Дыхание растений и энергетический метаболизм

Растения дышат так же, как и животные, окисляя сахара, образованные в процессе фотосинтеза, для высвобождения энергии и углеродных скелетов, необходимых для роста, с отличительными особенностями, такими как альтернативный дыхательный путь.

Definition

Дыхание растений — это окислительное расщепление органических молекул для высвобождения энергии в виде АТФ и обеспечения углеродными скелетами, а энергетический метаболизм — это более широкая сеть путей, которые запасают, передают и используют химическую энергию в растении.

Scope

Эта тема охватывает гликолиз, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), митохондриальный электронный транспорт и окислительное фосфорилирование у растений, цитозольные и пластидные пути, а также специфические для растений особенности, включая альтернативную оксидазу и взаимодействие дыхания с фотосинтезом.

Core questions

• Как гликолиз и цикл трикарбоновых кислот расщепляют сахара для высвобождения энергии?
• Как митохондриальный электронный транспорт генерирует АТФ и как он регулируется?
• Какова роль специфического для растений альтернативного оксидазного пути?

Key theories

Окислительное фосфорилирование

Электроны от окисления дыхательных субстратов проходят по митохондриальной электрон-транспортной цепи, перекачивая протоны, возвращение которых через АТФ-синтазу производит большую часть клеточного АТФ.

Дыхательная гибкость у растений

Растения обладают дополнительными, не сохраняющими энергию путями — в частности, альтернативной оксидазой, — которые позволяют дыханию продолжаться, когда основная цепь ограничена, рассеивая избыточную энергию и балансируя метаболизм.

Mechanisms

Гликолиз в цитозоле превращает глюкозу в пируват, образуя АТФ и НАДН; пируват поступает в митохондрии, где цикл трикарбоновых кислот полностью окисляет его до углекислого газа, генерируя НАДН и ФАДН2. Эти восстановленные переносчики питают электрон-транспортную цепь, которая перекачивает протоны для приведения в действие АТФ-синтазы. Митохондрии растений дополнительно содержат альтернативную оксидазу и ротенон-нечувствительные дегидрогеназы, которые обходят части цепи, позволяя потоку углерода и окислительно-восстановительному балансу продолжаться без пропорционального производства АТФ.

Clinical relevance

Дыхание определяет, какая часть фотосинтезированных веществ урожая сохраняется в виде биомассы, пригодной для сбора, и регулирует послеуборочные потери, поскольку хранящиеся фрукты, овощи и зерно продолжают дышать и портиться; управление дыханием продлевает срок хранения.

History

Разъяснение Кребсом цикла лимонной кислоты и хемиосмотическая теория Митчелла заложили основу клеточного дыхания, которая была расширена у растений открытием альтернативной оксидазы и других специфических для растений дыхательных компонентов.

Key figures

• Hans Krebs
• Peter Mitchell

Seminal works

• buchanan2015
• taiz2015

Frequently asked questions

Дышат ли растения ночью?

Да; растения дышат непрерывно, днем и ночью, чтобы обеспечивать энергией свои клетки, но ночью, без фотосинтеза, это дыхание приводит к чистому выделению углекислого газа и поглощению кислорода.

Что такое альтернативная оксидаза?

Альтернативная оксидаза — это дыхательный фермент растений, который позволяет электронам обходить часть цепи, сохраняющей энергию, высвобождая энергию в виде тепла; он помогает балансировать метаболизм и у некоторых растений генерирует тепло для испарения цветочных ароматов.