Дихання рослин та енергетичний метаболізм

Рослини дихають так само, як і тварини, окислюючи цукри, утворені в процесі фотосинтезу, для вивільнення енергії та вуглецевих скелетів, що забезпечують ріст, з характерними особливостями, такими як альтернативний дихальний шлях.

Definition

Дихання рослин — це окисне розщеплення органічних молекул для вивільнення енергії у вигляді АТФ та забезпечення вуглецевих скелетів, а енергетичний метаболізм — це ширша мережа шляхів, які зберігають, передають та використовують хімічну енергію в рослині.

Scope

Ця тема охоплює гліколіз, цикл трикарбонових кислот (ЦТК), мітохондріальний електронний транспорт та окисне фосфорилювання у рослин, цитозольні та пластидні шляхи, а також специфічні для рослин особливості, включаючи альтернативну оксидазу та взаємодію дихання з фотосинтезом.

Core questions

• Як гліколіз та ЦТК розщеплюють цукри для вивільнення енергії?
• Як мітохондріальний електронний транспорт генерує АТФ і як він регулюється?
• Яка роль специфічного для рослин альтернативного оксидазного шляху?

Key theories

Окисне фосфорилювання

Електрони від окислення дихальних субстратів проходять по мітохондріальному електронно-транспортному ланцюгу, перекачуючи протони, повернення яких через АТФ-синтазу виробляє більшу частину клітинного АТФ.

Дихальна гнучкість у рослин

Рослини мають додаткові, неенергозберігаючі шляхи — зокрема альтернативну оксидазу — які дозволяють диханню продовжуватися, коли основний ланцюг обмежений, розсіюючи надлишкову енергію та балансуючи метаболізм.

Mechanisms

Гліколіз у цитозолі перетворює глюкозу на піруват, утворюючи АТФ та НАДН; піруват надходить до мітохондрії, де ЦТК повністю окислює його до вуглекислого газу, генеруючи НАДН та ФАДН2. Ці відновлені носії живлять електронно-транспортний ланцюг, який перекачує протони для активації АТФ-синтази. Мітохондрії рослин додатково містять альтернативну оксидазу та ротенон-нечутливі дегідрогенази, які обходять частини ланцюга, дозволяючи потоку вуглецю та редокс-балансу продовжуватися без пропорційного виробництва АТФ.

Clinical relevance

Дихання визначає, скільки фотосинтатів культури зберігається як урожайна біомаса, і регулює післязбиральні втрати, оскільки зберігаються фрукти, овочі та зерно продовжують дихати та псуватися; управління диханням подовжує термін зберігання.

History

Розшифровка циклу лимонної кислоти Кребсом та хеміосмотична теорія Мітчелла заклали основу клітинного дихання, яка була розширена у рослин відкриттям альтернативної оксидази та інших специфічних для рослин дихальних компонентів.

Key figures

• Hans Krebs
• Peter Mitchell

Seminal works

• buchanan2015
• taiz2015

Frequently asked questions

Чи дихають рослини вночі?

Так; рослини дихають безперервно, вдень і вночі, щоб живити свої клітини, але вночі, без фотосинтезу, це дихання призводить до чистого вивільнення вуглекислого газу та поглинання кисню.

Що таке альтернативна оксидаза?

Альтернативна оксидаза — це рослинний дихальний фермент, який дозволяє електронам обходити частину енергозберігаючого ланцюга, вивільняючи енергію у вигляді тепла; він допомагає збалансувати метаболізм і, у деяких рослин, генерує тепло для випаровування квіткових ароматів.