Αναπνοή και Ενεργειακός Μεταβολισμός των Φυτών

Τα φυτά αναπνέουν όπως και τα ζώα, οξειδώνοντας τα σάκχαρα που παράγονται κατά τη φωτοσύνθεση για να απελευθερώσουν την ενέργεια και τους ανθρακικούς σκελετούς που τροφοδοτούν την ανάπτυξη, με διακριτικά χαρακτηριστικά όπως μια εναλλακτική αναπνευστική οδό.

Definition

Η αναπνοή των φυτών είναι η οξειδωτική διάσπαση οργανικών μορίων για την απελευθέρωση ενέργειας ως ATP και την παροχή ανθρακικών σκελετών, και ο ενεργειακός μεταβολισμός είναι το ευρύτερο δίκτυο οδών που αποθηκεύουν, μεταφέρουν και χρησιμοποιούν χημική ενέργεια στο φυτό.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει τη γλυκόλυση, τον κύκλο του τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA), τη μιτοχονδριακή μεταφορά ηλεκτρονίων και την οξειδωτική φωσφορυλίωση στα φυτά, τις κυτταροπλασματικές και πλαστιδιακές οδούς, και φυτικά ειδικά χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένης της εναλλακτικής οξειδάσης και της αλληλεπίδρασης της αναπνοής με τη φωτοσύνθεση.

Core questions

• Πώς διασπούν η γλυκόλυση και ο κύκλος TCA τα σάκχαρα για να απελευθερώσουν ενέργεια;
• Πώς παράγει ATP η μιτοχονδριακή μεταφορά ηλεκτρονίων και πώς ρυθμίζεται;
• Ποιος είναι ο ρόλος της φυτικής ειδικής οδού της εναλλακτικής οξειδάσης;

Key theories

Οξειδωτική φωσφορυλίωση

Τα ηλεκτρόνια από την οξείδωση των αναπνευστικών υποστρωμάτων διέρχονται κατά μήκος της μιτοχονδριακής αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, αντλώντας πρωτόνια των οποίων η επιστροφή μέσω της ATP συνθάσης παράγει το μεγαλύτερο μέρος του ATP του κυττάρου.

Αναπνευστική ευελιξία στα φυτά

Τα φυτά διαθέτουν πρόσθετες, μη ενεργειακά διατηρητικές οδούς — κυρίως την εναλλακτική οξειδάση — που επιτρέπουν στην αναπνοή να συνεχίζεται όταν η κύρια αλυσίδα είναι περιορισμένη, διαχέοντας την περίσσεια ενέργειας και εξισορροπώντας τον μεταβολισμό.

Mechanisms

Η γλυκόλυση στο κυτταρόπλασμα μετατρέπει τη γλυκόζη σε πυροσταφυλικό, αποδίδοντας ATP και NADH. Το πυροσταφυλικό εισέρχεται στο μιτοχόνδριο όπου ο κύκλος TCA το οξειδώνει πλήρως σε διοξείδιο του άνθρακα, παράγοντας NADH και FADH2. Αυτοί οι αναχθέντες φορείς τροφοδοτούν την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία αντλεί πρωτόνια για να οδηγήσει την ATP συνθάση. Τα μιτοχόνδρια των φυτών περιέχουν επιπλέον την εναλλακτική οξειδάση και τις ανθεκτικές στη ροτενόνη αφυδρογονάσες που παρακάμπτουν τμήματα της αλυσίδας, επιτρέποντας τη ροή άνθρακα και την οξειδοαναγωγική ισορροπία να συνεχίζονται χωρίς αναλογική παραγωγή ATP.

Clinical relevance

Η αναπνοή καθορίζει πόσο από το φωτοσυνθετικό προϊόν μιας καλλιέργειας διατηρείται ως συγκομίσιμη βιομάζα και διέπει τις απώλειες μετά τη συγκομιδή, καθώς τα αποθηκευμένα φρούτα, λαχανικά και σιτηρά συνεχίζουν να αναπνέουν και να αλλοιώνονται. Η διαχείριση της αναπνοής παρατείνει τη διάρκεια ζωής στο ράφι.

History

Η διαλεύκανση του κύκλου του κιτρικού οξέος από τον Krebs και η χημειοσμωτική θεωρία του Mitchell καθιέρωσαν το πλαίσιο της κυτταρικής αναπνοής, το οποίο επεκτάθηκε στα φυτά με την ανακάλυψη της εναλλακτικής οξειδάσης και άλλων φυτικών ειδικών αναπνευστικών συστατικών.

Key figures

• Hans Krebs
• Peter Mitchell

Seminal works

• buchanan2015
• taiz2015

Frequently asked questions

Αναπνέουν τα φυτά τη νύχτα;

Ναι. Τα φυτά αναπνέουν συνεχώς, μέρα και νύχτα, για να τροφοδοτήσουν τα κύτταρά τους, αλλά τη νύχτα, χωρίς φωτοσύνθεση, αυτή η αναπνοή οδηγεί σε καθαρή απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα και πρόσληψη οξυγόνου.

Τι είναι η εναλλακτική οξειδάση;

Η εναλλακτική οξειδάση είναι ένα φυτικό αναπνευστικό ένζυμο που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να παρακάμπτουν μέρος της αλυσίδας διατήρησης ενέργειας, απελευθερώνοντας την ενέργεια ως θερμότητα. Βοηθά στην εξισορρόπηση του μεταβολισμού και, σε ορισμένα φυτά, παράγει θερμότητα για να εξατμίσει τα αρώματα των λουλουδιών.