Disanje i znaaj disanja U fotolizi vode dolazi

Disanje i značaj disanja U fotolizi vode dolazi do razlaganja HOH na 2 e¯ + 2 H* + ½O 2 -- Disanje odgovara ponovnom sjedinjavanju vodonika i kiseonika(uz oslobađanje E-je) -SUMARNA jednačina aerobnog disanja: -C 6 H 12 O 6+6 H 2 O+6 O 2→ 12 H 2 O +6 CO 2 -( ΔG= - 2850 k. J⁄ mol glukoze) -E-ju iskorišćavaju autotrofne i heterotrofne ć-je i organizmi -Dva tipa disanja: aerobni i anaerobni tip disanja -Aerobno disanje -elektroni prelaze na O 2 -Anaerobno disanje -elektroni prelaze na neki drugi akceptor elektrona. Povremeno pojedina tkiva viših biljaka, i neki m. o. dišu i u odsustvu kiseonika. -U prirodi se stalno odigravaju procesi oksidacije -

Osnovni biološki značaj disanja Snabdevanje ćelija energijom n E-ja održava labilnu submikroskopsku strukturu protoplazme n Za odvijanje svih endotermnih procesa ćelije: sinteze, strujanje protoplazme, pokreta i dr. n Preobražajem organskih molekula nastaju i brojni produkti značajni za sintezu amino kiselina, masnih kiselina. . . n Mogućnost da se na disanje utiče agrotehničkim zahvatima -značajno i za skladištenje poljoprivrednih proizvoda: korena, krtola, plodova i sl. n

Razlika između biološke oksidacije i sagorevanja n n Osnovna razlika između biološke oksidacije i sagorevanja je u energiji koja se pri tim procesima oslobađa. pri sagorevanju E-ja se oslobađa u vidu toplote U biološkoj oksidaciji značajan deo se prevodi u hemijsku energiju ATP Biološkom oksidacijom E-ja se postepeno oslobađa (zavisno od dinamike njene potrošnje)

Definicije disanja n n n Najstarija i nepotpuna : mehanički akt, izmena gasova, pri čemu ćelije tkiva i organizmi usvajaju O 2 i izdvajaju CO 2 Današnje definisanje disanja: niz oksido-redukcionih reakcija koje su praćene oslobađanjem energije. Pored aerobnog disanja spadaju i sve vrste vrenja i oksidacije neorganskih materija (kod nekih m. o. ) koji protiču uz oslobađanje energije. Disanje čine veoma složeni procesi koji se jedan na drugi nadovezuju i koje katalizuje veći broj različitih enzima. Krajnji produkat jedne reakcije predstavlja početni supstrat za sledeću fazu razlaganja. Po završetku lanca reakcija polazni supstrat se potpuno preobrazi

Materije disanja-ugljeni hidrati Supstance koje u procesu oksidacije oslobađaju energiju neophodnu za ćelijske procese n Više biljke koriste u. hidrate (1/3 od stvorenih fotosintezom) se razloži disanjem -rastvorljivi monosaharidi - direktno -oligo i polisaharidi – indirektno Uključivanje oligo i polisaharida u proces disanja počinje hidrolizom. Saharoza →glukoza +fruktoza (enzim invertaza) Skrob →maltozu (enzim α iβ-amilaza) maltozu →glukozu (enzim maltaza) -mobilizacija skroba karakteristična za organe u kojima je skrob rezerva - Veoma značajne hidrolaze u procesu mobilizacije u. h. su i fosforilaze. Fosfatni estri monosaharida su veoma reaktivni - Hidroliza hemiceluloze (plod banane) n

Materije disanja–proteini i masti List vinove loze u toku prvih 100 h gladovanja troši u. hidrate a nakon toga počinje razgradnja proteina. n Postoje shvatanja da se proteini koriste za disanje i bez gladi biljke. n Proteini hidrolizom daju amino kiseline i amide. Oksidacija : a. k. (neposredno)→oksidativna dezaminacija a. k. (posredno) uz učešće polifenol oksidaza n Primenom C 14 markiranih masnih kis. i glicerola utvrđene su masti kao supstrati disanja - Predhodno se vrši hidroliza masti na glicerol i više masne kiseline. Svaka od njih zatim može da posluži kao materija u procesu disanja. (β-oksidacija aktivir. v. m. k) - Oksidacija masti je specifična u semenu u toku klijanja(predhodno prevođenje u šećere – ciklus glioksalne kiseline). Organske kiseline (iz ciklusa limunske i dr. )Uz oglede sa C 14 markiranih organskih kis. n

Hemizam i mehanizam disanja Više biljke obezbeđuju se energijom u procesu disanja prvenstveno razgradnjom ugljenih hidrata : - Glikoliza – do mlečne kiseline - Ciklusom limunske kiseline - Anaerobnom razgradnjom supstrata – alkoholno vrenje - Direktna oksidacija glukoze (WDH -put) Koeficijent disanja za organska jedinjenja je sledeći: - Ugljeni hidrati → 1 - Lipidi → oko 0, 7 - Organske kiseline → od 1, 5 -2, 3 Promene u procesu disanja se vrše : - Posredno, uz učešće specifičnih enzima - Neposredno, nespecifično

Glikolizan n n u mladim biljkama Glikoliza , do piruvata tj. pirogrožđene kiseline C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 Pi +2 NAD→ 2 C 3 H 4 O 3 + 2 ATP + 2 NADH 2 Glikoliza , daljom transformacijom preko piruvata do laktata tj. mlečne kiseline C 6 H 12 O 6→ 2 CH 3 -CHOH-COOH ∆Fº= - 94, 05 k. J/mol GLIKOLIZA–EMP put razlag. Transformacija glukoze u mlečnu kiselinu pod anaerobnim uslovima. Stupnjevit proces koji je katalizovan od polienzimskog sistema, koga čine 13 glavnih i nekoliko sporednih enzima. FAZE 1)Prevođenje glukoze u aktivni oblik glukozu-1 -fosfat n hidrolitičko razlaganje polisaharida n aktiviranje glukoze u procesu fosforilacije 2)Transformacija aktivnog oblika glukoze u 2 mola triozofosfata 3)Uporedni proces dehidrogenacije triozofosfata u fosfoglicerinsku kiselinu i sintezu 1 mola ATP -a. 4)Prevođenje fosfoglicerinske kis. u PGA uz sintezu 1 mola ATPPromena (PGA) u mlečnu kiselinu (postoje i druge alternative razgradnje PGA ) 1. Ciklus limunske kiseline 2. Alkoholno vrenje – do etil alkohola 3. Oksidativna dekarboksilacija PGA 4. Aminacija (alanin) i karboksilacija (oksalat)

Ciklus limunske kiseline n n odvija u mitohondrijama u prisustvu O 2 (mitohondrijalne kriste) -započinje kondenzacijom acetil. Co. A(2 C) i oksalsirćetne kis. (4 C). veća koncentracija acetil-Co. A se obezbeđuje razgradnjom masnih k-na a oksalsirćetna kiselina COOH-CH 2 -COCOOH se sintetiše u mitohondrijama procesom karboksilacije PGA CH 3 CO-COOH (enzim- piruvat karboksilaza, prisustvo ATP i Mg ²+jona i CO 2). Redukcioni ekvivalenti koji se pri razlaganju supstrata oslobađaju transportuju se u jedan sistem prenosa elektrona koji je vezan u membrani mitohondrija “ respiratorni lanac“ u cilju dobijanja ATP-a.

KREBSOV CIKLUS – (ciklus trikarbonskih kiselina) - FAZE 1 ) enzim –citrogenaza. Oksalsirćetna kisel. +Acetil-Co. A →limunska kiselina + koenzim A n 2) enzim – akonitaza ( izomerizacija limunske k. u izolimunsku k. ) n 3)enzim–izocitrat –dehidrogenaza (izolimunska →oksalćilibarnu). n Procesom dekarboksilacije oksalćilibarna daje α- ketoglutarnu kis. n α- ketoglutarnu kis. je prvi dikarbonski međuproizvod u Krebsu. n 4) uz učešće : Co. A-SH, NAD+, TPP, lipoinske kis. i Mg ²+-jona α-ketoglutarnu kis. → sukcinil-Co. A n

KREBSOV CIKLUS –(ciklus trikarbonskih kisel. )-FAZE n n n n n 5) enzim : sukcinat-tiokinaza Iz sukcinil-Co. A nastaje ćilibarna kis. i oslobađa se E obrazovanja 1 mola GTP-a. enzim : fosfokinaza GTP procesom konverzije E obrazuje 1 mol ATP iz ADP-a. 6) enzim : sukcinat-dehidrogenaza (koenzim FAD) Prevođenje ćilibarne kiseline →fumarnu kiselinu 7) enzim : fumaraza Adicijom 1 molekula H 2 O fumarna k → jabučnu kiselinu 8) enzim : malat- dehidrogenaza (koenzim NAD+)Proces oksidacije jabučne kiseline → oksalsirćetne kiseline. Obrazovana oksalsirćetna kis. se uključuje u Krebs ponovo

KREBSOV CIKLUS Mitohondrije sadrže sve neophodne enzime za potpuno razlaganje karbonskih kiselina do CO 2 i H 2 O. n Većina enzima Krebsa nalazi se u matriksu mitohondrija ili su labilno vezani za unutrašnju stranu unutrašnje membrane mitohondrija dok neki npr. Sukcinat –dehidrogenaza predstavlja sastavni deo membrane mitohondrija n Krebs ima , ne samo kataboličku ulogu , konačne razgradnje, nego je i deo biosintetskih puteva. Oksalacetat -transaminacijom daje asparaginsku k. . 2 -oksoglutarna- transaminacijom u glutaminsku k. . Oksalacetat- dekarboksilacijom daje PGA Oksalacetat-aminacijom daje alanin PGA - dekarboksilacijom daje acetil-Co. A ("aktiviranu sirćetnu kiselinu") Sukcinil-Co. A je važan prekursor za izgradnju porfirinskog skeleta a time i hlorofila. n

OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA n n n n n -Spregnuta reakcija oksidacije i obrazovanja organskog jedinjenja inkorporacijom neorganskog fosfata. ADP + H 3 PO 4↔ ATP + H 2 O -slobodna energija oksidacije se zadržava kao elektrohemijska e-ja u obliku membranskog p. H-gradijenta u mitohondrijama. - stvorena elektrohemijska energija se u prisustvu enzima mitohondrijske ATP-sintetaze skladišti u obliku ATP-a. -Obrazovanje ATP-a iz ADP-a i neorganskog fosfata obavlja se u funkciji elektron-transportnog sistema (ETS). Oksidativna fosforilacija sistema NADH +H i FAD∙ 2 H sumarno: a) NADH +H+ +1/2 O 2 +3 ADP+3 H 3 PO 4 → 3 ATP +NAD +4 H 2 O b)FAD∙ 2 H+1/2 O 2 +2 ADP+2 H 3 PO 4 → 2 ATP + 2 FAD +3 H 2 O -Transfer elektronskog para duž respiracionog lanca omogućavaju: NADH +H+ i FAD∙ 2 H, Cyt b, Cyt c, Cyt a+a 3. -Oksidativne reakcije daju značajne količine korisne hemijske energije u obliku makroergičnih fosfatnih jedinjenja.

Lokalizacija obrazovanja makroergičnih fosfata u ETSu. - Članovi respiratornog lanca poređani su po redokspotencijalu. Najznačajniji su citohromi (Fe-porfirin, ), flavoproteini (FMN), Ubihinon, i niz Fe- S proteida. Fe-S proteidi su filogenetski najstariji elektrontransportni proteidi Najnegativniji redokspotencijal ima prvi član lanca , sistem NAD+⁄NADH+H (E‘ 0=300 m. V), a najpozitivniji je redokspotencijal je na mestu gde se elektroni direktno predaju molekularnom kiseoniku +800 m. V.

Direktna oksidacija glukoze n n n 1. 2. Direktna oksidacija koja se za razliku od aerobne oksidacije ne odigrava u mitohondrijama već u citoplazmi ali i u hloroplastima. U toku direktne oksidacije glukoze dolazi do odvajanja H sa glukoze i do njegovog prenosa na NADP+. Krajnji produkti ovog procesa su CO 2 i NADPH +H +. O 2 ne učestvuje u ovim procesima pa se direktna oksidacija glukoze može odvijati i u anaerobnim uslovima Razlikuju se dve faze: Oksidacija glukoza-6 -P u pentozu. P Regeneracija glukoza-6 -P, koji se zatim ponovo uključuje u ciklus

Direktna oksidacija glukoze 6 C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O→ 6 C 5 H 10 O 5 + 6 CO 2 +12(2 H*) 2. 6 C 5 H 10 O 5 → 5 C 6 H 12 O 6 Suma: C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O → 6 CO 2 +12(2 H*) (G-6 -P + 6 H 2 O + 12 NADP+ → 6 CO 2 + 12 NADPH+H+ + H 3 PO 4) -ima cikličan karakter i nekoloko naziva: 1. Ciklus pentoza-fosfata 2. WDH shema ili WLD put 3. Oksidativni pentozo-fosfatni ciklus Nije povezana sa fotosintezom izuzev što fotosinteza kod autotrofa posredno ili neposredno obezbeđuje C 6 H 12 O 6 - Važnost je u stvaranju jedinjenja značajnih za sintezu mnogih materija kao i snabdevanje ćelija dovoljnom količinom NADPH+H+. 1. Energetski bilans je 35 molova ATP.

PENTOZOFOSFATNI PUT RAZLAGANJA D -GLUKOZE WDH-put RAZLAGANJA D-GLUKOZE n n n alternativni put metabolizma D-glukoze, otkriven blokiranjem enzimskog sistema EMP-puta (glikoliza). pentozofosfatni put oksidacije D-glukoze 1 faza : oksidativni karakter, reakcije ireverzibilnog tipa 2 faza : neoksidativni karakter, reakcije reverzibilnog tipa (velika produkcija pentozofosfatnih jedinjenja, centralno mesto zauzimaju enzimski sistemi transketolaze i transaldolaze. WDH put oksidacije D-glukoze se odvija u citoplazmi omogućuje konverziju heksoza u pentoze, koje su značajne za biosintezu nukleinskih kis. i nukleotida. Da bi se 1 mol D-glukoze-6 -fosfata razložio preko WDH-puta potrebno je da se ciklus reakcija ponovi 5 puta.

1) enzim: fosfogluko-kinaza Glukoza → glukoza -6 -fosfat Enzim : glukozo -6 -fosfat-dehidrogenaza, Mg -jon glukoza -6 -fosfat → 6 -fosfoglukono-δ-lakton 2)Enzim: glukolakton-hidrolaze ili laktonaze, aktivator Mg ili Ca jon. Hidroliza 6 -fosfoglukono-δ -lakton → 6 -fosfoglukonska kiselina n 3)Enzim: dehidrogenaza-6 -fosfoglukonske kiseline 6 -fosfoglukonska kiselina→ 3 -ketoglutarat -----→ ribuloza-5 – P + CO 2 Neoksidativni deo 4) Enzim: ribulozo-5 -fosfatepimeraze Ribulozo-5 -P------→ ksilulozo-5 -P Istovremeno Ribulozo-5 -P-----→ D ־ ribozu-5 - P 5) Enzim: transketolaza (koenzim TPP, Mg-jon activator). Prenos keto-grupe sa ksilulozo-5 -P na ribozu -5 -P, pri čemu se obrazuje sedoheptuloza-7 -P i gliceraldehid-3 -P 6)U reakcijama transaldolizacije sedoheptuloza-7 -P i gliceraldehid-3 -P→fruktozu-6 -P i eritrozu-4 -P fruktozu-6 -P izomerizacijom daje glukozu-6 -P 7)ksiluloze-5 -P i eritroze-4 -P→ fruktozu-6 -fosfat i gliceraldehid-3 -P

ANAEROBNA RAZGRADNJA UGLJENIH HIDRATA U VIŠIM BILJAKAMA n n n n n Mnogi m. o. , tkiva viših biljaka, životinja i čoveka sposobna su da razlažu org. mat. i u odsustvu O 2. Organizmi i tkiva mogu da budu i fakultativno anaerobni tj. čim dospevaju u aerobne uslove odmah prelaze sa anaerobnog na aerobno disanje. Reakcioni mehanizam koji omogućava razgradnju organskih materija u odsustvu O 2 je v r e n j e. Pri vrenju iz 1 mol Glukoze→ 2 ATP Pri aerobnoj razgradnji glukoze → 38 ATP Pri vrenju 90% energije ostaje u produktima razlaganja , tj. u oblicima koje organizmi ne mogu direktno da koriste. Veoma intenzivno razlaganje supstrata. Paster je 1860 uočio da kvasci mnogo brže razlažu šećere u anaerobnim nego u aerobnim uslovima. Do anaerobnog disanja u višim biljkama dolazi ako je koncentracija O 2 niža od 2 -5%. u ćelijama parenhima u krtolama, plodovima, korenu Delimična anaerobioza u meristemskim ćelijama Krajnji produkti viših biljaka: mlečna, oksalna,

n n Enzim piruvat-dekarboksilaza vrši karboksilaciju PGA pri čemo nastaje acetaldehid – izolovan i kod ćelija viših biljaka. Klijanci viših biljaka sadrže alkoholdehidrogenazu ali ipak u višim biljkama alkohol se veoma retko javlja. ALKOHOLNO VRENJE Razlaganje u. h. u prisustvu gljivica alkoh. vrenja. Saccharomyces PGA transformiše u etanol(Et-OH), preko reakcija dekarboksilacije i redukcije u prisustvu enzima alkoholna dehidrogenaza. 1 f. –PGA u prisustvu piruvat-dekarboksilaze prelazi u acetaldehid. 2. f. - Nastali acetaldehid se u prisustvu alkoholne – dehidrogenaze redukuje u etanol (Et-OH).

Pokazatelji disanja Intenzitet disanja Predstavlja količinu usvojenog O 2 ili izdvojenog CO 2 u jedinici vremena po jedinici mase biljnog materijala. Može se izraziti: -Na količinu apsolutno suve ili sveže biljne materije -na ukupan sadržaj azota -na količinu proteina Qco 2 ili Qo 2 - količinu izdvojenog CO 2 ili usvojenog O 2 u ml po 1 g suve materije, pri 0°C i 1, 013 · 100000 Pa⁄h. - Disanje mladih biljaka = intenzitetu disanja animalnih tkiva -Disanje biljaka-sporije u odnosu na disanje m. organ. -Izdvojena količina CO 2 u toku 24 h približno odgovara oko ⅓ od količine usvojenog CO 2 u procesu fotosinteze - Intenzitet disanja biljaka zavisi od niza ekoloških i unutrašnjih činilaca - Vrednost intenziteta biljaka je krajnje nepostojana. n

Koeficijent disanja ili respiracioni koeficijent - RQ n n n n Predstavlja odnos između izdvojenog CO 2 i usvojenog O 2 za isto vreme. mol CO 2 ∆tˉ¹ RQ= ----------mol O O 22∆tˉ¹ mol Ukoliko se neki ugljeni hidrat tipa (CH 2 O)n potpuno oksidiše RQ = 1 C 6 H 12 O 6 +6 O 2→ 6 CO 2 + 6 H 2 O RQ= 6 : 6 = 1 U mladim, mesnatim plodovima RQ<1(razlaganje u. h do jabučne, limunske i dr. ) Ukoliko se kao supstrat koriste jedinjenja relativno siromašna u O 2 onda je RQ<1 RQ stearinske kis =0, 69 C 18 H 36 O 2 + 26 O 2→ 18 CO 2 + 18 H 2 O RQ = 18: 26 = 0, 69 RQ proteina=0, 8 Organse kiseline →bogate O 2→RQ > 1 RQ jabučne kis =1, 33 C 4 H 6 O 5 + 3 O 2→ 4 CO 2 + 3 H 2 O RQ=4: 3=1, 33 C 6 H 12 O 6→ 2 CO 2 + 2 C 2 H 5 OH RQ=∞

Temperaturni koeficijent disanja Povećanje intenziteta disanja pri povećanju temperature za 10 C° n intenzitet disanja na t°C +10°C n Q 10=------------------n intenzitet disanja na t°C n Van‘t Hoffov zakon-povećanje t-re za 10 C° u intervalu od 0 C° do 40 C° ubrzava disanje za 2 -3 puta (Q 10=2 -3) ČINIOCI KOJI UTIČU NA DISANJE SPOLJAŠNJI ČINIOCI 1. Mineralne materije 2. Temperatura 3. Sastav atmosfere 4. Svetlost 5. Mehaničke ozlede UNUTRAŠNJI ČINIOCI 1. Promena intenziteta disanja u toku rastenja i razvića 2. infekcija n

Mineralne materije n n n 1. 2. 3. 4. Konstituconi elementi enzima –N, P, S Metali (Fe, Cu, Zn)- kofaktori enzima disanja K+, Mg++, Fe++, Mn++- aktivatori enzima Teški metali (Ag, Hg, Pb)- inhibitori Indirektno dejstvo alkalnih i zemnoalkalnih metala: Fizičko-hemijske osobine protoplazme Hidratacija koloida Propustljivost i stabilnost membrana (i kod mitohondrija) Značajno je proučavanje dejstva nekih metala na aktivnost oksidaza biljaka

temperatura n n n Minimalna – ispod -10°C Pupoljci četinara i listopadnog drveća dišu čak i na -22 do -25°C. Povećanje temperature – promena intenziteta disanja (ukazuje Q 10 na raznim temperaturama) Optimalna t-ra disanja – oko 35°C 45 -55°C inaktivacija enzima disanja (koagulacija odnosno tačnije denaturacija strukture proteina) Enzimi glikolize manje osetljivi na visoke temperature, od onih koji učestvuju u aerobnoj fazi disanja Disanje, t-ra i organske kiseline. . Ravnoteža masti i ugljenih hidrata i temperatura Odnos skrob i monosaharidi i temperatura Naglo povećanje ili smanjenje t-re privremeno stimuliše disanje(tzv. temperaturni sok). Značajno za skladištenje poljoprivrednih proizvoda

voda n n n n n Voda nije samo krajnji produkt aerobnog disanja, već i komponenta svake ćelije Održava citoplazmu u aktivnom stanju Intenzitet disanja zavisi od stepena hidratacije koloida protoplazme Seme i stariji listovi su tolerantniji prema gubljenju vode U toku sušenja u pokošenom krmnom bilju paralelno sa gubljenjem vode , smanjuje se i intenzitet disanja. Kada sadržaj vode padne ispod 30 -40%, u odnosu na s. m. Disanje prestaje Vazdušno suvo seme, sa 10 -12%vode, diše veoma slabo Pri neznatnom povećanju sadržaja vode , od 1415%, intenzitet se povećava 2 -3 x Nabubrelo seme- disanje veće i do 1000 puta. Suvišak vode –asfikcija korenovog sistema Značaji aspekti su i mogućnost rastvorljivosti gasova u vodi

Sastav atmosfere Aerobno disanje prestaje kada se koncentracija O 2 smanji ispod 3 -5% n Koncentracija O 2 pri kojoj počinje anaerobno i prestaje aerobno disanje naziva se tačka gušenja n Ponik kukuruza, pšenice i dr. su veoma osetljivi na smanjenje koncentracije O 2, dok se ponik pirinča u takvim uslovima normalno razvija n Vodene biljke imaju aerenhim -parenhimsko tkivo Za provođenje i magaciniranje vazduha. -Intenzitet aerobnog disanja opada kada se parcijalni pritisak O 2 smanji. -U anaerobnim uslovima aerobno disanje prelazi u vrenje koje je u aerobnim uslovima inhibirano. -Pasterov efekat -Intenzitet disanja i brzina difuzije O 2 u unutrašnjost plodova. Nivo sadržaja O 2 u skladištima značajno za skladištenje povrća, voća i drugih proizvoda Duže vreme skladištenja→minim. disanje(7, 5% O 2) Povećanje konc. CO 2, u skladištu je povoljno, deluje anestezirajuće, smanjuje intenzitet disanja, gljivična i bakterijska oboljenja. - Efekti povećanja koncentracije O 2 preko 21%. n