Disanje (Respiracija)

Transcript

1 Disanje (Respiracija)

2

3 Osim fotosinteze, deo primarnog metabolizma biljaka je i proces ćelijskog disanja (respiracija). Dok se u fotosintezi procesima redukcije iz CO2 i vode sintetišu organska jedinjenja, u procesu disanja se energija akumulirana u hemijskim vezama tih organskih jedinjenja oslobađa njihovom oksidacijom do CO2 i vode, pri čemu je O2 krajnji akceptor elektrona i redukuje se u vodu. Oslobođena energija se skladišti privremeno u obliku ATP, koji može da je stavi na raspolaganje biljci u procesima rastenja i razvića, koji zahtevaju utrošak energije. Aerobno disanje je biološki proces u kojem se redukovana organska jedinjenja mobilišu (iz rezervnih organskih materija) i zatim kontrolisano oksiduju. Ovaj proces je sličan kod svih aerobnih eukariotskih organizama, međutim, kod biljaka postoje njegovi specifilni aspekti koji su različiti u odnosu na taj proces kod životinja.

4 Iako se glukoza najčešće navodi kao supstrat za disanje, u biljnim ćelijama redukovani ugljenik za proces disanja mogu da obezbede (tj. supstrati su za disanje) i: saharoza (disaharid koji je sekundarni proizvod fotosinteze) heksoza-fosfati i triozafosfati (nastaju degradacijom skroba u hloroplastima ili u Kalvinovom ciklusu) polimeri fruktoze (fruktani) i drugi šećeri lipidi (prvenstveno triacilgliceroli) organske kiseline i ponekad proteini.

5 Sa hemijske tačke gledišta, disanje kod biljaka može da se predstavi kao oksidacija jednog molekula saharoze (12 C- atoma) i redukcija 12 molekula O2: Potpunom oksidacijom jednog mola saharoze do CO2 i vode oslobađa se 5760 kj. Primarna uloga respiratornog metabolizma (ali ne i jedina) je kontrolisano oslobađanje slobodne energije koja se dobija oksidacijom supstrata za disanje i njegovo povezivanje sa sintezom ATP, univerzalnog prenosioca hemijske energije u živim sistemima.

6 Velika količina energije koja se oslobađa oksidacijom supstrata za disanje otpušta se postepeno, korak po korak, u većem broju uzastopnih hemijskih reakcija, kako bi se izbeglo oštećenje ćelijskih struktura. Te hemijske reakcije u respiratornom metabolizmu grupisane su u 4 procesa: Glikoliza (u citoplazmi i plastidima) Oksidativni pentozni ciklus (u citoplazmi i plastidima) Krebsov ciklus (u mitohondrijama) Oksidativna fosforilacija (u mitohondrijama) Supstrati za disanje ulaze u respiratorni proces u različitim tačkama ova 4 procesa, a pre toga moraju biti mobilisani iz rezervnih oblika organskih materija (skrob, ulja, rezervni proteini...) koje biljne ćelije deponuju. Skrob se, na primer, razlaže u semenima koja ga deponuju u amiloplastima rezervnih tkiva (endosperm) kao rezervnu materiju (semena žita), pod uticajem α-amilaze (do maltoze) i maltaze (do glukoze).

7 Energija koja se oslobodi u pojedinim koracima oksidacije tokom ova 4 procesa ne deponuje se samo u fosfatnim vezama ATP-a, već i u redukovanim piridin-nukleotidima (NAD i NADP), koji su kofaktori mnogih dehidrogenaza, i u flavin-nukleotidima (FMN i FAD). Oni su podložni reverzibilnim redukcijama i oksidacijama. U redukovanom obliku piridin-nukleotidi nose elektrone i energiju redukcije, a prilikom svoje oksidacije otpuštaju elektrone i energiju prenose na jedinjenje koje su redukovali (prenos redukujućeg ekvivalenta). Većina membrana koje okružuju organele nisu propustljive za piridin-nukleotide, tj. u svakom kompartmentu ćelije se nalazi neka količina ovih nukleotida i oni moraju biti uravnoteženi u pogledu odnosa oksidovanih i redukovanih formi da bi mogli da učestvuju u odgovarajućim metaboličkim procesima. NAD + se redukuje u glikolizi i Krebsovom ciklusu, a NADP + u fotohemijskoj fazi fotosinteze i oksidativnom pentoznom ciklusu. Najviše redukovanih kofaktora, kao i najviše ATP, nastaje u Krebsovom ciklusu. U poslednjem procesu respiratornog metabolizma, oksidativnoj fosforilaciji, redukovani kofaktori se opet oksiduju, a oslobođena energija se koristi za sintezu ATP-a.

8

9 U disanju se sintetiše 60 ATP po svakom molu oksidovane saharoze: Međutim, ne završe svi C-atomi koji uđu u respiraciju u CO2, odnosno ne iskoriste se svi za sintezu ATP. Mnogi intermedijeri respiratornog puta su početne tačke različitih biosintetskih puteva asimilacija azota, sinteza nukleotida i lipida itd.

10 Glikoliza * * Konvertuju se ugljeni hidrati u piruvat i proizvodi se manja količina ATP i NADH. Odigrava se u citoplazmi i plastidima. U početnoj fazi glikolize ugljeni hidrati se konvertuju u heksozafosfate, a ovi u trioza-fosfate. Slede reakcije u kojima se triozafosfati oksiduju i rearanžiraju dajući dva piruvata, pri čemu se konzervira energija. Glikoliza kod biljaka se odlikuje posebnom regulacijom, paralelnim glikolitičkim putem u plastidima, alternativnim enzimskim reakcijama u citoplazmi i drugačijim supstratom (saharoza umesto glukoze) i krajnjim proizvodom (osim piruvata i malat).

11

12 Alternativne glikolitičke reakcije kod biljaka PPi-zavisna fosfofrukto kinaza katalizuje istu reakciju kao i ATP-zavisna fosfofruktokinaza (ključni enzim glikolize i kod biljaka i kod životinja), ali radi i reverzibilno (za razliku od ovog drugog enzima). Nalazi se u citoplazmi svih biljnih ćelija i to u većim količinama od ATP-zavisne fosfofruktokinaze. Regulacija ovog enzima je preko fluktuacija ćelijskog metabolizma. Kao produkti glikolize kod biljaka nastaju i piruvat i malat, jer biljke imaju enzimski sistem (PEP karboksilaza i malat dehidrogenaza) koji prevodi PEP u jabučnu kiselinu. Na taj načun kod biljaka dve organske kiseline, produkti glikolize, mogu da uđu u Krebsov ciklus. Iako proces glukoneogeneze (sinteza šećera iz lipida) nije karakteristična za biljke, niti prisutan u svim biljnim ćelijama, on se odigrava u semenima onih biljnih vrsta kod kojih su rezervne materije lipidi (ulja u oleazomima). U glukoneogenezi se triacilgliceroli prevode u šećere (saharozu) koristeći neke reakcije glikolitičkog puta, ali u suprotnom smeru.

13 Fermentacija kod biljaka Odigrava se i kod biljaka i kod drugih organizama onda kada se nađu u hipoksičnim ili anoksičnim uslovima (kod biljaka je to kad zemljište na kojem rastu bude poplavljeno). U takvim uslovima se ne odvija Krebsov ciklus niti oksidativna fosforilacija, pa dolazi do zastoja i u glikolizi zato što je sav NAD u redukovanom obliku i ne može da se oksiduje, a u glikolizi se NAD + redukuje. Piruvat onda nastavlja da se metaboliše u alkoholnom i mlečno-kiselinskom vrenju, do etanola, odnosno laktata. U nedostatku O2 fermentacije regenerišu NAD + koji je potreban za glikolizu. Alkoholno vrenje je uobičajeno kod biljaka i dešava se u slabo aerisanim tkivima (koren, na primer), dok je mlečno-kiselinsko vrenje ređe kod biljaka. I etanol i laktat su toksični za ćelije, ali je etanol manje toksičan jer može da difunduje iz ćelije, a laktat se akumulira u ćelijama i može da utiče na kiselost citoplazme.

14 Regulacija glikolize kod biljaka Biljke se odlikuju metaboličkom fleksibilnošću za razliku od životinja, sposobne su da jedan korak u metaboličkom putu obave na više različitih načina. Glikoliza se kod biljaka odvija i u citoplazmi i u stromi plastida, pri čemu iste reakcije katalizuju različiti izoenzimi koje kodiraju geni nuklearnog genoma. Uloga glikolize u plastidima ćelija koje ne obavljaju fotosintezu i hloroplastima u odsustvu svetlosti je da doprinese razgradnji skroba i sintezi metabolita u procesu disanja, ATP-a i redukovanih koenzima. Glikolitički put koji se odvija u citoplazmi biljnih ćelija sadrži mnoge zaobilaznice ( bypass reactions ) na mestima gde se kao kosupstrati pojavljuju ATP i Pi. Te zaobilaznice angažuju pirofosfate (PPi). Na primer, PPi-zavisna fosfofruktokinaza. Kod biljaka, za razliku od životinja, ne postoje solubilne pirofosfataze (imaju pirofosfataze koje su u membrani tonoplasta i funkcionišu kao protonske pumpe), zbog čega se u citoplazmi održavaju stabilni nivoi pirofosfata. Nepovoljni uslovi (anoksija i deficijencija fosfata u zemljištu) veoma redukuju nivo adeninskih nukleotida i neorganskih fosfata u citoplazmi, što dovodi do ometanja metaboličkih procesa u kojima oni učestvuju. To nije slučaj sa pirofosfatima. Metabolička fleksibilnost omogućava biljkama da preferencijalno koriste pirofosfate kao donore energije onda kada su zalihe ATP-a i fosfata istrošene, ili kada štede ATP za druge procese.

15 Regulacija glikolize kod biljaka se ostvaruje na dva glavna mesta fosforilacija fruktozo-6-fosfata i metabolizam PEP, odnosno na nivou tri enzima: ATP-zavisne fosfofruktokinaze, PEP karboksilaze i piruvat kinaze. Dok je kod životinja primarna regulacija na nivou fosfofruktokinaze, kod biljaka je to sekundarni nivo kontrole, a primarna je regulacija na nivou metabolizma PEP. PEP inhibira ATP-zavisnu fosfofruktokinazu, dok neorganski fosfati smanjuju tu inhibiciju. To znači da aktivnost pomenutog enzima zavisi od odnosa koncentracija PEP i Pi u citoplazmi. Piruvat kinazu i PEP karboksilazu inhibiraju intermedijeri Krebsovog ciklusa, tj. organske kiseline. Ovo je bottom up regulacija. Prednost ovakve regulacije je što omogućava podešavanje sinteze piruvata nezavisno od drugih procesa kao što su Kalvinov ciklus i interkonverzija saharoza-trioza-fosfati-skrob. Postojanje dva enzima koji metabolišu PEP u dve različite organske kiseline, intermedijera Krebsovog ciklusa PEP karboksilaza može pod određenim uslovima da zaobiđe piruvat kinazu (da onemogući nastanak piruvata). Regulacija na nivou konverzije fruktozo-6-fosfata u fruktozo-1,6- bisfosfat je složena i u njoj figurira fruktozo-2,6-bisfosfat, čiji nivoi u citoplazmi variraju. F-2,6-BP inhibira ATP-zavisnu fosfofruktokinazu, a stimuliše aktivnost PPi-zavisne fosfofruktokinaze. Na taj način on u citoplazmi usmerava fluks F-6-fosfata ka glikolizi ili ka sintezi saharoze.

16

17 Oksidativni pentozni ciklus Odigrava se u plastidima i u citoplazmi. Dominira ciklus koji se dešava u plastidima. Obradi samo 5-20% ugljenika poreklom iz heksoza (razgradnju heksoza pretežno obavlja glikoliza u većini biljnih tkiva). U početnim, oksidativnim reakcijama ovog ciklusa nastaje NADPH.

18 Uloge oksidativnog pentoznog ciklusa u metabolizmu biljaka: Produkuje redukovani NADP - NADPH učestvuje u reakcijama redukcije povezanim sa biosintezama u citoplazmi i plastidima. Doprinosi preko redukcionih ekvivalenata sintezi ATP u oksidativnoj fosforilaciji, Pošto NADPH može da oksiduje enzim NADPH dehidrogenaza (na spoljašnjoj strani unutrašnje membrane ovojnice biljnih mitohondrija). Intermedijeri (ribozo-5-fosfat i eritrozo-4-fosfat) su prekursori za sintezu riboze i dezoksiriboze (sinteza RNK i DNK), odnosno fenolnih jedinjenja (put šikimata u kojemnastaju lignin, flavonoidi i fitoaleksini). Tokom ranih faza ozelenjavanja, pre nego što listovi postanu potpuno autotrofni, oksidativni pentozni ciklus produkuje intermedijere Kalvinovog ciklusa. Regulacija oksidativnog pentoznog ciklusa obavlja se na nivou glukozo-6- fosfat dehidrogenaze, a u njoj učestvuju svetlost (samo ciklus koji se dešava u hloroplastima) i odnos NADP + /NADPH. Svetlost inhibira aktivnost pomenutog enzima (preko sistema feredoksin-tioredoksin), trioze i F-6-P se sintetišu u Kalvinovom ciklusu, a najveći deo aktivnosti oksidativnog pentoznog ciklusa odnosi se na neoksidativne reakcije (konverzije šećera) i usmeren je na produkciju pentoza.

19 U glikolizi se razgradnjom jednog molekula saharoze oslobađa manje od 25 % energije molekula saharoze, a sva ostala energija se deponuje u dva molekula piruvata. U aerobnim uslovima piruvat koji nastane u glikolizi ne metaboliše se u fermentacijama, već u Krebsovom ciklusu (ciklus limunske kiseline ili ciklus trikarboksilnih kiselina - TCA ciklus), za kojim sledi oksidativna fosforilacija (transport elektrona povezan sa sintezom ATP). U ovim procesima se dešava oksidacija ugljenikovih atoma do CO2 i redukcija O2 do vode (davaoci elektrona su redukovani koenzimi), kao i sinteza ATP-a. Oksidativni metabolizam preovladava u biljnim tkivima. Krebsov ciklus i oksidativna fosforilacija odvijaju se u matriksu mitohondrija. Mitohondrije u biljnim ćelijama imaju istu veličinu, oblik i građu kao i u animalnim ćelijama, ali je njihov broj, sa retkim izuzecima, bitno manji nego u animalnim ćelijama. Ćelije različitih biljnih tkiva sadrže različit broj mitohondrija, ali je taj broj direktno povezan sa metaboličkom aktivnošću tkiva. Na primer, ćelije zatvaračice stoma, prateće ćelije sitastih cevi i meristemske ćelije se odlikuju veoma velikim brojem mitohondrija.

20 Mitohondrije Oblik loptast ili štapićast Veličina prečnik 0,5-1 µm, dužina do 3 µm. Okružene su ovojnicom koja se sastoji od glatke spoljašnje membrane i unutrašnje membrane koja formira veliki broj invaginacija (kriste) ka unutrašnjosti mitohondrije. Unutrašnjost mitohondrije ispunjena je matriksom. Lipidni sastav membrana uglavnom fosfolipidi (80 % fosfatidil holin i fosfatidil etanolamin). Unutrašnja membrana sadrži 50% ukupnih proteina mitohondrije.

21 Kompartmenti: Spoljašnja membrana Intermembranski prostor Unutrašnja membrana Matriks Membrane ovojnice se razlikuju po propustljivosti: Spoljašnja membrana je permeabilna za sve čestice molekulske mase manje od 10 kd propušta jone i većinu metabolita, ali NE i proteine. Unutrašnja membrana je veoma selektivna ne propušta pasivno, u matriks, jone i naelektrisane organske molekule. Mitohondrije su osmotski aktivne povećavaju volumen u hipotoničnom rastvoru. Poluautonomne su organele (kao i plastidi) sadrže ribozome (70S), RNK i DNK (cirkularna). Geni mitohondrijalnog genoma kodiraju ograničeni broj mitohondrijalnih proteina, što znači da mitohondrije ne mogu da funkcionišu bez pomoći nuklearnog genoma.

22 Mitohondrijalni genom biljaka je mnogo veći od onog kod drugih organizama. Veličina varira i između blisko srodnih vrsta. Kodira mnogo više proteina nego kod životinja, tj. oko 35 proteina, uglavnom vezanih za procese oksidativne fosforilacije (subjedinice kompleksa I, III i IV, ATP-sintaze i enzimi u biosintezi citohroma). Neki geni u mitohondrijalnoj DNK biljaka imaju introne, a važi univerzalni genetički kod bez odstupanja (kao u mitohondrijalnoj DNK životinja). Glavna kontrola ekspresije mitohondrijalnih gena kod biljaka odvija se na posttranslacionom nivou. Mitohondrije uvećavaju svoj broj deobom postojećih mitohondrija, NE biogenezom de novo.

23 Krebsov ciklus (ciklus limunske kiseline, ciklus trikarboksilnih kiselina TCA ciklus) Odvija se u matriksu mitohondrija. U Krebsov ciklus ulaze 2 piruvata, koji nastaju glikolizom iz jedne heksoze, i oni se oksiduju do CO2. Nastaju 3 CO2, 4 NADH, 1 FADH2 i 1 ATP po jednom molekulu piruvata. Piruvat dehidrogenaza je enzimski kompleks katalizuje prva 3 koraka u Krebsovom ciklusu: dekarboksilaciju, oksidaciju i konjugaciju C2 fragmenta za CoA.

24 Specifičnosti Krebsovog ciklusa biljaka Reakcija koju katalizuje sukcinil-coa sintetaza kod biljaka se sintetiše ATP, a kod životinja GTP. Značaj malata i alternativni putevi oksidacije malata akumulacija malata u vakuolama mnogih biljnih ćelija (ne samo kod CAM-biljaka). Velika aktivnost enzima NAD + -malat dekarboksilaze (jabučni enzim), koja je detektovana u matriksu mitohondrija svih biljnih ćelija. Enzim katalizuje oksidativnu dekarboksilaciju malata:

25 Prisustvo ovog enzima u matriksu omogućava mitohondrijama da obavljaju različite alternativne puteve metabolizma PEP, koji nastaje u glikolizi. PEP karboksilaza u mitohondrijama prevodi PEP u malat i može da zameni nedostajuće intermedijere Krebsovog ciklusa. Na primer, α-ketoglutarat se troši za asimilaciju azota (u sintezi glutamata), što dovodi do manjka malata i usporavanja Krebsovog ciklusa, a prevazilazi se prevođenjem PEP u malat alternativnim putem, tj. ne preko Krebsovog ciklusa. U citoplazmi biljnih ćelija PEP karboksilaza i malat dehidrogenaza iz PEP sintetišu malat, koji ulazi u mitohondrije i tamo se prevodi u piruvat pod uticajem NAD + -malatne dekarboksilaze, a ovaj ulazi u Krebsov ciklus. Ovako nastali malat iz citoplazme takođe može da zameni intermedijere Krebsovog ciklusa.

26 Oksidativna fosforilacija Proces oksidativne fosforilacije odvija se u mitohondrijama i sastoji se od transporta elektrona sa kojim je povezana sinteza ATP-a. Izvor elektrona su redukovani kofaktori (NADH, NADPH i FADH2) koji su nastali u oksidacijama tokom glikolize, oksidativnog pentoznog ciklusa i Krebsovog ciklusa. Za ovaj proces potreban je O2 koji je krajnji akceptor elektrona i redukuje se do vode. Na svaki molekul saharoze, tokom glikolize u citoplazmi nastaju 4 NADH, a tokom Krebsovog ciklusa u matriksu mitohondrija 16 NADH i 4 FADH2. Svaki od ovih redukovanih koenzima može da otpusti 2 elektrona i 2 protona, tj. oksiduje se u oksidativnoj fosforilaciji. Uloga elektron-transportnog lanca je da obezbedi oksidaciju redukovanih koenzima i da energiju koja se pritom oslobodi iskoristi za generisanje elektrohemijskog gradijenta protona na unutrašnjoj membrani ovojnice mitohondrija, koji, zatim, koristi ATP sintaza za sintezu ATP-a. Elektron-transportni lanac lociran je u unutrašnjoj membrani mitohondrija. Iako je transport elektrona u disanju suštinski sličan u svim aerobnim organizmima, kod biljaka (i gljiva) lanac prenosilaca elektrona sadrži mnogobrojne NAD(P)H dehidrogenaze i alternativnu oksidazu, kojih nema u sisarskim mitohondrijama.

27

28 Kompleks I (NADH dehidrogenaza). Preuzima elektrone od NADH koji je nastao u Krebsovom ciklusu u matriksu, a predaje ih ubikinonu. U sklopu ovog kompleksa su i prenosioci elektrona: FMN i nekoliko fero-sumpornih centara. Za svaki elektronski par kojise prenese sa NADH na ubikinon, ovaj kompleks transportuje 4 protona iz matriksa u intermembranski prostor. Ubikinon. Mali lipofilni prenosilac elektrona i protona, koji nije čvrsto vezan ni za jedan protein i može da difunduje unutar unutrašnje membrane. Kompleks II (sukcinat dehidrogenaza). U Krebsovom ciklusu ovaj enzim koji je vezan za unutrašnju membranu oksiduje sukcinat. Prima elektrone od FADH2 i predaje ih (posredstvom nekoliko fero-sumpornih centara) ubikinonima. Ovaj kompleks ne transportuje protone. Kompleks III (kompleks citohroma bc 1 ). Preuzima elektrone od redukovanih ubikinona (ubikinola), tj. oksiduje ih, i predaje elektrone citohromu c. U sklopu kompleksa su prenosioci elektrona: fero-sumporni centri, dva citohroma b (b565 i b560) i asocirani protein citohrom c 1. Za svaki preneti elektronski par ovaj kompleks ispumpa 4 protona iz matriksa. Citohrom c. Mali protein koji je labavo vezan za spoljašnju stranu unutrašnje membrane mitohondrija. Ima funkciju mobilnog prenosioca elektrona sa kompleksa III na kompleks IV. Kompleks IV (citohrom c oksidaza, terminalna oksidaza). Sadrži 2 bakarna centra (CuA i CuB) i citohrome a i a 3. Prenosi 4 elektrona na O2, pri čemu nastaju dva molekula H2O. Ispumpava iz matriksa 2 protona po svakom prenetom elektronskom paru.

29 Strukturno i funkcinalno ubikinon je sličan plastokinonu, a citohrom bc 1 kompleksu citohroma b 6 f u fotosintetičkom elektrontransportnom lancu tilakoidnih membrana hloroplasta. Biljne mitohondrije sadrže dodatne komponente elektrontransportnog lanca, koje ne postoje u animalnim mitohondrijama. Te komponente ne transportuju protone, pa je konzervacija energije (u vidu sintetisanog ATP-a) manja kad god su one aktivne. Dodatni elektron-transportni enzimi biljnih mitohondrija su: 1. Dve NAD(P)H dehidrogenaze pričvršćene za spoljašnju stranu unutrašnje membrane mitohondrija (u kontaktu sa intermembranskim prostorom). Obe su zavisne od jona Ca 2+. One oksiduju NADH, odnosno NADPH poreklom iz citoplazme, a elektrone predaju ubikinonima. 2. NADH dehidrogenaza neosetljiva na inhibitor rotenon. Nalaze se na unutrašnjoj strani unutrašnje membrane, ka matriksu, i rade isto štoi kompleks I (oksiduju NADH poreklom iz matriksa), ali su rezistentne na rotenon. Njihova uloga je da se aktiviraju i zaobiđu ( bypass ) kompleks I kada je on preopterećen, a to je u uslovima visoke fotorespiracije. 3. NADPH dehidrogenaza na unutrašnjoh strani (ka matriksu) unutrašnje membrane. Oksiduje NADPH poreklom iz matriksa. O njoj se vrlo malo zna.

30 4. Alternativna oksidaza neosetljiva na inhibiciju cijanidom (CN - ), azidom (N3 - ) i ugljen monoksidom (CO) za razliku od citohrom c oksidaze. Redukuje kiseonik do vode, a elektrone dobija od ubikinona. Transport elektrona duž elektron-transportnog lanca odvija se niz gradijent redoks potencijala prenosilaca elektrona i povezan je sa fosforilacijom ADP i sintezom ATP koju katalizuje ATP sintaza (F0F1 ATP-sintaza, kompleks V). Broj sintetisanih molekula ATP zavisi od donora elektrona koji su raspoloživi. U elektron-transportnom lancu mitohondrija postoje tri mesta konzervacije energije (mesta gde se transportuju i protoni iz matriksa u intermembranski prostor, tj. gde je elektronski transport kuplovan sa generisanjem razlike u hemijskom potencijalu) kompleksi I, III i IV (važi i za biljke i za druge aerobne organizme). Ukoliko se kod biljaka uključi alternativna oksidaza, koja zaobilazi kompleks III i IV, konzervacija energije se smanuje, tj. broj sintetisanih ATP-a je manji. Elektroni se preusmeravaju ka alternativnoj oksidazi koja direktno redukuje O2, a pošto energija nema gde da se konzervira (nema mesta konzervacije između ubikinona i kiseonika), ona se gubi u vidu toplote. Na mestima konzervacije energije generiše se protonska motorna sila, tj. elektrohemijski gradijent protona, koji pokreće rad ATP-sintaze.

31 Rezultat vektorskog transporta protona je ph matriksa oko 8 i negativan membranski potencijal unutrašnje membrane mitohondrija. Za razliku od hloroplasta, gde protonskoj motornoj sili doprinosi samo hemijska komponenta, u mitohondrijama uticaj imaju obe komponente (i hemijska i električna). Ova razlika se objašnjava time što je distribucija protona koji se vektorski transportuju iz matriksa asimetrična, a to dovodi do razlika u membranskom potencijalu.

32 Energetski bilans disanja U procesu disanja, preko glikolize i Krebsovog ciklusa, ukupno se dobija 60 ATP po jednom molu saharoze (potpuno oksidovane do CO2). To je teorijska vrednost. Veliki deo energije gubi se u obliku toplote. Međutim, čak i sa gubicima, energetski prinos disanja je mnogo veći nego u slučaju da se odvija fermentacija (u anaerobnim uslovima).

33 Kod biljaka postoji nekoliko funkcionalnih proteina koji smanjuju efikasnost konzervacije energije u oksidativnoj fosforilaciji. Smatra se da biljke to sebi mogu da priušte, jer nisu toliko limitirane izvorom energije (svetlost), koliko dostupnošću mineralnih elemenata (naročito nitrata i fosfata), pa im je važnije prilagođavanje na efikasnije korišćenje nutrijenata, nego ušteda u energiji. Koja je korist za biljke od postojanja alternativnih metaboličkih puteva u kojima se energija ne konzervira? Alternativna oksidaza cijanid-rezistentno disanje (dostiže u većini biljnih tkiva %, a u pojedinim tkivima i 100% intenziteta normalnog disanja). porast temperature (termogeneza) tokom razvića cvetova, nepostredno pred oprašivanje kod biljaka iz fam. Araceae funkcija porasta temperature cvasti je produkcija isparljivih jedinjenja koja privlače polinatore. omogućava mitohondrijama da usklade sintezu ATP i biosintezu organskih jedinjenja. Alternativni put je sigurnosni ventil u slučaju da se akumuliraju u višku supstrati koji se koriste za rastenje, kao rezerva ili za sintezu ATP-a, odnosno kada je glavni put preopterećen. Preopterećenje se dešava onda kada nivo disanja prevaziđe potrebe biljke za ATP-om (manifestuje se nedostatkom ADP u ćelijama).

34 funkcijau odbrani biljaka od različitih vrsta abiotičkog stresa. Abiotički stres inhibira disanje i može da dovede do nastanka ROS (zbog sporijeg protoka elektrona i nepotpune redukcije kiseonika), što onda izaziva oštećenja u biljnim ćelijama. Alternativni put preusmerava tok elektrona, alternativna oksidaza preuzima elektrone od ubikinona, sprečava da se oni nagomilaju u redukovanom obliku, što može da dovede do nastanka ROS. Na taj način ublažuje nepovoljne efekte stresa na proces disanja. Dekuplujući protein Nalazi se u unutrašnjoj membrani, povećava njenu propustljivost za protone, zbog čega se narušava elektrohemijski gradijent protona i raskida veza između transporta elektrona i fosforilacije, pa se produkuje manje ATP, a više toplote. Kod životinja ima funkciju u termogenezi. Kod biljaka ima istu funkciju kao alternativna oksidaza ublažavanje efekata stresa na disanje. NADH-dehidrogenaza neosetljiva na rotenon Služi kao zaobilaznica sa kompleks I, onda kada je on preopterećen. Kompleks I ima veći afinitet za NADH i funkcioniše dominantno pri sniženim nivoima NADH u matriksu, a to je onda kad ima dovoljno ADP. Pri sniženju količine ADP, nagomilava se NADH u matriksu i aktivira se NADH-dehidrogenaza. Pošto ona ne transportuje protone i nije mesto konzervacije energije, posledica njenog rada je manja količina sintetisanog ATP-a.

35 Regulacija respiracije Obavlja se u sve tri faze ADP i Pi su ključni regulatori brzine glikolize, Krebsovog ciklusa i oksidativne fosforilacije Najbolje okarakterisano mesto regulacije Krebsovog ciklusa je kompleks piruvat dehidrogenaze. bottom up regulacija

36 Respiracija in vivo Biljke istovremeno i fotosintetišu i dišu na svetlosti. U mraku samo dišu. Na svetlosti se intenzitet disanja smanjuje u listovima, ali mitohondrije i dalje najvećim delom snabdevaju citoplazmu ATP-om. U disanju se izgubi 30-60% u fotosintezi asimiliranog ugljenika. Različita biljna tkiva i organi karakterišu se različitim intenzitetom disanja. Disanje direktno zavisi od metaboličke aktivnosti ćelija. Na intenzitet disanja utiče i stadijum razvića, tj. starost. Sa starošću biljaka, opada intenzitet disanja, osim u slučaju klimakteričnih plodova kod kojih prilikom sazrevanja dolazi do porasta disanja (uglavnom na račun alternativnog puta), a pod kontrolom hormona etilena.

37 Na intenzitet disanja utiču sledeći faktori spoljašnje sredine: Kiseonik, O2 krajnji akceptor elektrona u disanju. Utiče na smanjenje intenziteta disanja ako je snabdevanje njime smanjeno (hipoksični uslovi, korenovi koji rastu na poplavljenom zemljištu). Uglavnom nije ograničavajući faktor zbog dobro razvijenih puteva (aerenhim, intercelulari, lenticele) u biljkama, kojima može u gasovitom stanju da dođe do svih tkiva. Problem može da predstavlja samo njegova mala koncentracija u vodenim rastvorima (rastvorljivost se smanjuje sa porastom temperature) i sporija difuzija u vodenim rastvorima (hidroponi). Temperatura sa porastom temperature ubrzava se disanje (u opsegu od 0 do 30 C). Na svakih 10 C u tom opsegu, intenzitet disanja se udvostruči. Intenzitet disanja dostiže plato na C, a na višim temperaturama brzo opada. Na niskim temperaturama (ispod 5 C) disanje je usporeno (koristise za dugotrajno skladištenje plodova i krtola). Koncentracija CO2 visoke koncentracije imaju ograničen direktni inhibitorni efekat na disanje usporavaju disanje na nivou Krebsovog ciklusa, ali se broj mitohondrija povećava.

38 Procesi koji sačinjavaju metabolički put respiracije ne snabdevaju biljne ćelije samo redukovanim kofaktorima i energijom (ATP), već predstavljaju i izvor prekursora za različite biosintetske procese.