Физиология растений. Часть первая: физиология Словарь русского языка Ожегова: Физиология: 1. Наука о функциях, отправлениях организма. 2. Совокупность жизненных процессов, происходящих в организме и его органах. 3. перен. Грубая чувственность (разг.) БЭС: Физиология (от греч. physis – природа и...логия), наука о жизнедеятельности целого организма и его отд. частей – клеток, органов, функциональных систем. Ф. изучает механизмы разл. функций живого организма (рост, размножение, дыхание и др.), их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивид. развития особи. Китайский язык: - жизнь, логика, познание. Учебник ФР (Либберт): Физиология – учение о протекающих в живой материи процессах. Предмет физиологии – функции живых существ, их органов. Учебник ФР (Полевой): Ф. - наука о функциональной активности организмов

Физиология растений. Часть вторая: растения Автотрофия ? Прикрепленное существование Фотосинтез Минеральное питание. Бережное отношение к азоту Метамерное строение, другой тип симметрии Стадийность развития, зависимое от внешних условий (например, закладка репродуктивных органов) Постоянный рост Особенности эмбрионального развития Расселение зачатками. Семя – особая структура – растение в миниатюре и упаковке Специфичная стратегия устойчивости (дублирование функций, мультифункциональность) Механизмы устойчивости – на морфологическом или биохимическом уровне (вторичный метаболизм) Клетка: Три генома; их взаимодействие Клеточная стенка: другая стратегия водного обмена, обмена информацией Пластиды: фабрики «горячих производств» Вакуоли: многоцелевые органеллы

Биоэнергетика: правила игры (законы термодинамики). Мало не покажется... Первый закон. Энергия вселенной не может ни создаваться, ни исчезать. Энергия вселенной постоянна Второй закон. Энтропия Вселенной всегда возрастает. Существует общая тенденция к увеличению хаоса и беспорядка Третий закон. Энтропия равна нулю лишь для совершенного кристалла при температуре абсолютного нуля Первый закон. Вы не можете выиграть Второй закон. Вы не можете остаться «при своих» Третий закон. Вы не можете не участвовать в игре

Биоэнергетика: что же делать? Самая вредная формула: ΔE = ΔH = ΔG + TΔS (второй закон термодинамики), E- полная энергия системы, H – свободная энтальпия, G – свободная энергия Гиббса, Т – абсолютная температура, S – энтропия Для самопроизвольных реакций ΔG < 0 Для синтеза упорядоченных структур ΔG > 0 Живые системы – весьма упорядоченные образования! Решение проблемы - сопряжение реакций (за все надо платить!) : Реакция 1: А + В СΔG > 0 («реакция интереса») Реакция 2: X + Y ZΔG < 0 ( «оплата» ) ΔG < 0 Реакцию 2 («оплату») полезно унифицировать – это гидролиз АТФ: АТФ + Н 2 О = АДФ + Ф н

АТФ (ATP) - основная «энергетическая денежка» клетки ΔG o = 29,4 к Дж/ моль или 7. 0 ккал/ моль

Энергия гидролиза АТФ зависит от ее концентрации АТФ/АДФ [АТФ] ΔG (ккал/моль) ΔG (к Дж/моль) рН=0 1/1 1М - 5,6 - 23,5 ΔG 0 рН=7 1/1 1М - 7,0 - 29,4 ΔG 0 рН=7 10/1 0,01М - 9,0 - 37,8 рН=7 100/1 0,001М - 14,0 - 58,8 1 ккал = 4.2 к Дж.

Откуда взять АТФ? ( или - где ключ от квартиры где деньги лежат) Элементарно, Ватсон !: Реакция 1: АДФ + Ф Н АТФ ΔG > 0 «реакция интереса» Реакция 2: А В + С ΔG < 0 «оплата» ΔG < 0 Реакция 2 – это окисление восстановленных молекул. ΔG 0 = - nF Δ E 0 где n – число молей e - (N A = 6.02 ×10 23 ) F – число Фарадея, кл/моль. Δ E = 1.0 v 100 к Дж/моль Реакцию 2 тоже полезно унифицировать – это окисление НАДН: НАДН + Н 2 О + 1/2О 2 = НАД + + Н + + 2ОН - Δ E 1.0 v Δ E зависит от концентрации НАДН (уравнение Нернста)

НАД + (NAD + ) и НАДФ + (NADP + ) – «золотой запас» и универсальные «рабочие лошадки» Red-Ox реакций в клетке. E о = - 0,32 v

Откуда взять восстановленный НАДН? (или – как пополнить золотой запас?) НАДН получается за счет окисления восстановленных соединений - например: сахарозы – в цитозоль (гликолиз): пирувата и ацетил-СоА – в митохондриях:

Чем сильнее окислена молекула, тем меньше энергии она содержит H H H OH | | | | H–C–H H–C–OH C = O C = O O = C = O | | | | H H H H Метан Метанол Форм- Муравьиная Углекислый газ (спирт) альдегид кислота (диоксид) > Увеличение степени окисленности < Увеличение запаса энергии в молекуле

По окислительно-восстановительному потенциалу можно определить уровень энергии молекулы и вероятность реакции Red-Ox-пара E о, v Пируват/ацетат- 0,70 α-кетоглутарат/сукцинат + СО 2 - 0,67 Н + / 1/2Н 2 - 0,42 НАДФ + / НАДФН + Н + - 0,32 НАД + / НАДН + Н + - 0,32 Пируват/ лактат- 0,19 Оксалоацетат/ малат- 0,17 Фумарат/ сукцинат+ 0,03 Дегидроаскорбат/ аскорбат+ 0,08 1/2 О 2 / Н 2 О+ 0,82

Ацетил-кофермент А (Acet-CoA) – восстановленный углеводный фрагмент, который окисляется в митохондриях для восстановления НАДН Кофермент А - универсальный переносчик и активатор ацильных (жирнокислотных) групп O || СоА-SH + CH 3 СOOH CoA-S~C-CH 3 + Н 2 О. H H O H H O H CH 3 H | | || | | || | | | H 3 C ~ S-C-C-N-C-C-C-N-C-C– C – C АДФ –3 Ф || | | | | | | | | | O H H H H H H OH CH 3 H ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ пантетеин : пантоевая к-та + β-аланин + цистеамин

Биоэнергетика: иерархия Для валютных операций нужны обменные пункты..

Для сопряжения окисления НАДН с синтезом АТФ необходима особая форма запасания энергии – на мембране. Что-то вроде конденсатора, но гораздо лучше… Градиент электрохимического потенциала протонов на мембране ΔμН = FΔφ + RTln [H + ] p /[H + ] n ΔμН = FΔφ - RTΔpH Δφ Δp = Δφ – 0.06ΔpH – – – – Δφ - электрическая Н + Н + Н + Н + Н + составляющая ΔрН ΔрН - химическая составляющая Н + Н + 1 ед. ΔрН = 60mV = 5,7 к Дж/моль = 1.4 ккал/моль

Результат: энергетическая система клетки - дыхание

Хиноны (убихиноны и пластохиноны) - липофильные молекулы с Red-Ox свойствами: перенос 2 е - + 2Н + E о : от 0,0 до +0,10 V (в связанном виде – до -0,3 V ) в среднем – около 0 V

Флавинадениндинуклеотид (ФАД, FAD) и флавинмононуклеотид (ФМН, FMN) - компоненты многих Red-Ox ферментов: перенос 2 е - + 2Н + E o : от -0,5 до +0,2 V в зависимости от белка, стабилизации кольца, резонанса

Железо-серные белки - 2Fe-2S и 4Fe-4S : перенос только е - E о : от – 0,42 V (Fd) до + 0,35 V (Fe-S бел. Риске)

Гемы - коферменты цитохромов: перенос только е - E о : от -0,18 V (cyt b 6 ) до +0,55 V (cyt a 3 ) Cyt bCyt с Cyt а

Переносчики е - в ЭТЦ выстаиваются согласно своим Е о – «под горку» НАДН ФП (ФМН) FeS (min 5 шт) UQ(пул) -0,32v -(0,3 – 0,1)v -(0,37-0,02)v 0v цит b FeS цит с 1 цит с цит а-а 3 О 2 0.1v 0,28v 0,22v 0,25v 0,29-0,55v 0,82v Это «принципиальная схема». Каким образом ее лучше всего «воплотить в жизнь» ? Как все это организовать во внутренней мембране митохондрии..

Общая схема дыхательной ЭТЦ: четыре белковых комплекса, объединяемые подвижными переносчиками е -

Комплекс I: НАДН-дегидрогеназа. Старый башмак…

НАДН-дегидрогеназа: принцип работы М.в kDa До 40 белков (min – 14) I субкомплекс «голенище»: Флавопротеин -3 белка 51, 24 и 10 kDa, содержат ФМН, 2 2Fe2S-центра (N1) Железопротеин – 6 белков 75, 49, 30, 18, kDa, 3 4Fe4S-центра (N3, N4) II субкомплекс «подошва»: 4Fe4S-центр (N2). Кодирование: в ядре – 7 белков - Fp, Ip в m-геноме – 7 белков

Комплекс III: КоQН 2 :цитС-редуктаза; цитохром В 6 С-комплекс Структура: димер, мономер - до 11 белков, min – 3 белка: Cyt b (2 гема b L и b H ), 45kDa FeS-белок (2Fe2S), 21,5kDa Cyt c 1, 27kDa, 240 а-к

Белковый состав cyt-bc 1 -комплекса и работа Q-цикла

Во время работы Q-цикла каталитический домен Fe-S-белка «качает головой» ( поворачивается на 57 о - смещение 16А )

Комплекс IV: цитохром а-а 3, цитохромоксидаза Структура: димер. Мономеры: 3 больших полипептида, кодируются в m: I - 57, II - 26 и III - 30kDa, 9 небольших белков ядерного кодирования. 4 Red-Ox центра: два гема а (a и a 3 ) и два Cu-центра: Сu А (2 атома) и Cu В. Гемы и Cu B – на I белке, Cu A – на II.

Расположение атомов меди в цитохроме а-а 3 Структура Cu A 1 и Cu A 2 Структура Cu B

Схема работы цитохрома а-а 3

Возможная схема работы «протонного насоса» цитохрома а-а 3

Комплекс II: Сукцинатдегидрогеназа Свойства: 4 субъединицы SDH1, 67kDa, FAD, SDH2, 28kDa, 3FeS центра SDH3, 20kDa, гем cytb 560 SDH4, 16.5kDa Зачем нужен комплекс II ? Вход е - в ЭТЦ от соединений с разным уровнем запаса энергии: E о фумарат/сукцинат +0,03v - для работы комплекса I силенок не хватает…

Итак, общая схема дыхательной ЭТЦ: четыре белковых комплекса, объединяемые подвижными переносчиками е - Подвижные переносчики: 1. Убихиноны – их много («пул убихинонов») 2. Цитохром с – 104 ак. Локализован с наружной стороны внутренней мембраны. Гем ковалентно связан с белком (через cys14 и cys17) Примерная стехиометрия: 1 комплекс I – 3 bc 1 – 7 aa 3 – 9 cyt c – 50 UQ

АТФ-синтаза: «вальсирующий» комплекс Структура: Две субъединицы: F 0 и F 1 F 1 : α 3 β 3 γδε α - 59, β - 56, γ - 36 δ , ε - 13,5kDa F 0 : а (I), 15kDa, b (II), 12.5kDa c (III), 8kDa а:b:с – 1:2:(6-15)

Работа АТФ-синтетазы чем-то напоминает работу электродрели…

Красивое доказательство вращательной работы АТФ-синтетазы

«Трехтактная» работа АТФ-синтетазы Состояния активных центров β-субъединиц АТФ-синтетазы: О – открыт («open»), T – закрыт («напряжен» - tight), L – полуоткрыт («высвобождающийся» - loose) Вращательная энергия γ-субъединицы нужна для «выталкивания» АТФ из активного центра β-субъединицы

Транспорт интермедиатов дыхания через мембрану митохондрий.

Особенности ЭТЦ дыхания растений: 4 дополнительных НАД(Ф)Н-дегидрогеназы

Особенности ЭТЦ-дыхания растений: Альтернативная оксидаза (цианид-резистентное дыхание)

Цианидрезистентное дыхание Термогенез ароидных растений Термогенез в цветках некоторых растений (Arum maculatum, Symplocarpus foetidis, Sauromatum guttatum, Philodendron selloum) связан с терморегуляцией: при понижении температуры воздуха температура тканей цветка остается постоянной, а скорость поглощения кислорода возрастает. При повышении температуры воздуха скорость дыхания падает. t воздуха t цветка Symplocarpus foetidis Philodendron selloum Альтернативная оксидаза (АО) : Один полипептид ( М.В.~ 32 к Да), один ядерный ген АОХ1. В мембране Мх мономерная или димерная форма. AO относится к семейству di-iron белков R-2 типа. Обнаружена у E. coli, Paracoccus denitrificans, простейших Trypanosoma, водорослей и всех семенных растений. Впервые белок АО был получен из митохондрий Sauromatum guttatum 2QH 2 +O 2 2Q + 2H 2 O

Sauromatum guttatum

Symplocarpus foetidus

Helicodeceros muscivorus

Зачем нужна альтернативная оксидаза?

ЭТЦ дыхания растений

Регулирование синтеза и активности альтернативной оксидазы

Транспорт веществ через мембрану митохондрии

Челночные механизмы транспорта для обмена восстановленными эквивалентами