Oddychanie- Fizjo - Lahuta PDF

Preview

Summary

Lahuta...

Description

MITOCHONDRIALNY ŁĄŃCUCH TRANSPORTU ELEKTRONÓW I FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA Składniki i topografia łańcucha

NADH (z glikolizy) i NADH i FADH2 ( z cyklu kwasu cytrynowego) – zostają w warunkach tlenowych ostatecznie utlenione przez O2. Proces ten związany jest z dużą zmianą energii swobodnej, której część zostaje zużyta do produkcji ATP z ADP i Pi w procesie fosforylacji oksydacyjnej  Zredukowane nukleotydy redukują tlen cząsteczkowy do H2O za pośrednictwem przenośników elektronów i protonów uszeregowanych w mitochondrialny łańcuch transportu elektronów  Schemat budowy łańcucha w mitochondriach roślin wyższych jest taki sam jak w mitochondriach innych organizmów.  Składniki są umiejscowione w wewnętrznej błonie mitochondrialnej i zgrupowane w 4 kompleksy (KI,KII,KIII,KIV) białkowe, z których:  KI – odbiera elektrony z NADH - dehydrogenaza NADH - utlenia NADH i redukuje ubichinon - miejsce wiązania NADH znajduje się po stronie matriks, dlatego utleniany jest tylko NADH powstały w cyklu kwasu cytrynowego - w skład wchodzą przenośniki elektronów: mononukleotyd flawinowy (FMN) oraz 3 lub 4 białka zawierające centra żelazo-siarkowe - dehydrogenaza NADH składa się z 2 mniejszych kompleksów dających się łatwo rozdzielić: hydrofobowego (wbudowanego w błonę) i hydrofilowego (sterczącego z błony po stronie matriks) - część składników kompleksu I jest kodowana w genomie mitochondrialnym; te wszystkie znajdują się w kompleksie hydrofobowym  KII – odbiera elektrony z FADH2 - występuje flawina i 3 centra żelazo-siarkowe, z tą różnicą, że zamiast FMN zawiera on FAD, a na cząsteczkę białka przypada większa ilość atomów Fe i S. - Częścią tego kompleksu jest enzym cyklu Krebsa, dehydrogenaza bursztynianowa. Elektrony z utlenianego bursztynianu kolejno redukują FAD i centra Fe-S, aby ostatecznie przejść na ubichinon - UQH2 przekazuje elektrony odebrane z pierwszych 2 kompleksów białkowych na trzeci, który jest oksyreduktazą ubichinon: cytochrom c.  KIII i KIV – uczestniczą w dalszym przekazywaniu elektronów na tlen.  KIII -dimer - każdy z tworzących go monomerów zbudowany jest z wielu podjednostek: 2 cytochromów typu b, 1 cytochromu c1, białka zawierającego centrum Fe-S i kilku innych polipeptydów - redukcja ubichinonu i utlenianie ubichinonu odbywają się w osobnych centrach kompleksu III. - 1 elektron z utlenianej cząsteczki UQH2 zostaje przekazany na cytochrom c przez białko zawierające Fe-S i cytochrom c1, zaś drugi przeniesiony zostaje inną drogą, przez 2 cytochromy typu b do centrum redukującego UQ. 

- cytochrom C redukowany przez kompleks III jest jedynym białkiem mitochondrialnego łańcucha transportu, które nie jest wbudowane w błonę.  KIV - oksydaza cytochromowa tzw. oksydaza końcowa (terminalna) - redukuje częsteczkę tlenu do 2 cząsteczek wody w procesie czteroelektrodowym - zbudowany 7-9 polipeptydów, a jego 4 centra redukcji leżą o obrębie podjednostek kodowanych w genomie mitochondrialnym - elektrony do redukcji pobierane są od cytochromu c po cytolozowej stronie błony wewnętrznej i przekazywane na cząsteczkę tlenu znajdującą się po stronie matriks. - w redukcji pośredniczą 2 centra miedziowe i 2 cytochromy typu a. - w tym miejscu łańcucha transportu elektronów działają znane inhibitory oddychania mitochondrialnego: azydek, cyjanek, tlenek węgla, które konkurują z tlenem o elektrony  W mitochondriach roślinnych znajdują się także dodatkowe, charakterystyczne dla białek kompleksy : zewnętrzne dehydrogenazy NAD(P)H ( umiejscowione na zewnętrznej powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej. Utleniają one NADH i NADPH pochodzące z cytozolu. W ten sposób utlenianie cytoplazmatycznego NAD(P)H jest sprzężone z redukcją PQ. Po stronie matriks, oprócz miejsca wiązania NADH w kompleksie I, występuje dodatkowa dehydrogenaza NADH, niewrażliwa na inhibitory kompleksu I. Prawdopodobnie umożliwia ona regenerację NAD ( utlenianie NADH), gdy brak ADP,a więc w warunkach dużego stężenia ATP w mitochondriom. Przekazanie elektronów przez tę dehydrogenazę do puli ubichinonu nie jest sprzężone z przeniesieniem protonu przez błonę. Ponieważ dehydrogenaza niewrażliwa na rotenon ma mniejsze powinowactwo do NADH niż kompleks I, działa ona tylko wówczas, gdy stężenie NADH w matriks jest duże. W niektórych mitochondriach roślinnych występuje także po stronie matriks niezależna dehydrogenaza NADPH. Jej roli w metabolizmie rośliny jeszcze nie poznano. Innym kompleksem charakterystycznym dla mitochondriów roślinnych jest oksydaza alternatywna. o Wszystkie 4 kompleksy przenikają przez błonę i kontaktują się zarówno z fazą międzybłonową, jak i z matriks.  2 niskocząsteczkowe przenośniki elektronów:  ubichinon UQ - może przemieszczać się w błonie - 1,4-benzochinon z poliprenylowym łańcuchem bocznym zawierającym 9-10 jednostek izoprenoidowych, który może odwracalnie przechodzić z formy utlenionej w zredukowaną  ubichinon UQ + 2e- + 2H+  UQH2 -podobnie jak plastochinon, jest związkiem hydrofobowym - łatwo rozpuszczalny w lipidach może dyfundować wewnątrz błony, tworząc pulę nie związaną z żadnym konkretnym białkiem - może działać jako ruchomy przenośnik erdoks między białkowymi kompleksami łańcucha transportu elektronów  Cytochrom C – poruszający się w fazie wodnej, w przestrzeni międzybłonowej - są to białka zawierające żelazo w pierścieniu porfirynowym - małe, ruchliwe, hydrofilowe białko wewnętrznej błony mitochondrialnej i przenoszące elektrony między kompleksami III i IV. SYNTEZA ATP W MITOCHONDRIACH SPRZĘŻONA Z ŁAŃCUCHEM TRANSPORTU ELEKTRONÓW      

Białkowe kompleksy łańcucha transportu elektronów są w wewnętrznej błonie mitochondrialnej usytuowane w specyficzny sposób. Utlenianie NADH i bursztynianu odbywa się po stronie matriks. Ze strony matriks pochodzą protony niezbędne do redukcji O2. Mobilny cytochrom c funkcjonuje po przeciwnej stronie błony, zwróconej w kierunku cytoplazmy. Składniki kompleksów wykazują asymetryczne położenie względem płaszczyzny błony: w kompleksie III po stronie cytoplazmatycznej położone są centra Fe-S i cytochrom c1. Cytochromy b w kompleksie III znajdują się po przeciwnych stronach błony  Taka asymetryczna orientacja przenośników elektronów ma daleko idące konsekwencje dla sprzężenia przepływu elektronów w błonie mitochondrialnej z syntezą ATP z ADP i Pi  fosforylacja oksydacyjna

Fosforylacja oksydacyjna Dzięki niej transport elektronów elektronów powoduje przepływ netto protonów z matriks do przestrzeni międzybłonowej. Wytwarza się w ten sposób protonowy gradient elektrochemiczny, który jest stosunkowo stabilny, ze względu na bardzo małą przepuszczalność wewnętrznej błony mitochondrialnej dla protonów. Gradient ten jest sprzężony z syntezą ATP przez syntezę ATP F0F1, kompleks białkowy związany z błoną wewnętrzną. Struktura i funkcja mitochondrialnej syntazy ATP wykazują znaczne analogie do syntazy ATP CF0CF1 obecnej w błonach tylakoidów. Kompleks mitochondrialnej syntazy ATP ( kompleks V), widoczny na elektrono gramach cząstek submitochondrialnych wybarwionych negatywowo fosfowolframinem – w postaci gęsto rozmieszczonych buławek wystających z błony po stronie matriks. Składa się on z 2 głównych podjednostek białkowych: F0 i F1. Trzonek buławki (F0) jest integralnym białkiem błonowym, składającym się co najmniej z 3 polipeptydów. Tworzą one kanał przenikający błonę, przez który mogą przepływać protony. Kompleks peryferyjny F1, sterczący z błony, złożony jest z co najmniej 5 różnych podjednostek. Zawiera on miejsce katalityczne, w którym przebiega albo fosforylacja ADP, jeśli kompleks działa w odwrotnym kierunku, ATPaza. BILANS ENERGETYCZNY ODDYCHANIA TLENOWEGO I FERMENTACJI    

Podczas całkowitego utleniania cząsteczki glukozy tworzą się netto 4 cząsteczki ATP na drodze fosforylacji substratowej i ok. 28 cząsteczek ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej  łącznie powstaje więc ok. 32 cząsteczek ATP W procesie fermentacji 1 cząsteczka glukozy dostarcza jedynie 2 cząsteczek ATP powstających podczas glikolizy. Pod względem produkcji ATP oddychanie tlenowe jest więc procesem 16x wydajniejszym niż fermentacja etanolowa. Produkt końcowy fermentacji, alkohol etylenowy, jest związkiem uboższym energetycznie od glukozy, lecz bogatszym od produktu pełnego utlenienia glukozy – dwutlenku węgla.  fermentacja dostarcza roślinom znacznie mniej energii niż oddychanie tlenowe i jest wykorzystywana przez nie tylko w sytuacjach wyjątkowych, kiedy normalne oddychanie nie może zachodzić ODDYCHANIE NIEWRAŻLIWE NA CYJANEK – OKSYDAZA ALTERNATYWNA  W tkankach roślinnych, w odróżnieniu od tkanek zwierzęcych – obserwuje się stosunkowo intensywne oddychanie niewrażliwe na cyjanek ( inhibitor oksydazy cytochromowej)  Po potraktowaniu tkanki zwierzęcej 1 mmol/l KCN intensywność oddychania gwałtownie maleje, natomiast większość tkanek roślinnych ( zwłaszcza roślin wyższych) wykazuje odchylenie na poziomie 10-25% intensywności wyjściowej, a niektóre wręcz oddychają bez widocznego zahamowania.  Część oddychania niewrażliwa na CN- jest specyficznie hamowana przez kwas salicylohydroksamowy (SHAM). Kwas ten hamuje oksydazę alternatywną :  Enzym obecny w mitochondriach roślinnych, w wielu glonach, grzybach i niektórych pierwotniakach; enzym ten tworzy boczne odgałęzienie szlaku cytochromowego na poziomie puli ubichinonu i przenosi elektrony z UQH2 wprost na tlen, z pominięciem kompleksów III i IV.  Kodowana w jądrze, jest ściśle związana z wewnętrzną błoną mitochondrialną  Ma postać dimeru o podjednostkach związanych ze sobą mostkiem dwusiarczkowym  Alternatywny szlak utleniania ubichinonu, pomijający kompleksy cytochromowe, nie przesienosi protonów z matriks do przestrzeni międzybłonowej, toteż nie jest sprzężony z fosforylacją ADP.  Z punktu widzenia energetycznego szlak alternatywny jest więc niekorzystny, ponieważ energia swobodna, która zwykle zostałaby zmagazynowana w postaci gradientu H+ i posłużyła do syntezy ATP, ulega rozproszeniu. Jedynym znanym efektem fizjologicznym związanym bezpośrednio z istnieniem tego enzymu jest TERMOGENEZA. - Polega na wydzielaniu ciepła podczas kwitnienia niektórych kwiatów, głównie z rodzinyAraceae. Wykorzystują ciepło powstałe w procesie oddychania alternatywnego do wydzielania lotnych substancji zapachowych przywabiających owady, ułatwiając zapylenie - Rzadkie zjawisko - Aktywność oksydazy alternatywnej podlega bardzo precyzyjnej regulacji, dzięki której enzym ten może się włączać w szlak cytochromowy nawet wówczas, gdy nie nastąpiła całkowita redukcja ubichinonu  Aktywność oksydazy alternatywnej regulowana jest na 2 drogach: przez metabolity węglowe i przez zmianę stanu redoks matriks mitochondrialnej.  Cząsteczka enzymu jest zbudowana z 2 monomerów połączonych mostkiem dwusiarczkowym. Redukcja tego mostka wywołuje kilkukrotny wzrost aktywności oksydazy. Zredukowany enzym staje się podatny na

stymulację 2-oksokwasami. Jego aktywność wzrasta np. znacząco w obecności kwasu 2-oksoglutarowego. W redukcji mostka dwusiarczkowego najprawdopodobniej bierze udział tioredoksyna, uniwersalny układ regulujący aktywność wielu białek poprzez redukcję specyficznych wiązań dwusiarczkowych występujących w ich cząsteczkach.  Istnienie dodatkowych dehydrogenaz NADH i oksydazy alternatywnej stwarza możliwość funkcjonowania w roślinach bocznych rozgałęzień łańcucha mitochondrialnego, przekazujących elektrony ze zredukowanych nukleotydów na tlen bez syntezy ATP  Potencjalna rola takich odgałęzień, a więc także oksydazy alternatywnej, może polegać na podtrzymywaniu oddychania tlenowego w warunkach ograniczonej podaży ADP, co pozwala dostarczać metabolitów potrzebnych do różnych biosyntez.  Według innego poglądy szlak alternatywny umożliwia utlenianie różnych substancji gromadzących się w nadmiarze w stosunku do zapotrzebowania komórki na ATP  Jest coraz więcej dowodów na to, że szlak oksydazy alternatywnej odgrywa rolę w przeciwdziałaniu niekorzystnym skutkom warunków stresowych (suszy, chłodu, zasolenia podłoża). Stres powoduje zahamowanie oddychania mitochondrialnego i nadmierną redukcje puli ubichinonu. Skutkiem takiej redukcji może być wytworzenie niebezpiecznych dla komórki reaktywnych form tlenu; przejście rośliny na metabolizm fermentacyjny . Zahamowanie cytochromowego szlaku elektronów powoduje jednak równocześnie nagromadzenie się produktów pośrednich cyklu Krebsa. Można stwierdzić, że szlak alternatywny ulega aktywacji w warunkach stresowych, a jego funkcjonowanie ogranicza negatywne skutki stresu. REGULACJA PROCESÓW ODDECHOWYCH  

  

 





Oddychanie podlega regulacji przez zapotrzebowanie na energię ATP i przez stężenia kluczowych metabolitów. Procesy oddechowe w komórkach roślinnych są regulowane w niektórych punktach tak jak w komórkach zwierzęcych, zgodnie z zasadą jedności biochemicznej, według której podstawowe szlaki metaboliczne, środki energetyczne, substraty, koenzymy, są wspólne dla różnych form życia. Istnieją miejsca regulacji specyficzne tylko dla roślin – enzymy i reakcje występujące tylko w roślinach. Podstawowa regulacja glikolizy zachodzi na poziomie reakcji katalizowanych przez ATP-fosfofruktokinazę i kinazę pirogronianową. Obie te reakcje są w warunkach fizjologicznych praktycznie nieodwracalne. Aktywność kinazy pirogronianowej jest stymulowana przez substrat katalizowanej przez nią reakcji – ADP, natomiast hamowana przez jej produkt – ATP oraz przez cytrynian, kluczowy metabolit cyklu kwasu cytrynowego. Wskutek zmniejszenia cytoplazmatycznego stężenia ADP, a wzrostu ATP i cytrynianu, maleje aktywność kinazy pirogronianowej i następuje akumulacja fosfoenolopirogronianu. Ponieważ poprzednie reakcje glikolizy – reakcja enolazy i mutazy fosfoglicerynianu są odwracalne, jednoczesnie z PEP nagromadzają się także fosfogliceraniany. Wszystkie te związki : fosfoenolopirogronian, 2-fosfoglicerynian, 3-fosfoglicerynian hamują aktywność ATPfosfofruktokinazy. Obecność ATP wzmacnia wpływ inhibicyjny PEP na fosfofruktokinazę, natomiast silnie przeciwdziała mu fosforan nieorganiczny. W konsekwencji cytoplazmatyczne poziomy ATP, ADP i Pi regulują przepływ węgla przez szlak glikoli tyczny. Reakcja fofsofruktokinazy jest ważnym punktem kontrolnym metabolizmu związków węgla, ponieważ fosforany heksoz zamiast do glikolizy mogą być kierowane do szlaku glukoneogenezy i do produkcji węglowodanów zapasowych. Enzymy biorące udział w glukoneogenezie i glikolizie działają w cytozolu, a większość katalizowanych przez nie reakcji może biec w obu kierunkach. Musi więc istnieć zsynchronizowana regulacja enzymów obu szlaków, która pozwala skierować przepływ węgla w jedną bąź drugą stronę, zależnie od potrzeb metabolicznych rośliny, oraz zapobiega marnowaniu energii w cyklach jałowych. Cykl jałowy – przykładem jest tworzenie się fruktozo-1,6-bisfosforanu w reakcji ATP-fosfofruktokinazy i jego rozkład przez fruktozobisfosfatazę. Gdyby obie reakcje biegłyjednocześnie, powodowałoby to stratę energii: bezużyteczny rozkład ATP. W ostatnich latach okazało się, że regulacja glikolizy w tym punkcie jest bardziej skomplikowana, niż przypuszczano. Odkryto bowiem PPifosfofruktokinazę (fosfotransferazę pirofosforan-fruktozo-6-P), katalizujacą odwracalną reakcję fosforylacji fruktozo-6fosfaranu z udziałem pirofosforano (PPi) zamiast ATP. Enzym ten występuje powszechnie tylko w tkankach roślinnych; znaleziono go także w kilku mikroorganizmach. Równocześnie z odkryciem alternatywnego szlaku przemiany Fruktozo-6-P fruktozo-1,6-P2 stwierdzono, że tkanki roślinne zawierają fruktozo-2,6-bisfosforan.



 











  

   

Fruktozo-2,6-P2 znany był poprzednio jako związek regulujący metabolizm cukrów w tkankach zwierzęcych. Związek ten okazał się aktywatorem nowo odkrytego enzymu, ułatwiającym fosforylację fruktozo-6-P. jest on równocześnie silnym inhibitorem fruktozobisfosfatazy. W cytoplazmie oba te enzymy współzawodniczą o fosforany fruktozy; fruktozo-2,6-P2, działający odmiennie na ich aktywność, w obu przypadkach ułatwia powstawanie fruktozo-1,6-P2, a więc rozpoczęcie glikolizy Inna wyjątkową cechą mitochondriów roślinnych, która może komplikować regulację glikolizy, zdolność do metabolizowania jabłczanu ( obok pirogronianu), a dzięki temu możliwość „obchodzenia” reakcji kinazy pirogronianowej oraz związanej z nią regulacji. Głównymi czynnikami regulującymi przepływ węgla przez cykl kwasu cytrynowego są stężenia nukleotydów adenylowych i NADH. Stężenie nukleotydów adenylowych wpływa na aktywność kilku enzymów cyklu Krebsa. Jeżeli stężenie ADP w mitochondriach jest stosunkowo duże, to szybka fosforylacja oksydacyjna w łańcuchu oddechowym wywołuje szybki przepływ elektronów na tlen, co z kolei oddziałuje stymulująco na cykl Krebsa. Taka sytuacja występuje wtkankach intensywnie rosnących, w których obserwuje się zawsze duże natężenie oddychania. W tkankach tych duża ilość ATP jest eksportowana do cytoplazmy i tam hydrolizowana, aby dostarczyć energii koniecznej do przebiegu różnych reakcji. ADP powraca do mitochondriów, aby podtrzymać wytwarzanie ATP. Procesy oksydacyjne w mitochondriach roślinnych regulowane są przez ATP i ADP. W roślinach ładunek energii reguluje aktywność tylko niewielkiej liczby enzymów. W roślinnych mitochondriach najważniejszym czynnikiem regulującym intensywność oddychania wydaje się bezwzględne stężenie ADP Zmiany stężenia ADP pośrednio wpływają na wartość stosunku NADH/NAD, poprzez oddziaływania na transport elektronów i fosforylację oksydacyjną. Zwiększone zapotrzebowanie NADH hamuje allosterycznie kilka enzymów cyklu kwasu cytrynowego, w tym także dehydrogenazę pirogronianu, zaopatrującą cykl w acetylo-CoA Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej jest jednym z głównych punktów regulacji cyklu kwasu cytrynowego. Pirogronian może być także metabolizowany w kilku innych reakcjach. Wobec tego dehydrogenaza pirogronianowa znajduje się na rozgałęzieniu dróg metabolicznych, a ponadto katalizuje reakcję nieodwracalną w warunkach fizjologicznych. Takie enzymy często odgrywają rolę regulacyjną. Aktywność dehydrogenazy pirogronianowej hamują produkty reakcji: NADH, acetylo-CoA i ATP Dehydrogenaza pirogronianowa występuje w 2 formach: aktywnej – nieufosforylowanej i nieaktywnej – ufosforylowanej. Jednam z 2 enzymów regulatorowych wchodzących w skład kompleksu dehydrogenazy jest kinaza. Pod wpływem ATP kinaza fosforyluje dehydrogenazę pirogronianu, powodując jej gwałtowną dezaktywację. Skutkiem tego jest ustanie dopływu substratu do cyklu Krebsa i jego zahamowanie. Drugi enzym – fosfataza – reaktywuje dehydrogenazę, ponieważ katalizuje on hydrolityczne odszczepienie reszty fosforanowej. Aktywność dehydrogenazy pirogronianowej zależy więc od stężenia ATP w mitochondriach. Regulacja oksydacyjnego szlaku pentozo fosforanowego odbywa się na etapie reakcji katalizowanych przez pierwszy i trzeci enzym szlaku: dehydrogenazę glukozo-6-fosforanu i dehydrogenazę 6-fosfoglukonianu. Regulacja aktywności tych 2 dehydrogenaz polega na ich hamowaniu przez produkt obu reakcji, NADPH. W tkankach fotosyntetycznych występuje specyficzna dla roślin regulacja aktywności dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu przez światło

KATABOLIZM LIPIDÓW  Tluszcze zapasowe – zazwyczaj triacyloglicerole, gromadzą się głównie w nasionach.  Wiele roślin o nasionach szczególnie bogatych w tłuszcze ( soja, słonecznik, kukurydza, rzepak) ma duże znaczenie gospodarcze – źródło olejów jadalnych i przemysłowych.  W większości nasion tłuszcze gromadzą się w cytoplazmie komórek bielma lub liścieni, w oleosomach (sfero somy)  W komórce magazynującej tłuszcze ich liczba może sięgać setek tysięcy. Wyizolowane oleosomy nie zlewają się w 1 większą kroplę tłuszczu, ponieważ otoczone są błoną. Błona ma grubość w przybliżeniu o połowę mniejszą niż typowe błony komórkowe, ponieważ tworzy ją tylko z jedna warstwa fosfolipidów, zwróconych częścią hydrofilową do cytoplazmy.  Mobilizacja tłuszczu i jego metabolizm są szczególnie ważne w trakcie kiełkowania nasion i podlegają wówczas indukcji  Rośliny nie mają zdolności transportowania tłuszczów. Dlatego tłuszcze muszą w miejscu magazynowania ulegać przekształceniom w związki rozpuszczalne, dające się transportować do innych części rosnącej siewki.  Głównym związkiem, do którego p...