Respirace (buněčné dýchání)
Fotosyntéza Dýchání Energie záření
teplo
chem. energie
CO2
(ATP, NAD(P)H)
O2
BIOMASA Redukce za „spotřeby“ NADPH
CO2
(-COO-) = -COOH
-CHO
-CH2OH
-CH3
oxidace produkující NADH (FADH2)
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
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
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
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
diacylglycerol
Glykolýza - v cytoplasmě a plastidech (od glukózy k pyruvátu) - energie, syntézy energetický zisk (na 1 glukózu): 2 ATP (substrátová fosforylace) 2 NADH
mastná kyselina
V opačném směru = redukční fáze Calvinova cyklu
triacylglycerol
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)
Anoxygenní glykolýza – regulace [O2] ADH
dekarboxylase
pyruvát → laktát pyruvát → etanol (neklesá pH)
(alanin, sukcinát, větvené amk, …)
– nutno odstraňovat pyruvát - AOX, PDC: aktivace pyr.! Výrazná modulace metabolismu při poklesu [O2] – homeostáza! - pyruvátkináza!
(Zabalza et al. 2009)
-ADH (alkoholdehydrogenáza) rychlost respirace a hladina O2! (regulace energetickým stavem ATP/ADP a [O2])
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)
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
Mitochondrie
Cytosol pH 7
Pyruvát OH-
Vnitřní membrána
OH- Pi
Matrix pH 8
- komplexy elektrontransportního řetězce - ATP syntáza - membránové přenašeče
ADP ATP
Matrix enzymy Krebsova cyklu
Vnější membrána
[H+] Malát citrát
- zadržuje cytochrom c!
Krebsův (citrátový, TCA) cyklus (od pyruvátu po CO2 a redukované NADH a FADH2) - v matrix (xSDH) - PDH (pyruvát dehydrogenázový komplex) Energetický zisk: (na 1 pyruvát)
4 NADH 1 FADH2 1 ATP - asi 50 % do syntéz kompenzace malát ! PEPc (MDH)
Krebsův cyklus PDH (pyruvát dehydrogenázový komplex) - regulace (NADH, Ac-KoA) - fosforylace inhibiční! PDKinase - blok ADP, pyruvát - stimulace NH4+ 2-ketoglutarát DH, isocitrát DH - regulace (NADH) Redox signalizace - thioredoxiny!
CYKLUS není regulován JAKO CELEK!
Využití reakcí Krebsova cyklu je variabilní
Sweetlove et al. 2010
Cytosolické ekvivalenty reakcí Krebsova cyklu
Sweetlove et al. 2010
Glukoneogeneze – štěpení tuků a syntéza sacharózy (klíčení)
(1) β-oxidace, (2) glyoxylátový cyklus, (3) glukoneogeneze
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)
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. 2006.
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-
Model uspořádání komplexu I z Arabidopsis • min 49 podjednotek • 17 rostlinně specifických
Jennifer Klodmann et al. Plant Cell 2010;22:797-810 ©2010 by American Society of Plant Biologists
Komplex II - oxidace sukcinátu na fumarát - přímo na komplexu II - přenos e- přes FADH2 - redukce UQ
„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. 2011
Komplex III - cytochromový bc1 - oxidace UQH2 (redukce UQ) - redukce cytochromu c - přenos H+ (lokalizované uvolnění)
- společný původ s b6f cytochromovým komplexem chloroplastů - stejný mechanismus - chinonový cyklus na dimeru komplexu III
Komplex IV – cytochromoxidáza oxidace cyt c a redukce O2 - pumpování a spotřeba H+ tvorba gradientu H+ 4H+ + O2
2H2O
(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 UQH2 - jemná regulace aktivity (AOX: aktivace pyruvátem)!
UPC
„nefosforylující“ NAD(P)H dehydrogenázy
alternativní oxidáza = dýchání rezistentní ke kyanidu
+uncoupling protein (UCP)
„Bezpečnostní ventily“ dýchání - kromě komplexů (I – V) jsou na membráně i další oxidující proteiny Inhibitory: rotenon, antimycin A, kyanid - jemná regulace jejich aktivity!
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/UQH2, 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 aktivitou AOX
oxidace UQH2 alternativní oxidáza (AOX) (UQH2 – kyslík) = „bypass komplexu III a IV“
„zkratování“ protonového gradientu uncoupling protein (UCP) = „bypass ATP syntázy (komplexu V)“
Tvorba tepla
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
Vnější faktory ovlivňující rychlost dýchání Kyslík
– konečný akceptor elektronů – za normálních podmínek nebývá limitující
CO2 – inhibuje respiraci (skladování ovoce a zeleniny v atmosféře s CO2) 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 (H2O2, 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.
