Wykad Oddychanie mitochondrialne Szczeglne cechy oddychania u rolinAutor dr Agnieszka Gniazdowska-Piekarska

W tym wykadzie dowiesz si jak przebiega proces oddychania mitochondrialnego u rolin i jakie s cechy charakterystyczne przemian oddechowych w komrkach rolinnych. Dowiesz si rwnie, jaka jest fizjologiczna rola procesu fermentacji oraz jakie czynniki decyduj o intensywnoci oddychania komrek, tkanek i organw.

Proces oddychania komrkowego zachodzi w specyficznych organellach komrkowych mitochondriach. Liczba mitochondriw w jednej komrce jest bardzo rna i moe wynosi od kilku do nawet kilku tysicy. Najwicej mitochondriw wystpuje w komrkach bardzo aktywnych, w ktrych jest najwiksze zapotrzebowanie na energi np. komrki towarzyszce floemu, komrki wydzielajce nektar. Ksztat mitochondriw jest paeczkowaty lub owalny i zmienia si zalenie od stadium rozwojowego komrki oraz warunkw metabolicznych. Mitochondria wystpuj w bezporedniej bliskoci chloroplastw, co sugeruje wymian metabolitw pomidzy tymi organellami. Mitochondria otoczone s zewntrzna bon, bona wewntrzna tworzy szereg wpukle zwanych grzebieniami mitochondrialnymi. Pomidzy bonami znajduje si przestrze zwana przestrzeni midzybonow. Bona wewntrzna zamyka przestrze zwan matriks mitochondrialn. Konfiguracja grzebieni i szeroko przestrzeni miedzybonowej ulega zmianom zalenie od funkcjonalnego stanu mitochondriw. Matriks zawiera gwnie biaka enzymatyczne (okoo 40 rnych enzymw, m.in.enzymy cyklu kwasw trjkarboksylowych, -oksydacji kwasw tuszczowych, syntezy DNA, RNA i biaek, katabolizmu aminokwasw). W matriks jest zlokalizowany DNA mitochondrialny,wystpuj tu rwnie rybosomy oraz ziarnistoci fosforanu wapnia. Wikszo biaek matriks jest syntetyzowana na terenie cytoplazmy na bazie genomu jdrowego. Zewntrzna bona mitochondrialna zawiera

poryny - kanay pozwalajce na przemieszczanie si do przedziau midzybonowego duych czsteczek, o masie do 5 kDa. Bona wewntrzna jest natomiast barier bardzo szczelna i

wysoce selektywn, dlatego tez skad molekularny matriks mitochondrialnej jest cakowicie inny od skadu cytoplazmy.

Oddychanie to proces kataboliczny, uznawany za wskanik przebiegu procesw yciowych. Przebiega stale w kadej ywej komrce, nawet wwczas gdy inne procesy s zahamowane (np. w stanie anabiozy). Oddychanie to wielostopniowy proces utleniania substratu zwizany z wytwarzaniem energii uytecznej metabolicznie. Uwolniona energia magazynowana jest w postaci wysokoenergetycznych wiza fosforanowych w czsteczce ATP. Substratami oddechowymi mog by rne zwizki organiczne, najczciej s to cukry, lipidy oraz biaka. U rolin podstawowymi substratami oddechowymi s glukoza i fruktoza oraz sacharoza i skrobia. W przypadku zastosowania glukozy jako bezporedniego substratu oddechowego w oddychaniu wyrniamy nastpujce etapy: Glikoliza szlak biochemiczny zachodzcy w cytoplazmie cykl Krebsa (cykl kwasw trikarboksylowych) zachodzcy w matriks mitochondrialnej acuch oddechowy umiejscowiony w wewntrznej bonie mitochondrialnej

Poniej znajduje si podstawowe rwnanie opisujce proces oddychania, z wykorzystaniem glukozy jako substratu oddechowego: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Inne substraty oddechowe: skrobia, sacharoza i inne cukry, tuszcze, kwasy organiczne musz by enzymatycznie przeksztacone do glukozy (lipidy, wielocukry) lub bezporednio kwasu pirogronowego (biaka) aby zostay wczone w przemiany oddechowe. W trakcie procesu oddychania zachodzi wymiana gazowa pomidzy organizmem, a rodowiskiem zewntrznym. U organizmw oddychajcych tlenowo wymiana gazowa sprowadza si do pobierania tlenu (O2) i wydzielania dwutlenku wgla (CO2). Oznaczajc ilociowo wymieniane na drodze oddychania gazy, mona wyznaczy warto wspczynnika oddechowego (RQ). O wartoci RQ decyduje rodzaj utlenianego substratu. Im bardziej jest on zredukowany, tym wicej potrzeba czsteczek O2 aby go utleni, co prowadzi do wzrostu wartoci RQ i z drugiej strony im bardziej utleniony jest substrat tym mniej potrzeba czsteczek O2 dla jego utlenienia. Zapamitaj ! Wspczynnik oddechowy RQ okrela stosunek liczby moli wydzielanego CO2 do iloci moli pobranego O2. Warto RQ zaley od:

typu oddychania (w warunkach beztlenowych RQ traci sens) substratu oddechowego (im nisza jest warto RQ tym wiksza jest warto energetyczna substratu). Dla cukrw RQ wynosi 1 Dla kwasw organicznych (zwizki bardziej utlenione ni cukry) RQ jest wikszy od 1 Dla biaek i kwasw tuszczowych (zwizki bardziej zredukowane ni cukry) RQ jest mniejszy od 1 Warto wspczynnika oddechowego (ilorazu oddechowego) nie daje penej informacji o substracie oddechowym poniewa: CO2 wydzielany w czasie oddychania moe by natychmiast wizany w kwasy organiczne (spadek RQ) moe by utrudniona dyfuzja O2 do tkanki i wtedy rozpoczyna si proces oddychania beztlenowego - fermentacja (wzrost RQ) moe dochodzi do utleniania substratu tylko do zwizkw porednich (nie do CO2) wykorzystywanych do intensywnych procesw syntezy np. w tkankach merystematycznych (spadek RQ)

Dla wikszoci tkanek w warunkach fizjologicznych warto RQ mieci si w granicach 0,971,17 co wskazuje na zuywanie gwnie cukrw. W czasie kiekowania nasion u ktrych substratem oddechowym s kwasy tuszczowe RQ przyjmuje wartoci poniej 0,5.

Metody pomiaru intensywnoci oddychania rolin, tkanek lub organelli komrkowych. Metody pomiaru intensywnoci oddychania oparte s na pomiarze iloci pobranego tlenu lub wydzielonego CO2. Metody wykorzystujce okrelanie iloci wydzielanego CO2: -Metoda fotometryczna przy uyciu analizatora CO2 w podczerwieni, wykorzystywana jest zdolno CO2 do pochaniania promieniowania podczerwonego. -Metoda chemiczna polega na oznaczaniu zawartoci CO2 zwizanego przez KOH w komorze z rolin i w komorze kontrolnej. Metody wykorzystujce okrelanie iloci pobranego O2: -Metody manometryczne (Warburga, Godlewskiego) polegajce na pomiarze iloci pobranego O2 na podstawie spadku cinienia w zamknitym naczyku Warburga lub kolbie Godlewskiego.

-Polarograficzna przy uyciu elektrody tlenowej Clarka miedzy spolaryzowanymi elektrodami z metali szlachetnych otoczonymi przepuszczajc tlen bonk przepywa prd, ktrego natenie jest proporcjonalne do zawartoci tlenu w wodzie.

Glikoliza to pierwszy etap oddychania. Zachodzi on w cytozolu, i skada si z szeregu reakcji prowadzcych do przeksztacenia glukozy w pirogronian. W tym szlaku biochemicznym, w reakcji fosforylacji substratowej powstaje ATP oraz NAD+ ulega redukcji do NADH. Najczciej na szlak glikolityczny wchodzi glukoza, ktra moe powstawa z rozkadu cukrw zapasowych np. skrobi. Jednak inne cukry szeciowglowe mog take atwo wzi udzia w glikolizie. W pierwszym etapie glikolizy glukoza lub inna heksoza ulega fosforylacji ze zuyciem czsteczki ATP. Powstaa czsteczka glukozo-6-fosforanu przeksztacana jest do fruktozo-6-fosforanu. Reakcja ta jest odwracalna. W podobny sposb do fruktozo-6-fosforanu mog by przeksztacane inne fosfoheksozy. Fruktoza, ktra jest produktem rozkadu czsto wystpujcego u rolin cukru zapasowego, sacharozy, jest przeksztacana bezporednio do fruktozo-6-fosforanu poprzez przyczenie reszty fosforanowej z ATP. Wytworzony fruktozo6-fosforanu ulega fosforylacji co prowadzi do powstania fruktozo-1,6-bisfosforanu. Podobnie jak przy fosforylacji glukozy zuywana jest czsteczk ATP, a reakcja jest nieodwracalna. W komrkach rolinnych przeksztacenie fruktozo-6-fosforanu do fruktozo-1,6-bisfosforanu moe by take przeprowadzane ze zuyciem pirofosforanu i wwczas reakcja jest odwracalna. Powstay fruktozo-1,6-bifosforan jest rozkadany na dwie czsteczki: aldehyd 3fosfoglicerynowy i fosfodihydroksyaceton. Powstanie dwch trioz jest kocem pierwszego etapu glikolizy. W drugim etapie aldehyd 3-fosfoglicerynowy zostaje utleniony do 1,3-bisfosfoglicerynianu. Energia wyzwolona podczas utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego wystarcza do zredukowania czsteczki NAD+ do NADH oraz ufosforylowania powstajcego kwasu 1,3bisfosfoglicerynowego przez przyczenie fosforanu nieorganicznego. Kwas 1,3bisfosfoglicerynowy traci jedn z grup fosforanowych, przekazujc j na ADP, co prowadzi do powstania czsteczki ATP (fosforylacja substratowa) oraz 3-fosfoglicerynianu. Zwizek ten moe by atwo przeksztacony do 2-fosfoglicerynianu. Zwiazek ten w kolejnej odwracalnej reakcji zostaje przeksztacony w fosfoenolopirogronian (PEP). Energia zawarta w fosfoenolopirogronianie zostaje wykorzystana do syntezy kolejnej czsteczki ATP w ostatniej reakcji nieodwracalnej glikolizy, ktrej efektem jest powstanie ostatecznego produktu glikolizy - pirogronianu. W efekcie zachodzenia szlaku glikolitycznego jedna czsteczka glukozy przeksztacana jest do dwch czsteczek pirogronianu, zuywane s dwie czsteczki ATP, a powstaj 2 czsteczki NADH oraz 4 czsteczki ATP.

Rysunek przedstawia przebieg przemian na szlaku glikolitycznym z wykorzystaniem glukozy, sacharozy i skrobi jako substratw oddechowych. Kolorem czerwonym oznaczono cieki glikolizy. Kolorem zielonym cieki wystpujce tylko u rolin. Kolorem rowym wczanie innych heksoz ni glukoza. Kolejne numery odpowiadaj odpowiednim enzymom tego szlaku: 1 heksokinaza, 2 izomeraza heksozofosforanowa, 3 1-

fosfofruktokinaza (ATP-fosfofruktokinaza), 4 aldolaza, 5 izomeraza triozofosforanowa, 6 dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego, 7 kinaza fosfoglicerynianu, 8 mutaza fosfoglicerynianu, 9 enolaza, 10 kinaza pirogronianowa, 11 1-fosfotransferaza pirofosforanfruktoza-6-fosforan, 12 fosfofruktokinaza, 13 inwertaza, 14 mutaza glukozofosforanowa, 15 fosforylaza skrobiowa, 16 galaktokinaza, 17 urydylotransferaza galaktozo-1-fosforanu, 18 4-epimeraza UDP-galaktozy, (wg. Wikipedia http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plik:Glikoliza_roslin.svg&filetimestamp=20081103 215819) Zapamitaj! Powstajce w procesie glikolizy ATP jest efektem przenoszenia reszty fosforanowej z substratu na ADP przez odpowiednie enzymy i nosi nazw fosforylacji substratowej. Szlak przeksztacania glukozy do kwasu pirogronowego zachodzi w cytoplazmie i jest niezaleny od dostpu tlenu, to znaczy, e glikoliza przebiega rwnie w warunkach beztlenowych.

W warunkach beztlenowych uruchamiana jest fermentacjaglikoliza Kwas pirogronowy

Oddychanie tlenowe

Oddychanie beztlenoweFermantacja Oddychanie beztlenowe mleczanowa Fermantacja alkoholowa

Tworzenie acetylo-CoA

Cykl Krebsaaocuch transportu elektronw

W warunkach braku tlenu w komrkach zahamowaniu ulegaj reakcje zachodzce w acuchu oddechowym. Po zatrzymaniu reakcji acucha oddechowego nastpuje nagromadzenie w mitochondriach NADH i niedobr NAD+ niezbdnego do prawidowego funkcjonowania cyklu Krebsa. W efekcie zatrzymania dwch z trzech etapw oddychania komrkowego (cykl Krebsa i acuch oddechowy) energia przydatna metabolicznie (ATP) produkowana jest tylko w glikolizie. Jednak take w tym procesie konieczne jest odtwarzanie NAD+ potrzebnego do przeprowadzenia czci reakcji. Jest to moliwe dziki procesom nazwanymi fermentacjami, zachodzcymi jedynie przy braku tlenu. W takich przypadkach pirogronian bdcy produktem glikolizy ulega przeksztaceniu w komrkach do kwasu mlekowego (fermentacja mleczanowa) lub aldehydu octowego, a nastpnie etanolu (fermentancja alkoholowa).

Fermentacja to proces pozwalajcy na odtwarzanie NAD+ koniecznego dla glikolizy i zachodzcy w warunkach beztlenowychglukozaglikolizapirogronian

Dekarboksylaza pirogronianowa Dehydrogenaza mleczanowa aldehyd octowy Dehydrogenaza alkoholowa

mleczan

etanol

Fermentacja alkoholowa jako proces biochemiczny pozwala organizmom dziaajcym w warunkach beztlenowych na regeneracj NAD zuytego w procesie glikolizy. Produkt ostatniego etapu glikolizy pirogronian jest w dwch etapach redukowany do etanolu (alkoholu etylowego) przy jednoczesnym utlenieniu NADH powstaego w procesie glikolizy do NAD i wydzieleniu dwutlenku wgla. W pierwszym etapie pirogronian jest przeksztacany do aldehydu octowego oraz dwutlenek wgla za pomoc dekarboksylazy pirogronianowej. W drugim etapie aldehyd ulega redukcji do etanolu (z jednoczesnym utlenieniem NADH do NAD) w reakcji katalizowanej przez dehydrogenaz alkoholow (ADH). Fermentacja mleczanowa przeprowadzana jest przez dehydrogenaz mleczanow z jednoczesnym utlenieniem NADH do NAD+. Dziki odtworzeniu NAD+ proces glikolizy nie zostaje zahamowany i komrka moe wytwarza ATP bez dostpu tlenu. W komrkach rolin fermentacja mleczanowa zachodzi przy braku tlenu jedynie przez krtki okres, poniewa kwas mlekowy dla komrek rolin jest zwizkiem wysoce toksycznym. Po obnieniu pH cytozolu w wyniku gromadzenia mleczanu nastpuje aktywacja innego enzymu umoliwiajcego przeksztacenie pirogronianu do aldehydu octowego dekarboksylazy pirogronianowej odczajcej od pirogronianu czsteczk CO2. Powstay aldehyd octanowy ulega redukcji do alkoholu etylowego przeprowadzanej przez dehydrogenaz alkoholow odtwarzajc NAD+ z NADH. Proces tworzenia etanolu z pirogronianu czyli fermentacja alkoholowa jest dominujcym procesem fermentacji w tkankach rolinnych. Zarwno fermentacja mleczanowa, jak alkoholowa prowadzi do powstania dwch czsteczek ATP przy utlenieniu jednej czsteczki glukozy. Jest to zdecydowanie mniejsza ilo ni powstaje przy penym utlenieniu glukozy do CO2 i H2O (okoo 30 czsteczek ATP), jednak umoliwia przeycie organizmom w warunkach niedoboru tlenu spowodowanego np. zalaniem korzeni rolin przez wod. W organizmach wyszych procesy fermentacji

przebiegaj wycznie przez krtki okres. Gdy tlen znowu staje si dostpny organizmy powracaj do metabolizmu oddychania tlenowego. Zapamitaj! Reakcje fermentacji zapewniaj dostarczanie NAD+ dla funkcjonujcego take w warunkach beztlenowych szlaku glikolitycznego.

W warunkach tlenowych powstajcy w reakcjach glikolizy kwas pirogronowy jest transportowany z cytoplazmy do matriks mitochondrialnej i tu w wyniku reakcji katalizowanej przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej jest przeksztacany do acetylo-CoA. Powstajcy na skutek dekarboksylacji pirogronianu acetylo-CoA jest substratem dla kolejnego etapu oddychania: cyklu Krebsa szeregu reakcji biochemicznych zachodzcych w matriks mitochondrialnej. W reakcjach tych ze zwizkw organicznych wytwarzany jest CO2 oraz zwizki wysokoenergetyczne w postaci NADH, FADH2 oraz GTP lub ATP.

Schemat przebiegu reakcji cyklu Krebsa (cyklu kwasw trikarboksylowych) wg. Wikipedia

http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plik:Cykl_TCA.svg&filetimestamp=200810282201 24. W pierwszej reakcji reszta acylowa z acetylo-CoA przyczana jest do czsteczki szczawiooctanu przez syntaz cytrynianow. W wyniku tej reakcji powstaje czsteczka cytrynianu oraz odtwarzany jest koenzym A. Cytrynian przeksztacany jest do izocytrynianu przez akonitaz. Reakcja ta jest odwracalna, a jej produktem porednim jest cis-akonitan zwizany z czsteczk enzymu. Izocytrynian zawierajcy sze atomw wgla ulega kolejno utlenieniu i dekarboksylacji w reakcji katalizowanej przez dehydrogenaz izocytrynianow. W wyniku tej reakcji powstaje czsteczka -ketoglutaranu ( 2-oksoglutaranu), czsteczka CO2 oraz NAD+ jest redukowany do NADH. 2-oksoglutaran ulega kolejnej dekarboksylacji przeprowadzanej przez kompleks enzymatyczny dehydrogenazy -ketoglutaranowej. W tej reakcji rwnie powstaje CO2 i ulega redukcji kolejna czsteczka NAD+, a czterowglowy produkt zostaje przeniesiony na koenzym A, tworzc bursztynylo-CoA. Powstay bursztynylo-CoA rozkadany jest na bursztynian i czsteczk koenzymu A. Reakcj t katalizuje syntetaza bursztynylo-CoA, a energia wyzwalana podczas reakcji pozwala na wytworzenie GTP w mitochondriach zwierzt lub ATP w mitochondriach organizmw rolinnych. Podobnie jak w glikolizie, GTP lub ATP powstaje w cyklu Krebsa na drodze fosforylacji substratowej. W kolejnej (odwracalnej) reakcji bursztynian ulega dehydrogenacji przeprowadzanej przez dehydrogenaz bursztynianow jedyny enzym cyklu, ktry nie jest biakiem rozpuszczalnym, lecz osadzonym w wewntrznej bonie mitochondrialnej, zawierajcym grup prostetyczn w postaci FAD. Podczas przeksztacania bursztynianu do fumaranu FAD ulega redukcji, przechodzc w FADH2. Fumaran ulega przeksztaceniu do jabczanu poprzez przyczenie czsteczki H2O w reakcji katalizowanej przez fumaraz. Z jabczanu odtwarzany jest pierwszy zwizek cyklu szczawiooctan. Reakcj katalizuje dehydrogenaza jabczanowa. Powstaje w niej ostatnia, trzecia, czsteczka NADH wytwarzana w jednym obrocie cyklu. Dwie ostanie reakcje s odwracalne, a powstay szczawiooctan moe przyczy kolejn reszt acylow. W wyniku jednego obrotu cyklu reszta acylowa zostaje przeksztacona do dwch czsteczek CO2, a jednoczenie energia wiza chemicznych przeniesiona zostaje na trzy czsteczki NADH, jedn czsteczk FADH2 oraz czsteczk GTP lub ATP. W celu wczenia dwch reszt acylowych powstaych z czsteczki glukozy w procesie glikolizy cykl Krebsa musi zaj dwukrotnie. Zapamietaj! Produkty kocowe cyklu Krebsa to CO2 wydzielany poza komrk oraz zredukowane nukleotydy NADH i FADH2, ktre s donorami elektronw na acuch oddechowy. Istotn funkcj cyklu Krebsa jest take dostarczanie szkieletw wglowych dla szeregu syntez, zachodzcych szczeglnie w aktywnych metabolicznie tkankach. Oznacza to, e produkty porednie cyklu Krebsa nie s utleniane do CO2 ale wykorzystywane gwnie do syntezy aminokwasw i pirymidyn (przypomnij sobie informacj o RQ podan na pocztku tego wykadu).

Budowa i funkcjonowanie acucha transportu elektronw w mitochondriom

Budowa aocucha oddechowego w mitochondrium rolinnym.Budowa aocucha oddechowego w mitochondrium rolinnym. Objanienia skrtw: Q- pula ubichinonu, ccytochrom c, ADalternatywne dehydrogenazy(NAD(P) H, UCP-biako rozprzegajce, AOXalternatywna oksydaza.H+NAD(P)+ NAD(P)H Przestrzeo midzybonowa

H+

H+

ADKompleks III Kompleks I

CKompleks IV

Syntaza ATP

Kompleks II

Q

ADNAD(P)H NAD(P)+

AOX H 2O H 2O

NADH

NAD+

H+

fumaran bursztynian

O2

O2

H+ H+ ATP

H+

H+

ADP + Pi Matriks mitochondrialna

Skadniki acucha transportu elektronw Kompleks I nazywany dehydrogenaz NADH pobiera elektrony z NADH znajdujcego si w matrix mitochondrialnej i przekazuje je na ubichinon , ktry ze wzgldu na swj hydrofobowy charakter moe swobodnie przemieszcza si w bonie mitochondrialnej. Ubichinon po przyjciu dwch elektronw pobiera z matriks mitochondrialnej dwa protony i przechodzi w zredukowan form ubichinol. W skad kompleksu I wchodzi kilka przenonikw elektronw, w tym mononukteotyd flawinowy (FMN) oraz kilka biaek z centrami elazo-siarkowymi. NADH moe by utleniane przez kompleks I jedynie w matriks mitochondrialnej, gdy tylko po tej stronie biako kompleksu posiada miejsce wizania NADH. Podczas utleniania NADH protony z matriks mitochondrialnej przenoszone s do przestrzeni midzybonowej. Przejciu dwch elektronw z NADH na ubichonon towarzyszy przeniesienie czterech protonw z matriks do przestrzeni midzybonowej. Kompleks II to jeden z enzymw cyklu Krebsa dehydrogenaza bursztynianowa zawierajca kilka centrw elazo-siarkowych oraz dinukleotyd flawinoadeninowy redukowany podczas przeksztacania bursztynianu w fumaran. Elektrony ze zredukowanego FADH2 podobnie jak w przypadku kompleksu I przekazywane s za porednictwem centrw Fe-S na ubichinon, ktry ulega redukcji do ubichinolu. Kompleks II nie jest biakiem transbonowym i nie posiada zdolnoci do przenoszenia protonw przez wewntrzn bon. Zredukowany na kompleksie I lub II ubichinon (ubichinol) przemieszcza si w bonie mitochondrialnej do kompleksu III acucha oddechowego nazywanego kompleksem bc1 lub oksydoreduktaz ubichinon-cytochrom c. Na kompleksie III zachodzi cykl Q (ubichononu), w wyniku ktrego dodatkowe protony przemieszczane s z matriks mitochondrialnej do

UCP

przestrzeni midzybonowej. Elektrony ze zredukowanego ubichinonu przenoszone s na cytochrom c niewielkie hydrofilowe biako znajdujce si po stronie przestrzeni midzybonowej, ktre po zredukowaniu na kompleksie III przenosi elektrony na kompleks IV. Kompleks IV to oksydaza cytochromowa, ktra obiera elektrony od cytochromu c i przekazuje je na czsteczk O2. Po przeniesieniu 4 elektronw z macierzy mitochondrialnej pobierane s 4 protony i powstaj dwie czsteczki H2O. Wszystkie cztery protony pobierane s z matriks, zwikszajc gradient protonowy. Cztery protony s przez kompleks IV przenoszone do przestrzeni midzybonowej, w efekcie z matriks mitochondrialnej ubywa osiem protonw. Jak odbywa si transport elektronw w acuchu oddechowym? acuchy transportu elektronw funkcjonuj na zasadzie przekazywania energii wzbudzenia elektronowego pomidzy czsteczkami zgodnie ze wzrastajcym potencjaem oksydoredukcyjnym tych czsteczek (ten temat omwiono na wykadzie z Fotosyntezy). Kolejne przenoniki w acuchu transportu elektronw charakteryzuje coraz wyszy potencja oksydoredukcyjny, co umoliwia przekazywanie energii wzbudzenia elektronowego pomidzy kolejnymi czsteczkami.Na jakiej zasadzie odbywa si transport elektronw w acuchu mitochondrialnym?

Kompleks I

Potencja oksydoredukcyjny (V)

burszynian fumaran Kompleks II Kompleks III

Kompleks IV

Mechanizm powstawania ATP w mitochondriach opisuje teoria Michella tzw. hipoteza chemiosmotyczna. Transport elektronw przez acuch oddechowy powoduje wypompowanie protonw z matriks na cytosolowa stron wewntrznej bony mitochondrialnej (do przestrzeni midzybonowej). Gradient pH i potencja bonowy tworz si protonomotoryczn wykorzystywana do napdzania syntezy ATP. Zgromadzon w tej postaci energi wykorzystuje kompleks V (tzw. czynnik sprzgajcy), czyli syntaza ATP skadajca si z dwch elementw: podjednostki F0 stanowicej kana jonowy oraz podjednostki F1 znajdujcej si po stronie matriks, przyczajcej do czsteczki ADP fosforan nieorganiczny. Wytworzenie jednej czsteczki ATP wymaga przejcia do matriks 3,33 protonw. Budowa mitochondrialnej syntazy ATP jest analogiczna do budowy chloroplastowej syntazy ATP (patrz wykad o fotosyntezie). W ostatnich latach udowodniono rwnie obecno w wewntrznej bonie mitochondrialnej rolin biaek rozprzgajcych (UCP, ang. uncoupling protein), odpowiadajcych za niwelowanie gradientu protonw powstajcego w poprzek bony mitochondrialnej. Zapamitaj! W przeciwiestwie do kompleksw chloroplastowego acucha transportu elektronw w mitochondriach poszczeglne kompleksy funkcjonuj jako pompy protonowe, odpowiadajce za transport protonw z matriks mitochondrialnej do przestrzeni midzybonowej. Sia protonomotoryczna warunkujca fosforylacj oksydacyjn skada si z dwch elementw: gradientu chemicznego utworzonego przez protony (gradient pH) oraz

http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plik:Mitochondrial_electron_transport_chain_pl. svg&filetimestamp=20090207175927

Fosforylacja oksydacyjna to proces prowadzcy do powstania ATP w wyniku dziaania syntazy ATP

gradientu adunkw, ktry powstaje wskutek nierwnomiernego rozoenia dodatnich adunkw protonw, tworzcych gradient chemiczny. Inhibitory oddechowe jako przydatne narzdzie w badaniu aktywnoci oddechowej mitochondriw W badaniach aktywnoci oddechowej wykorzystuje si najczciej metod polarograficzn przy uyciu elektrody Clarka. Powszechnie, stosowane s specyficzne inhibitory, hamujce aktywno poszczeglnych kompleksw mitochondrialnych. Najczciej uywanym inhibitorem aktywnoci oksydazy alternatywnej (AOX) jest kwas salicylohydroksamowy (SHAM). Aktywno Kompleksu I jest hamowana przez rotenon. Aktywno Kompleksu III jest hamowana przez myksotiazol i antymycyn A, natomiast aktywno Kompleksu IV (oksydazy cytochromowej) jest hamowana przez cyjanki, azydki, NO i CO. Przy badaniu oddychania uywane s te tzw. rozprzgacze - zwizki powodujce, e bona mitochondrialna staje si przepuszczalna dla protonw (CCCP, FCCP, dinitrofenol). Podanie rozprzgacza powoduje rozprzgnicie transportu elektronw i fosforylacji oksydacyjnej.

Powszechnie stosowane inhibitory oddechoweNAD(P)+ Przestrzeo midzybonowa

H+

NAD(P)H

H+

H+

ADKompleks I Kompleks IIIMyksotiazol, antymycyna A

C

rotenon

QKompleks II

SHAM

ADNAD(P)H NAD(P)+

AOX

NAD+ NADH

H 2O O2

H+

fumaran bursztynian

O2

H+

H+

Matriks mitochondrialna

Na rysunku zaznaczono miejsce dziaania poszczeglnych zwizku o charakterze inhibitorw oddechowych. Zastosowanie inhibitorw pozwala na okrelanie udziau poszczeglnych kompleksw (gwnie AOX i oksydazy cyt. c) w oddychaniu. Oznaczenie udziau w oddychaniu drg nie zwizanych z syntez ATP jest istotne dla okrelania wydajnoci energetycznej rolin, tkanek lub izolowanych mitochondriw. Stosunek wartoci oddychania hamowanego przez SHAM do wartoci oddychania odpornego na KCN okrela udzia w oddychaniu drogi alternatywnej.

Kompleks IV

KCN

H 2O

Oksydaza alternatywna Oksydaza alternatywna (AOX z ang. alternative oxidase) to enzym obecny w wewntrznej bonie mitochondriw rolin i glonw stwarzajcy alternatywn moliwo przenoszenia elektronw z ubichinonu na tlen. Podczas klasycznego acucha oddechowego elektrony pobierane z NADH przekazywane s na ubichinon, a nastpnie poprzez kompleks cytochromowy bc1 i cytochrom c na oksydaz cytochromow. Oksydaza alternatywna przenosi elektrony na tlen z pominiciem kompleksu III i kompleksu IV acucha oddechowego. W efekcie jej dziaania NADH lub FADH2 zostaj utlenione z wytworzeniem H2O jednak nie towarzyszy temu powstawanie gradientu elektrochemicznego, a tym samym energia zgromadzona w wyniku utleniania NADH i FADH2 nie jest zamieniana na ATP, lecz uwalniana w postaci ciepa. Szczeglna cech oksydazy alternatywnej jest jej niewraliwo na inhibitory oksydazy cytochromowej np. cyjanek, azydek , tlenek wgla i tlenek azotu. W tkankach zwierzcych podanie 1 mmol l-1 KCN powoduje cakowite zahamowanie oddychania mitochondrialnego, w tkankach rolinnych oddychanie komrkowe zmniejsza si jedynie w stosunku do intensywnoci oddychania przed podaniem inhibitora. Zachodzce z udziaem oksydazy alternatywnej oddychanie komrkowe okrela si jako alternatywn drog oddechow lub oddychanie niewraliwe na cyjanek. Niewraliwo alternatywnej oksydazy na HCN moe by zwizana z obecnoci w tkankach niektrych rolin (nasiona jaboni, migday, licie niektrych traw) znacznych iloci zwizkw cyjanogennych (amigdalina, prunazyna). Hydroliza tych zwizkw przy udziale specyficznych enzymw powoduje uwalnianie gazowego cyjanowodoru inhibitora drogi cytochromowej.

Alternatywna (cyjanoodporna) droga oddechowaNADH

KI NADH deh.

ATP

UBICHINON

CIEPO

K III cytochromowy

ATP

AOX Oksydaza alternatywna O2 H2O

K IV Oksydaza cytochromowa O2 H2O

ATP

Rysunek obrazuje schematyczny przepyw elektronw na oksydaz cytochromow lub oksydaz alternatywna, z zaznaczeniem miejsc sprzenia transportu elektronw z fosforylacj. Transport elektronw na tlen przy udziale AOX powoduje uwalnianie energii w formie ciepa. Przepyw elektronw przez oksydaz alternatywn opisuj dwa modele. Model przelewowy zakada, e droga alternatywna jest uruchamiana po cakowitym wysyceniu drogi cytochromowej. W przypadku niepenego wysycenia drogi cytochromowej droga alternatywna miaaby nie funkcjonowa. Obecnie przyjmuje si tzw. model rozpywowy, w ktrym funkcjonowanie drogi alternatywnej jest niezalene od wysycenia drogi cytochromowej. Wysycenie drogi cytochromowej nie jest zatem warunkiem koniecznym uruchomienia przepywu elektronw przez drog alternatywn.

Model przepywu elektronw przez oksydaz alternatywnModel przelewowy

Pula UQ

Droga cyt. nie wysycona, droga alt. nie funkcjonuje

Droga cyt. wysycona, droga alt. funkcjonuje

Model rozpywowy

Pula UQ Droga cyt. wysycona, droga alt. nie funkcjonuje

Pula UQ Droga cyt. wysycona, droga alt. funkcjonuje

Fizjologiczna funkcja alternatywnej drogi oddechowej Najbardziej znanym efektem dziaania alternatywnej drogi oddechowej jest wydzielanie ciepa podczas kwitnienie niektrych rolin z rodziny obrazkowych (Araceae). Dziki rozpraszaniu ciepa podczas przenoszenia elektronw na oksydaz alternatywn, kwiaty tych rolin mog osiga temperatur o 14 C wysz od temperatury otoczenia. Podniesienie temperatury kwiatw zwiksza wydzielanie substancji lotnych przywabiajcych owady. Powszechno wystpowania w mitochondriach rolin oksydazy alternatywnej wskazuje, e termogeneza nie jest jedyn funkcj tego enzymu. Zwikszona ekspresja genu oksydazy alternatywnej w warunkach niskiej temperatury lub suszy wskazuje na udzia enzymu w przeciwdziaaniu niekorzystnym skutkom stresu. W warunkach stresowych oddychanie mitochondrialne ulega zahamowaniu, a niemal cay ubichinon pozostaje w stanie

zredukowanym. Nadmierna redukcja ubichinonu prowadzi do powstawania reaktywnych form tlenu (ROS). Utlenianie ubichinonu przez oksydaz alternatywn moe zapobiega powstawaniu wolnych rodnikw i chroni mitochondria przed uszkodzeniem. Zahamowanie acucha transportu elektronw skutkuje take gromadzeniem si w mitochondriach metabolitw cyklu Krebsa oraz konieczno przejcia komrki na wytwarzanie energii w drodze fermentacji. Kwasy dwukarboksylowe (np. 2-oksoglutaran) aktywuj oksydaz alternatywn co zapobiega powstawaniu metabolitw fermentacji. Dehydrogenazy Charakterystyczne dla mitochondriw rolinnych s dwie dehydrogenazy NADH, z ktrych pierwsza znajduje si po zewntrznej stronie wewntrznej bony mitochondrialnej i moe odbiera elektrony od NADH i NADPH obecnych w cytozolu i stosunkowo atwo przechodzcych przez zewntrzn bon mitochondrialn. Druga dehydrogenaza specyficzna dla mitochondriw rolinnych wystpuj po wewntrznej stronie wewntrznej bony mitochondrialnej i moe odbiera elektrony z NADH obecnego w matriks mitochondrialnym. Obie z wymienionych dehydrogenaz przekazuj elektrony na ubichinon. Wsplna cech tych dehydrogenaz jest take brak transportu protonw przez wewntrzn bon mitochondrialn. Oznacza to wic, e nie bior one udziau w wytwarzaniu gradientu elektrochemicznego, jak ma to miejsce w przypadku Kompleksu I. Utlenienie NADH przez dodatkowe dehydrogenazy prowadzi wic do wytwarzania mniejszych iloci ATP.

Brak pirogronianu w cytozolu moe spowodowa zahamowanie funkcjonowania cyklu Krebsa. W takiej sytuacji wczana jest alternatywna droga syntezy pirogronianu z jabczanu przy udziale: - dehydrogenazy jabczanowej (cytoplazma) i - enzymu jabczanowego (mitochondrium). Transport pirogronianu przez przenonik pirogronianowy jest gwnym sposobem jego dostarczenia do mitochondriw. W komrkach rolinnych istnieje take drugi sposb dostarczenia do matriks mitochondrialnej kluczowego dla dalszych etapw oddychania zawizku. Pirogronian moe by wytwarzany w matriks przez dehydrogenaz jabczanow dekarboksylujc, nazywan take enzymem jabczanowym. Enzym ten przeprowadza reakcj dekarboksylacji jabczanu, co wie si ze zredukowanie czsteczki NAD+. Jabczan do mitochondriw dostarczany jest przez przenonik kwasw dikarboksylowych z cytozolu, gdzie powstaje z fosfoenolopirogronianu bdcego metabolitem glikolizy. Fosfoenolopirogronian przeksztacany jest przez karboksylaz fosfoenolopirogronianu do szczawiooctanu poprzez przyczenie czsteczki CO2. Powstay szczawiooctan redukowany jest do jabczanu przez dehydrogenaz jabczanow zuywajc do redukcji NADH obecny w cytozolu. Przenoszenie jabczanu przez wewntrzn bon mitochondrialn dostarcza pirogronianu dla kompleksu dekarboksylazy pirogronianu lub te jabczan jest bezporednio wczany w cykl Krebsa. Istotne jest przeniesienie w postaci jabczanu take siy redukcyjnej (NADH) odtwarzanej przez enzym jabczanowy w matriks. Enzym jabczanowy moe rwnie dekarboksylowa jabczan wytwarzany w cyklu Krebsa tworzc alternatywny cykl metaboliczny.

Kinaza pirogronianowa

Droga metaboliczna jabczanu

pirogronian

Dehydrogenaza jabczanowa jabczanpirogronian

jabczan

Brak pirogronianu moe spowodowa zahamowanie funkcjonowania cyklu Krebsa. W takiej sytuacji wczana jest alternatywna droga syntezy pirogronianu z jabczanu przy udziale: - dehydrogenazy jabczanowej (cytoplazma) i - enzymu jabczanowego (mitochondrium).

Enzym jabczanowy = dehydrogenaza jabczanowa dekarboksylujca NAD = MALIC ENZYME !!

Zapamitaj! Szczeglne cechy oddychania mitochondrialnego u rolin Pomimo podobiestw w budowie acucha transportu elektronw mitochondria rolinne rni si kilkoma cechami Posiadaj dodatkowe, alternatywne dehydrogenazy zapewniajce dodatkowy system utleniania NAD(P)H. S to dehydrogenazy zewntrzmitochondrialnego (cytosolowego) NAD(P)H oraz dehydrogenaza wewntrzmitochondrialnego NADH niewraliwa na rotenon- inhibitor kompleksu I. Posiadaj oksydaz alternatywn (AOX), biako, ktrego aktywno nie jest hamowana przez cyjanki i azydki. Dziki obecnoci AOX moliwy jest transport elektronw bezporednio z ubichinonu na tlen z pominiciem acucha cytochromowego, a tym samym dwch miejsc sprzenia na Kompleksie III i Kompleksie IV. W mitochondriach rolinnych wystpuje dehydrogenaza jabczanowa dekarboksylujca zalena od NAD (enzym jabczanowy). Mitochondria izolowane z fotosyntetyzujcych komrek posiadaj zdolno do utleniania glicyny powstajcej w reakcjach zwizanych z fotooddychaniem.

-

-

-

Cechy te odzwierciedlaj konieczno przystosowywania si rolin do zmieniajcych si warunkw metabolicznych, a take wspdziaanie mitochondriw z innymi organellami przetwarzajcymi substraty oddechowe (peroksysomy) lub energi (chloroplasty). Dlatego te, istotne jest rozwaanie funkcji tych organelli komrkowych w powizaniu z innymi kompartmentami komrkowymi i warunkami rodowiskowymi w jakich znajduje si rolina (wiato, ciemno).

Regulacja procesw oddechowych przebiega na poziomie biochemicznym Procesy wytwarzania energii w oddychaniu komrkowym zachodz nieprzerwanie przez cae ycie. Jednak zapotrzebowanie na energi zmienia si zalenie od warunkw rodowiska i etapu rozwoju organizmu. Dlatego konieczna jest precyzyjna regulacja poszczeglnych etapw oddychania komrkowego. Szybko przemian zachodzcych podczas glikolizy regulowana jest przez kilka enzymw. Miejscem kontroli s w rnym stopniu wszystkie enzymy przeprowadzajce reakcje nieodwracalne (heksokinaza, fosfofruktokinaza i kinaza pirogronianowa). Najwaniejszym enzymem podlegajcym regulacji jest fosfofruktokinaza, jej aktywno hamuje wysokie stenie ATP oraz jonw H+ pojawiajcych si podczas fermentacji. Enzymem o mniejszym znaczeniu dla regulacji glikolizy jest heksokinaza hamowana przez glukozo-6-fosforan. Regulacyjne znaczenia tego enzymu jest mniejsze ze wzgldu na udzia produktu reakcji w wicej ni jednym szlaku metabolicznym. Ostatni

enzym biorcy udzia w glikolizie kinaza pirogronianowa hamowany jest przez ATP, a aktywowany przez fruktozo-1,6-bisfosforan. Kluczowym enzymem regulujcym reakcje oddechowe w mitochondriach to dehydrogenaza pirogronianowa. Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej zawiera dwa enzymy niebiorce udziau w przeksztacaniu pirogronianu do acetylo -CoA, a jedynie regulujce aktywno caego kompleksu. Kinaza dehydrogenazy pirogronianowej poprzez przyczenie fosforanu hamuje aktywno kompleksu. Do fosforylacji dochodzi, gdy w mitochondriach znajduje si dua ilo ATP, a wic zapotrzebowanie na energi jest pokryte w wystarczajcym stopniu. Gdy ilo ATP w mitochondriach ulega zmniejszeniu, kompleks dehydrogenazy ulega aktywacji poprzez odczenie fosforanu przez fosfataz P-PDH, ktra jest trwale powizana z kompleksem. Dziki kinazie i fosfatazie kluczowy dla reakcji mitochondrialnych enzym moe by "wczany" i "wyczany" zalenie od zapotrzebowania komrki na energi. Fosforylacja kompleksu zaley take od stosunku NADH/NAD+ oraz acetylo-CoA/CoA. Aktywno kompleksu reguluj wic take produkty reakcji przez niego katalizowanej. Take sam przebieg cyklu Krebsa jest regulowany. Dehydrogenaza izocytrynianowa podlega stymulacji przez ADP. Zwikszenie aktywnoci enzymu powoduj take NAD+ oraz jony Mg2+. ATP za peni funkcj inhibitora enzymu. Kontrola obejmuje take dehydrogenaz ketoglutaranu. Jej aktywno ulega obnieniu, gdy wzrasta stenie produktw katalizowanej reakcji NADH i bursztynylo-CoA oraz podnosi si stenie ATP. Mona zatem powiedzie, e czynnikami regulujcymi przepyw wgla przez cykl Krebsa s stenia nukleotydw adenylowych oraz NADH. adunek energetyczny (EC ang. energy charge) moe teoretycznie przybiera warto od 0 (wwczas wyczna form adenylanw jest AMP) do 1 (wystpuje wycznie ATP). Aktywno enzymw zuywajcych ATP jest stymulowana gdy adunek energetyczny przyjmuje due wartoci, natomiast aktywno enzymw szlakw na ktrych ATP jest regenerowany s stymulowana przez niskie wartoci EC. W nieuszkodzonych komrkach rolinnych EC przyjmuje warto 0,7-0,9. Zmiany stenia ADP porednio wpywaj na warto stosunku NADH/NAD, poprzez oddziaywanie na transport elektronw i fosforylacj oksydacyjn. Wysokie stenie NADH hamuje aktywno niektrych enzymw cyklu Krebsa oraz dehydrogenaz pirogronianow, odpowiadajca za syntez acetylo-CoA. Zapamitaj! O intensywnoci oddychania decyduje: adunek energetyczny adenylanw [ATP + 1/2 ADP]: [ATP + ADP +AMP] stosunek [ATP]/[ADP] poziom ATP w matriks mitochondrialnej stosunek NADH/NAD+ w matriks mitochondrialnej

Czynniki wpywajce na intensywno oddychania mitochondrialnego: A) endogenne (wewntrzne) rodzaj organu lub tkanki, stadium rozwojowe roliny, stopie uwodnienia, dostpno substratu

B) egzogenne (zewntrzne) dostpno tlenu, dostpno dwutlenku wgla, temperatura, wiato, Czynniki rodowiskowe, stresory (patogeny, zranienia tkanek, niedobr/ nadmiar wody, niedobr skadnikw mineralnych).

wiato -W komrkach rolinnych aktywno czci enzymw reguluje wiato. Enzymem ulegajcym deaktywacji podczas owietlania jest dehydrogenaza pirogronianowa obecna w mitochondriach. Z kolei aktywno enzymu jabczanowego zalenego od NAD+ (NAD-ME) wzrasta w ciemnoci.

Tlen - Tworzenie aerenchymy jest wyrazem przystosowa roliny do niekorzystnych warunkw rodowiskowych (niedobr tlenu powstajcy w warunkach zalania). Aerenchyma to mikisz powietrzny tworzcy system kanaw wentylacyjnych, ktrymi gazy mog si swobodnie przemieszcza w obrbie roliny. Aerenchyma tworzy si w wyniku uruchamiania PCD (programowana mier komrkowa), ktra jest regulowana przez sygna pochodzcy z mitochondriw polegajcy na wypywie cyt c z mitochondriw do cytoplazmy. Rozwj aerenchymy jest regulowany take przez etylen, ktrego synteza wzrasta w warunkach stresu hypoksji (obnienie stenia tlenu). Informacje na temat aerenchymy znajdziesz take w wykadzie dotyczcym gospodarki wodnej roliny. Warunki nadmiaru wody spowodowane zalaniem rolin powoduj ograniczenie dostpnoci tlenu do korzeni, co prowadzi do zahamowania oddychania tlenowego i wzrostu intensywnoci oddychania beztlenowego. Wywouje to okrelone skutki fizjologiczne: zahamowanie oddychania; oksydaza cytochromowa ma wysokie powinowadztwo do O2, spadek stenia O2 poniej 5% daje efekt obnienia intensywnoci oddychania,

sabsze zaopatrzenie rolin w energi (ATP), zaburzenia metaboliczne: synteza toksycznych produktw etanolu, zmiany w zawartoci hormonw: zahamowanie syntezy cytokininy i gibereliny, wzrost zawartoci ABA co skutkuje zamkniciem aparatw szparkowych, zahamowanie fotosyntezy, zahamowanie wzrostu, zmiany w transporcie asymilatw: zahamowanie transportu asymilatw z lici do innych organw, akumulacj skrobi w chloroplastach. Temperatura -Roliny s w stanie przeprowadza oddychanie w temperaturach niewiele powyej zera (roliny grskie) a do temperatur zbliajcych si do 60C (roliny pusty). Chocia czci zimujce np. igy rolin szpilkowych oddychaj nawet w temperaturze poniej -20 C. Regulacja intensywnoci oddychania przez temperatur wynika przede wszystkim z jej wpywu na aktywno enzymw, lepko cytoplazmy i szybko dyfuzji gazw (O2 i CO2).Wpyw temperatury na intensywno oddychaniaintensywno oddychania70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 temperatura

Optimum temperaturowe oddychania T= 35C, Wzrost temperatury powyej 35 C powoduje uszkodzenia tkanki i spadek intensywnoci oddychania

Przypomnij sobie jak przebiegaa krzywa opisujca zaleno intensywnoci fotosyntezy od temperatury. Porwnaj optimum temperaturowe fotosyntezy i oddychania. Zwr uwag, e intensywno oddychania maleje wraz z upywem czasu tym szybciej im temperatura jest wysza od optymalnej.

Tabela poniej opisuje zrnicowanie intensywnoci oddechowej tkanek rolinnych w zalenoci od ich stanu fizjologicznego. Najwysz intensywno oddychania obserwuje si w przypadku modych, intensywnie rosncych tkanek, ktre wykazuj najwiksze zapotrzebowanie energetyczne. Intensywno oddychania jest te uzaleniona od stopnia uwodnienia tkanek.

Intensywno oddychania rnych organw rolin(zrnicowanie tkankowe)

Intensywnod oddychania jest zalena od stanu fizjologicznego tkanki/organu

OrganSuche nasiona Nasiona kiekujce Korzenie rnych rolin Licie bardzo mode Licie wyronite Owoce misiste

l CO2 / g w.m. / godz. 0,06 108Wzrost 2000 razy

960-15001100 440 20-30

WANY stopieo uwodnienia tkanki

Ciekawym przykadem zalenoci intensywnoci oddychania od stanu rozwojowego jest wzrost intensywnoci tego procesu podczas posprztnego dojrzewania owocw (banany, jabka, gruszki) kiedy to etylen- fitohormon warunkujcy dojrzewanie owocw indukuje tzw. oddychanie klimakteryczne. Innym przykadem jest wzrost oddychania bulw ziemniakw w temperaturze 2 oC, zwizany ze wzrostem aktywnoci -amylazy, ktrej optimum temperaturowe wynosi ok. 2 oC. Wzmoona w tej temperaturze hydroliza skrobi uwalnia substraty oddechowe (sacharoz). Dlatego te przechodzone ziemniaki staj si sodkie. Najkorzystniejsz temperatur przechowywania bulw ziemniakw jest 4 6 oC poniewa w takich warunkach ich oddychanie jest najnisze.

Modyfikacje skadu gazowego atmosfery np. obnienie stenia O2 i podwyszenie stenia CO2 ogranicza oddychanie owocw w przechowalniach, co przedua ich wieo. Zwikszenie stenia azotu ( N2) ogranicza oddychanie beztlenowe (fermentacj) i rozwj patogenw.

Na zakoczenie sprbuj przeanalizowa przebieg krzywej obrazujcej oddychanie izolowanych mitochondriw mierzone przy uyciu elektrody tlenowej Clarka.

Pomiar oddychania przy uyciu elektrody tlenowej Clarka (charakterystyka izolowanych mitochondriw)substrat

Stan 1 Stan 2

25150 Stan 3

ADP

ADP

Inhibitory oddechowe np. KCN, SHAM Rozprzgacz np. FCCP, detergent, powoduje przyspieszony transport elektronw w aocuchu, ktremu nie towarzyszy fosforylacja.60 nmol O2 2 min

25Stan 4 150 rozprzgacz

25

150

Wyizolowane mitochondria maj bardzo niski poziom oddychania (stan 1), oddychanie to nieco wzrasta, po dodaniu substratu oddechowego (np. NADH) (stan 2), natomiast po dodaniu ADP jest wyranie stymulowane (stan 3). Poziom oddychania spada ponownie, gdy zuyty zostanie dodany ADP (ulegnie fosforylacji) (stan 4). Dodawanie ADP i jego zuywanie moe by kontynuowane, a do wyczerpania tlenu w naczyku pomiarowym. Regulacja aktywnoci oddechowej mitochondriw przez ADP nazywana jest kontrol oddechow. Okrela si j jako stosunek pobierania tlenu w stanie 3 do pobierania tlenu w stanie 4 (przy wysycajcych steniach substratu). W celu wykonania charakterystyki preparatu mitochondrialnego wylicza si rwnie stosunek ADP:O (stosunek ufosforylowanego ADP do pobranego w tym czasie tlenu), czyli wspczynnik, ktry informuje o iloci czsteczek ATP powstajcych podczas transportu 2 elektronw na O2 w acuchu oddechowym. Teoretycznie warto wspczynnika ADP:O wynosi 3. Warto wspczynnika jest rna w zalenoci od rodzaju donora elektronw na acuch mitochondrialny, i tak dla NADH wynosi 2,4 - 2,7, dla bursztynianu i zewntrz mitochondrialnego NADH wynosi 1,6 - 1,8, natomiast dla substratu, ktry moe by dawc elektronw na cytochrom c warto stosunku ADP:O wynosi 0,8 - 0,9. Wartoci

wspczynnika ADP:O wynikaj bezporednio z iloci miejsc sprzenia, a zatem zale od udziau drogi alternatywnej. Podanie rozprzgacza sprawia, e bona wewntrzna mitochondriw przestaje by szczelna, i nie tworzy si gradient elektrochemiczny w poprzek bony bdcy motorem oksydacyjnej fosforylacji i nie powstaje ATP. Rozprzgacze np. FCCP to detergenty, powoduje przyspieszony transport elektronw w acuchu, ale nie ma wwczas fosforylacji.

Literatura Juszczuk I.M., Rychter A.M. 2003. Alternative oxidase in plants. Acta Biochimica Polonica 50: 1257-1271 Podstawy biologii komrki rolinnej, red. Wony A., Michejda J., Ratajczak L. Rozdzia Mitochondria. Wydawnictwo Naukowe UAM, Pozna 2000. Fizjologia Rolin, red Kopcewicz J., Lewak S. Procesy oddechowe. Wydawnictwo Naukowe PWN , Warszawa 2002. Fizjologia rolin, red Kozowska M. Procesy oddechowe rolin. Pastwowe Wydawnictwo Rolnicze i Lene, Pozna 2007.

Problemy do przemylenia 1. Zastanw si w ktrych kompartymentach komrkowych przebiegaj reakcje glikolizy, cyklu Krebsa i transportu elektronw i jakie to ma znaczenie dla procesu oddychania komrkowego. 2. Wymie ktre z czynnikw rodowiskowych wpywaj na intensywno oddychania rolin i dlaczego? 3. Dlaczego mitochondria nazywane s elektrowniami komrki rolinnej, skoro ATP jest produkowane take w chloroplastach? 4. Dlaczego syntaza ATP jest nazywana czynnikiem sprzgajcym?

Zadanie rachunkowe Oznaczono aktywno oddychania nasion sonecznika wykorzystujc pomiar zmian stenia tlenu przy pomocy elektrody Clarka w fazie gazowej. Wiadomo, e 1 ml powietrza zawiera 9,73 mole O2. Podczas kalibracji elektrody oznaczono, ze dodanie 0,5 ml powietrza powoduje przesunicie wskaza rejestratora o 5 jednostek. Oblicz intensywno oddychania 3 g kiekujcych nasion grochu jeli wiadomo, e w cigu 4 minut wskazanie rejestratora zmienio si o 2,5 jednostki. Intensywno oddychania wyra w mol O2 min-1 g-1.