NAD+

Pi

Citrát

Isocitrát

2-oxogl.

Malát

Oxaloac.

Vnější faktory ovlivňující respiraci

Kyslík – rostliny nemají specifický vazač O2 rozvod - pomocí intercelulár (aerenchym)

- vodné roztoky v xylému a floémuNedostatek 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 ATPHromadění ethanolu a laktátu je méně škodlivé než nízká tvorba ATPanaerobní glykolysa …………..2 ATP na molekulu glukosyanaerobní glykolysa …………..2 ATP na molekulu glukosyaerobní glykolysa……………..36 ATPaerobní 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