Disanje i značaj disanja U fotolizi vode dolazi do razlaganja HOH na 2e¯ + 2H* + ½O2 - Disanje odgovara ponovnom sjedinjavanju vodonika i kiseonika(uz oslobađanje E-je) SUMARNA jednačina aerobnog disanja: C6H12O6+6H2O+6O2→12H2O +6CO2 ( ΔG= - 2850 kJ⁄ 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 O2 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 E-ja održava labilnu submikro-skopsku strukturu protoplazme Za odvijanje svih endotermnih procesa ćelije:sinteze, strujanje protoplazme,pokreta i dr. Preobražajem organskih molekula nastaju i brojni produkti značajni za sintezu amino kiselina,masnih kiselina... Mogućnost da se na disanje utiče agrotehničkim zahvatima -značajno i za skladištenje poljoprivrednih proizvoda:korena, krtola, plodova i sl.

Razlika između biološke oksidacije i sagorevanja 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 Najstarija i nepotpuna :mehanički akt, izmena gasova, pri čemu ćelije tkiva i organizmi usvajaju O2 i izdvajaju CO2 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 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)

Materije disanja–proteini i masti List vinove loze u toku prvih 100 h gladovanja troši u.hidrate a nakon toga počinje razgradnja proteina. Postoje shvatanja da se proteini koriste za disanje i bez gladi biljke. Proteini hidrolizom daju amino kiseline i amide. Oksidacija : a.k.(neposredno)→oksidativna dezaminacija a.k a.k.(posredno) uz učešće polifenol oksidaza Primenom C14 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 C14 markiranih organskih kis.

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

Glikoliza- u mladim biljkama Glikoliza , do piruvata tj. pirogrožđene kiseline C6H12O6 + 2ADP + 2Pi +2NAD→2C3H4O3 + 2ATP + 2NADH2 Glikoliza ,daljom transformacijom preko piruvata do laktata tj.mlečne kiseline C6H12O6→ 2CH3-CHOH-COOH ∆Fº= - 94,05 kJ/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. FAZE1)Prevođenje glukoze u aktivni oblik glukozu-1-fosfat hidrolitičko razlaganje polisaharida 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 ATP- Promena (PGA) u mlečnu kiselinu (postoje i druge alternative razgradnje PGA ) Ciklus limunske kiseline Alkoholno vrenje – do etil alkohola Oksidativna dekarboksilacija PGA Aminacija (alanin) i karboksilacija (oksalat)

Ciklus limunske kiseline odvija u mitohondrijama u prisustvu O2 (mitohondrijalne kriste) -započinje kondenzacijom acetil-CoA(2C) i oksalsirćetne kis. (4C). veća koncentracija acetil-CoA se obezbeđuje razgradnjom masnih k-na a oksalsirćetna kiselina COOH-CH2-CO-COOH se sintetiše u mitohondrijama procesom karboksilacije PGA CH3-CO-COOH (enzim- piruvat karboksilaza, prisustvo ATP i Mg ²+-jona i CO2). 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-CoA →limunska kiselina + koenzim A 2) enzim – akonitaza ( izomerizacija limunske k. u izolimunsku k.) 3)enzim–izocitrat –dehidrogenaza (izolimunska →oksalćilibarnu). Procesom dekarboksilacije oksalćilibarna daje α- ketoglutarnu kis. α- ketoglutarnu kis. je prvi dikarbonski međuproizvod u Krebsu. 4) uz učešće : CoA-SH, NAD+, TPP, lipoinske kis. i Mg ²+-jona α-ketoglutarnu kis. → sukcinil-CoA

KREBSOV CIKLUS –(ciklus trikarbonskih kisel.)-FAZE 5) enzim : sukcinat-tiokinaza Iz sukcinil-CoA 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 H2O 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 CO2 i H2O. 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 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-CoA ("aktiviranu sirćetnu kiselinu") Sukcinil-CoA je važan prekursor za izgradnju por-firinskog skeleta a time i hlorofila.

OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA -Spregnuta reakcija oksidacije i obrazovanja organskog jedinjenja inkorporacijom neorganskog fosfata. ADP + H3PO4↔ ATP + H2O -slobodna energija oksidacije se zadržava kao elektrohemijska e-ja u obliku membranskog pH-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∙2H sumarno: a) NADH +H+ +1/2 O2 +3ADP+3H3PO4 → 3ATP +NAD +4H2O b)FAD∙2H+1/2 O2 +2ADP+2H3PO4 → 2ATP + 2FAD +3H2O -Transfer elektronskog para duž respiracionog lanca omogućavaju: NADH +H+ i FAD∙2H, Cyt b, Cyt c, Cyt a+a3. -Oksidativne reakcije daju značajne količine korisne hemijske energije u obliku makroergičnih fosfatnih jedinjenja.

Lokalizacija obrazovanja makroergičnih fosfata u ETSu 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=-300mV), a najpozitivniji je redokspotencijal je na mestu gde se elektroni direktno predaju molekularnom kiseoniku +800mV.

Direktna oksidacija glukoze 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 CO2 i NADPH +H +. O2 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 6C6H12O6 + 6H2O→6C5H10O5 + 6CO2 +12(2H*) 6C5H10O5 →5C6H12O6 Suma: C6H12O6 + 6H2O →6CO2 +12(2H*) (G-6-P + 6H2O + 12NADP+ → 6CO2 + 12 NADPH+H+ + H3PO4) -ima cikličan karakter i nekoloko naziva: Ciklus pentoza-fosfata WDH shema ili WLD put Oksidativni pentozo-fosfatni ciklus Nije povezana sa fotosintezom izuzev što fotosinteza kod autotrofa posredno ili neposredno obezbeđuje C6H12O6 - Važnost je u stvaranju jedinjenja značajnih za sintezu mnogih materija kao i snabdevanje ćelija dovoljnom količinom NADPH+H+. Energetski bilans je 35 molova ATP .

PENTOZOFOSFATNI PUT RAZLAGANJA D-GLUKOZE WDH-put RAZLAGANJA D-GLUKOZE 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.

3)Enzim: dehidrogenaza-6-fosfoglukonske kiseline 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 3)Enzim: dehidrogenaza-6-fosfoglukonske kiseline 6-fosfoglukonska kiselina→3-ketoglutarat ---------→ ribuloza-5 – P + CO2 Neoksidativni deo 4) Enzim: ribulozo-5-fosfat-epimeraze 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 Mnogi m.o.,tkiva viših biljaka, životinja i čoveka sposobna su da razlažu org.mat. i u odsustvu O2. 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 O2 je v r e n j e. Pri vrenju iz 1mol Glukoze→ 2ATP 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 O2 niža od 2-5%. u ćelijama parenhima u krtolama,plodovima,korenu Delimična anaerobioza u meristemskim ćelijama Krajnji produkti viših biljaka: mlečna, oksalna, vinska jabučna ili limunska kiselina.

Razlaganje u.h. u prisustvu gljivica alkoh. vrenja- Saccharomyces Enzim piruvat-dekarboksilaza vrši karboksilaciju PGA pri čemo nastaje acetaldehid – izolovan i kod ćelija viših biljaka. Klijanci viših biljaka sadrže alkohol-dehidrogenazu 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. 1f.–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 O2 ili izdvojenog CO2 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 Qco2 ili Qo2- količinu izdvojenog CO2 ili usvojenog O2 u ml po 1g 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 CO2 u toku 24h približno odgovara oko ⅓ od količine usvojenog CO2 u procesu fotosinteze Intenzitet disanja biljaka zavisi od niza ekoloških i unutrašnjih činilaca Vrednost intenziteta biljaka je krajnje nepostojana.

Koeficijent disanja ili respiracioni koeficijent - RQ Predstavlja odnos između izdvojenog CO2 i usvojenog O2 za isto vreme. mol CO2 ∆tˉ¹ RQ= --------------------- mol O2∆tˉ¹ Ukoliko se neki ugljeni hidrat tipa (CH2O)n potpuno oksidiše RQ = 1 C6H12O6 +6O2→6CO2 + 6H2O 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 O2 onda je RQ<1 RQ stearinske kis =0,69 C18H36O2 + 26O2→ 18CO2 + 18H2O RQ = 18:26 = 0,69 RQ proteina=0,8 Organse kiseline →bogate O2→RQ > 1 RQ jabučne kis =1,33 C4H6O5 + 3O2→4CO2 + 3H2O RQ=4:3=1,33 C6H12O6→2CO2 + 2C2H5OH RQ=∞ mol O2 ∆tˉ¹

Temperaturni koeficijent disanja Povećanje intenziteta disanja pri povećanju temperature za 10C° intenzitet disanja na t°C +10°C Q10=------------------------------------- intenzitet disanja na t°C Van‘t Hoffov zakon-povećanje t-re za 10C° u intervalu od 0C° do 40C° ubrzava disanje za 2-3 puta (Q10=2-3) ČINIOCI KOJI UTIČU NA DISANJE SPOLJAŠNJI ČINIOCI Mineralne materije Temperatura Sastav atmosfere Svetlost Mehaničke ozlede UNUTRAŠNJI ČINIOCI Promena intenziteta disanja u toku rastenja i razvića infekcija

Mineralne materije 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 mito-hondrija) Značajno je proučavanje dejstva nekih metala na aktivnost oksidaza biljaka

temperatura Minimalna – ispod -10°C Pupoljci četinara i listopadnog drveća dišu čak i na -22 do -25°C. Povećanje temperature – promena intenziteta disanja (ukazuje Q10 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 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 14-15%, intenzitet se povećava 2-3x 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 O2 smanji ispod 3-5% Koncentracija O2 pri kojoj počinje anaerobno i prestaje aerobno disanje naziva se tačka gušenja Ponik kukuruza,pšenice i dr. su veoma osetljivi na smanjenje koncentracije O2, dok se ponik pirinča u takvim uslovima normalno razvija Vodene biljke imaju aerenhim -parenhimsko tkivo Za provođenje i magaciniranje vazduha. -Intenzitet aerobnog disanja opada kada se parcijalni pritisak O2 smanji. -U anaerobnim uslovima aerobno disanje prelazi u vrenje koje je u aerobnim uslovima inhibirano. -Pasterov efekat -Intenzitet disanja i brzina difuzije O2 u unutrašnjost plodova. Nivo sadržaja O2 u skladištima značajno za skladištenje povrća, voća i drugih proizvoda Duže vreme skladištenja→minim.disanje(7,5% O2) Povećanje konc. CO2, u skladištu je povoljno, deluje anestezirajuće,smanjuje intenzitet disanja,gljivična i bakterijska oboljenja. - Efekti povećanja koncentracije O2 preko 21% .