ODDYCHANIE

(z Kopcewicza)

Oddychanie – najpowszechniejszy wskaźnik przebiegu procesów życiowych. Przebiega w każdej żywej komórce (wszystkie komórki zawierają niezbędny zestaw enzymów) Zachodzi nawet wtedy, gdy inne procesy hamowane – np. w stanie anabiozy.

Oddychanie – wielostopniowy proces utleniania substratu, związany z wytwarzaniem energii użytecznej metabolicznie.

Najczęstszy substrat: glukoza

Trzy główne etapy:

a)      glikoliza

b)     cykl kwasów trikarboksylowych (Krebsa)

c)      łańcuch transportu elektronów.

Glikoliza – przebiega w cytoplazmie, częściowe utlenianie glukozy do pirogronianu. Oprócz tego - wytworzenie niewielkiej ilości ATP i redukcja NAD+ do NADH (potencjał redukcyjny).

Cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów – w mitochondriach.

Cykl Krebsa – całkowite utlenienie pirogronianu do CO2, powstaje znaczna ilość zredukowanych NADH i FADH2.

W łańcuchu transportu elektronów – elektrony z NADH i FADH2 są przenoszone na tlen przez szereg przenośników. Podobnie jak w łańcuchu fotosyntetycznym– transportowi elektronów towarzyszy transport protonów w poprzek błony – co prowadzi do powstawania gradientu pH, który następnie wykorzystywany jest do produkcji ATP z ADP i Pi przez obecną w wewnętrznej błonie mitochondriów syntazę ATP.

Wymiana gazowa u roślin – tlen dociera przestworami międzykomórkowymi (które kontaktują się ze środowiskiem zewnętrznym przez szparki) i – rozpuszczony w sokach ksylemu i floemu.

Charakterystyczne dla procesów oddechowych u roślin (u zwierząt nie występują) są – przede wszystkim obecność oksydazy alternatywnej w łańcuchu mitochondrialnym, ale też – modyfikacja procesów oddechowych przez światło.

1.      Główne substraty oddechowe i ich mobilizacja

Oddychanie – uwalnianie energii swobodnej zmagazynowanej w zredukowanych związkach organicznych (głównie węglowodanach), sprzężone z syntezą ATP.

Sumaryczne równanie reakcji z glukozą jako substratem:

C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O

Komórka roślinna korzysta też z wielu innych źródeł zredukowanego węgla: polimerów (skrobia, fruktozany), dwucukrów (np. sacharoza), lipidów (głównie triacylogliceroli), kwasów organicznych, czy (gdy brakuje innych substratów oddechowych) białek.

Stechiometria wymiany gazowej zależy od rodzaju substratu. Można mierzyć ilość wydzielanego CO2 względem pobieranego O2 – i w zależności od wyniku pomiaru wnioskować o substracie zużywanym do oddychania.

Współczynnik oddechowy – RQ (Respiratory Quotient) – stosunek liczby moli produkowanego CO2 do zużywanego O2.

Jeśli całkowitemu utlenieniu ulega glukoza (lub inne cukry)  RQ = 1

Jeśli substratem jest związek bardziej utleniony – np. kwas organiczny RQ > 1

Jeśli substratem jest związek zredukowany np. kwas tłuszczowy lub białko RQ < 1

(współczynnik oddechowy wielu lipidów – ok. 0,7, białek – 0,8)

RQ < 1 nie zawsze oznacza, że substrat jest związkiem silnie zredukowanym.

RQ <1 – może też być dla niezupełnego utleniania cukru:

2 C6H12O6 + 11 O2 -> 2 (COOH)2 + 8 CO2 + 10 H2O

RQ = 0,73 (11 O2/8 CO2)

Niezupełne utlenianie cukrów może występować w mięsistych owocach, w których gromadzą się wtedy kwasy organiczne.

Bardzo małe wartości RQ – też u roślin typu CAM– z powodu ponownego włączania powstającego w procesach oddechowych CO2 do kwasów organicznych.

Jeśli oddychanie w warunkach ograniczonego dostępu tlenu zaczyna dominować fermentacja i RQ osiąga duże wartości (dla całkowitego braku tlenu pojęcie RQ traci sens)

Zazwyczaj magazynowane są – skrobia, tłuszcze, muszą one ulec rozkładowi do łatwo rozpuszczalnych związków. Najpowszechniejszym materiałem zapasowym roślin jest skrobia – magazynowana w postaci ziaren w chloroplastach (w tkankach fotosyntetycznych) i amyloplastach (w tkankach niefotosyntetycznych).

Rozkład skrobi

Skrobia – główny materiał zapasowy roślin. W tkankach fotosyntetycznych, ale też w bulwach, nasionach itp.

Homoglikan zbudowany z reszt a-D-glukozy.

Amyloza – nierozgałęziona forma – wiązania typu a-1,4 ;  od kilkuset do kilku tysięcy reszt glukozy na cząsteczkę.

Amylopektyna – rozgałęziona forma - wiązania typu a-1,4 i – co kilkanaście reszt cukrowych, wiązania a-1,6 ; kilka-kilkanaście tysięcy reszt glukozy na cząsteczkę (podobna do zwierzęcego glikogenu, aczkolwiek glikogen jest „bardziej rozgałęziony”)

W niektórych miejscach – np. ziarniakach zbóż – hydroliza skrobi z udziałem dwóch enzymów a- i b-amylazy. Obydwa tną wiązania a-1,4 – z tym, że a-amylaza tnie w losowych miejscach a b-amylaza odcina cząsteczki dwucukru – maltozy – sukcesywnie od końców polimeru.

Zastanowić się – jakie produkty powstaną po zadziałaniu tych enzymów na nierozgałęzioną amylozę (uwaga a-amylaza nie potrafi przeciąć maltozy na dwie glukozy) i rozgałęzioną amylopektynę (amylazy nie potrafią ciąć wiązań a-1,6)

Rozgałęzione, krótkie łańcuchy (dekstryny końcowe) mogą być zhydrolizowane dzięki obecnej w nasionach oligo-1,6-glukozydazie.

Maltozę do glukozy rozkłada a-glukozydaza.

W chloroplastach – inne enzymy, brak a- i b- amylaz. Działa natomiast endoamylaza. Jest też enzym tnący wiązania a-1,6, odcinając krótkie łańcuchy reszt połączonych wiązaniami typu a-1,4.

W chloroplastach występuje też bardzo aktywna fosforylaza skrobiowa, która w obecności jonów fosforanowych rozkłada krótkie łańcuchy zbudowane z reszt glukozowych z wydzieleniem glukozo-1-fosforanu.

Pula fosforanów heksoz w cytoplazmie

Główne źródło wolnych heksoz w roślinach – rozkład skrobi i sacharozy.

Dwie drogi włączania sacharozy do metabolizmu:

-          hydroliza sacharozy do glukozy i fruktozy przez inwertazę

      sacharoza + woda -> glukoza + fruktoza

-          odwracalne rozszczepienie sacharozy katalizowane przez syntazę sacharozy

            sacharoza + UDP ↔ UDP-glukoza + fruktoza

Następnie UDP-glukoza może zostać użyta do syntezy polisacharydów ścian komórkowych.

Albo – przekształcanie do glukozo-1-fosforanu (enzym – pirofosforylaza UDP-glukozowa nazywana też urydylilotransferazą glukozo-1-fosforanową)

UDP-glukoza + PPi -> glukozo-1-P + UTP

Dalej – mutaza glukozofosforanowa (fosfoglukomutaza) – może przekształcać glukozo-1-P w glukozo-6-P

Warto zauważyć – że jeżeli sacharoza jest hydrolizowana przez inwertazę – powstaje glukoza, która musi być dopiero ufosforylowana z wykorzystaniem ATP –zatem – „aktywacja” takiej glukozy wymaga energii. W ciągu reakcji zapoczątkowanych przez syntazę sacharozy „rozkładowi” sacharozy towarzyszy synteza związku aktywowanego – UDP-glukozy, dzięki czemu może zajść późniejsza „wymiana” UDP na fosforan i powstaje fosfoglukoza bez dodatkowego wydatkowania energii.

Na skutek degradacji skrobi w cytozolu komórek roślinnych powstaje pula heksozofosforanów – glukozo-1-P, glukozo-6-P, fruktozo-6-P –związki te są wykorzystywane w pierwszym etapie glikolizy. W ciągu dnia w tkankach fotosyntetycznych – eksport fosforanów trioz z chloroplastów i przekształcanie ich do fosforanów heksoz – powoduje zwiększenie ilości fosforanów heksoz w cytozolu. Natomiast synteza skrobi, sacharozy, wielocukrów ścian – powodują spadek ilości heksozofosforanów w cytoplazmie.

2.     Glikoliza

Glikoliza – inaczej szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa

Główna droga katabolizmu heksoz pochodzących z rozkładu materiałów zapasowych.

Heksozy –> fosforylacja do heksozofosforanów –>degradacja do triozofosforanów –> ostatecznie do pirogronianu

Co dalej dzieje się z pirogronianem?

-          w warunkach beztlenowych może być redukowany do mleczanu lub etanolu

-          w warunkach tlenowych – dalsze utlenianie do CO2 w cyklu Krebsa, w mitochondriach

Uwagi:

Pierwsze etapy glikolizy prowadzą do powstania fruktozo-1,6-bisfosforanu

W tkankach roślinnych – różne heksokinazy (wynika to z różnorodności źródeł, z których pochodzą heksozy i kompartmentację szlaków, w których biorą udział). Większość to enzymy cytozolowe, w niektórych tkankach heksokinaza jest związana z zewnętrzną błoną mitochondrium. Enzymy cytozolowe oprócz glukozy fosforylują także fruktozę i inne heksozy np. mannozę. Ta związana z błoną mitochondrium fosforyluje głównie glukozę.

Reakcja heksokinazy – praktycznie nieodwracalna

1-fosfofruktokinaza (ATP-fosfofruktokinaza) – główny enzym fosforylujący 6-fosfofruktozę, kosztem ATP, nieodwracalna.

Ale w komórkach roślinnych fosforylacja 6-fosfofruktozy może też przebiegać inną drogą – donorem grupy fosforanowej jest pirofosforan – reakcję tę przeprowadza PPi-fosfofruktokinaza (1-fosfotransferaza pirofosforan:fruktozo-6-fosforan), reakcja odwracalna, może przebiegać w kierunku dostarczania PPi – PPi może być wykorzystywany np. w reakcji przeprowadzanej przez pirofosforylazę UDP-glukozy. Postulowana rola regulacyjna PPi-fosfofruktokinazy.

Stosunek aktywności obydwu fosfofruktokinaz zmienia się w czasie wzrostu i rozwoju rośliny: zazwyczaj w tkankach o intensywnym metabolizmie (np. kiełkujące nasiona) przeważa aktywność PPi-fosfofruktokinazy, zaś w komórkach prawie dojrzałych i dojrzałych – dominuje szlak ATP-fosfofruktokinazy.

Koszt wytworzenia jednej cząsteczki fruktozo-1,6-bisfosforanu – 1 lub 2 cz ATP (różnica w zależności od tego, która z fosfofruktokinaz fosforyluje 6-fosfofruktozę, zob. schemat)

Aldolaza fruktozobisfosforanowa rozszczepia fruktozo-1,6-bisfosforan na ufosforylowane triozy, które łatwo przechodzą jedna w drugą (gdy obecna izomeraza fosfotrioz oczywiście).

Uważa się, że pierwszy etap glikolizy kończy się wytworzeniem trioz. W tej fazie ATP jest zużywane (komórka „inwestuje”).

Drugi etap glikolizy – dostarcza NADH i ATP (uwaga – zredukowane nukleotydy NADH, NADPH, FADH2 – są także formą magazynowania energii przez komórkę) (zysk dla komórki).

Fosforylacja substratowa

UWAGA! – w glikolizie ATP powstaje na drodze fosforylacji substratowej – co oznacza – że fosforan jest bezpośrednio „przerzucany” z ufosforylowanego substratu (tu – 1,3-bisfosfoglicerynianu oraz z fosfoenelopirogronianu) na ADP ( a NIE dzięki syntazie ATP).

Ostatni etap glikolizy – od 3-fosfoglicerynianu do pirogronianu.

Fosfoenolopirogronian – grupa enolowa – grupa –OH sąsiadująca z wiązaniem podwójnym, jest niestabilny, „chętnie oddaje” grupę fosforanową.

Na jedną cząsteczkę glukozy – „zysk” – 2 ATP (lub 3, jeśli PPi-fosfofruktokinaza fosforylowała 6-fosfofruktozę), 4 NADH.

3.      Fermentacje

W warunkach tlenowych – zredukowane nukleotydy NADH i FADH2 – są utleniane, oddane przez nie elektrony są przenoszone przez mitochondrialny łańcuch transportu elektronów na tlen (redukowany do wody). Dzięki temu odtwarzane są NAD+ i FAD. W warunkach beztlenowych – problem – bo oddychanie mitochondrialne nie może się odbywać.

Rośliny wyższe – bezwzględne tlenowce, brak tlenu mogą tolerować tylko przez krótki czas (warunki beztlenowe np. gdy podtopione korzenie) Wtedy – rośliny przeprowadzają fermentację, która pozwala im ponownie utlenić powstający w glikolizie zredukowany NADH – co z kolei pozwala na podtrzymanie glikolizy.

Dwie drogi – patrz rysunek poniżej.

U roślin w warunkach beztlenowych - raczej fermentacja alkoholowa, fermentacja mleczanowa – w ograniczonym zakresie.

Dehydrogenaza mleczanowa in vitro – największa aktywność w pH zasadowym, dekarboksylaza pirogronianowa – optimum w kwaśnym pH.

W obecności tlenu – w tkankach roślin niewiele dekarboksylazy pirogronianowej i dehydrogenazy alkoholowej. Dopiero niedobór O2 powoduje indukcję tych enzymów.

Wyjątek – komórki pyłku – zachodzi tam intensywna fermentacja równocześnie z oddychaniem tlenowym. Ilości powstających aldehydu octowego i etanolu – znacznie większe niż w pozbawionych tlenu innych tkankach i nie maleją, wraz ze wzrostem stężenia tlenu. Prawdopodobnie – podczas intensywnego wzrostu i kiełkowania pyłku szlak biochemiczny fermentacji etanolowej może dostarczać dodatkowej energii (?) oraz elementów budulcowych niezbędnych do intensywnej biosyntezy kwasów tłuszczowych i lipidów – może w warunkach tlenowych dostarczać octanu, acetylo-CoA, jabłczanu lub bursztynianu – włączanych do cyklu Krebsa lub do biosyntez.

W niektórych gatunkach roślin różne stresy abiotyczne (np. deficyt wody, niska temperatura) indukują powstawanie dużych ilości aldehydu octowego i etanolu pomimo warunków tlenowych, a nawet w stężeniu tlenu większym od atmosferycznego. Być może funkcja sygnałowa w odpowiedzi rośliny na stres.

4.      Oksydacyjny szlak pentozofosforanowy (szlak pentozowy).

Dla zainteresowanych

Fragment oksydacyjny szlaku – dwie pierwsze reakcje – utlenianie glukozo-6-fosforanu do rybulozo-5-fosforanu.

Powstają 2 cz NADPH.

W warunkach fizjologicznych te reakcje praktycznie nieodwracalne.

Nieoksydacyjna część szlaku – przekształcenia fosforanów cukrów, są to reakcje odwracalne

Funkcje szlaku:

a)      źródło rybozo-5-fosforanu, prekursora rybozy i deoksyrybozy

b)     z kolei powstający w nim (jako metabolit pośredni) erytrozo-4-fosforan – prekursor syntezy związków fenolowych: aminokwasów aromatycznych, lignin, flawonoidów

c)      źródło – zwrócić uwagę – NADPH, wykorzystywanego na szlakach biosyntezy różnych związków w cytozolu. Jest to ważne, gdyż NADPH jest potrzebny także w tkankach niefotosyntetyzujących (pamiętajmy, że NADPH powstaje także w chloroplastach w fazie jasnej fotosyntezy) i nie tylko w dzień , a potrzebny jest np. do biosyntez lipidów, czy deoksyrybonukleotydów. Okazuje się też, że powstający w fotosyntezie NADPH w chloroplastach nie jest bezpośrednio dostępny dla reakcji przebiegających w cytozolu.

W większości tkanek roślinnych dominującą drogą metabolizmu glukozy jest glikoliza. Badania z wykorzystaniem glukozy znakowanej izotopem C14 – wykazano iż 80-95% węgla jest katabolizowane na drodze glikolitycznej. Udział szlaku pentozofosforanowego rośnie z wiekiem i stopniem zróżnicowania tkanek roślinnych,. Oba szlaki są ze sobą powiązane – triozo i heksozofosforany są „wspólne”

W komórkach fotosyntetyzujących enzymy szlaku pentozofosforanowego są obecne także w chloroplastach, kilka z nich występuje w postaci dwóch izoenzymów – chloroplastowego i cytozolowego.

Hipotezy – ze w chloroplastach także zachodzi oksydacyjny szlak pentozofosforanowy – w ciemności.

Dehydrogenaza glukozo-6-fosforanu – właściwości regulacyjne, reakcja przeprowadzana przez ten enzym – punktem kontrolnym szlaku. Aktywność dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu – hamowana, gdy stosunek NADPH/NADP osiąga dużą wartość. Ponadto rybulozo-1,5-bisfosforan wzmacnia inhibicyjny efekt NADPH.

W liściach grochu obie izoformy dehydrogenazy – chloroplastowa i cytoplazmatyczna aktywowana w ciemności, co pozwala uzyskiwać NADPH i pentozy, w warunkach nieobecności fotosyntezy.

5.      Mitochondria roślinne

Mitochondria – obecne we wszystkich komórkach eukariotycznych. Typowe mają kształt pałeczek o wymiarach 0,5 na 1-2 mm (choć w niektórych roślinach inne kształty – kuliste, wydłużone, włókniste, u niektórych glonów np. Chlorella czy Chlamydomonas ...