Дыхание растений
Понятие о дыхании Дыхание – это процесс распада сложных органических соединений до СО 2 и воды при участии кислорода воздуха, сопровождаемый выделением энергии. С 6 Н 12 О 6+6 О 2→ 6 СО 2 + 6 Н 2 О + 2824 к. Дж
Клеточное (тканевое) дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды. Высвобожденная энергия запасается в химических связях и может быть использована по мере необходимости.
Значение дыхания 1. 2. 3. 4. Энергетическое. Конструкционное. Образование метаболической воды. Разрушение токсических веществ.
История развития представлений о дыхании Дыхание было обнаружено вместе с фотосинтезом (1771 1779 гг. ). Д. Пристли В опытах Шееле растения не исправляли «испорченный» воздух, но и сами поглощали «огневой воздух» (кислород) и выделяли «связанный воздух» (углекислоту). К. Шелле
Ингенгуз и Сенебье – растения могут выделять и поглощать кислород. «Когда солнце разбудит своими лучами заснувшие растения, оно сделает их способными исправлять воздух для животных; во мраке ночи эта деятельность совсем прекращается; днем совершается с тем большим оживлением, чем светлее день и чем выгоднее расположено растение в отношении солнечных лучей. Затененные растения не исправляют воздух, а, наоборот, выделяют вредный для дыхания животных воздух. К концу дня выработка очищенного воздуха ослабевает и при заходе солнца совершенно прекращается» .
Первые точные исследования процесса дыхания у растений принадлежат Соссюру (1804): Свежие листья помещал на ночь в сосуд, наполненный воздухом. При этом кислород воздуха поглощался и выделялся углекислый газ. Универсальность дыхания дыхание наблюдается и в клетках стеблей древесных растений, цветков, корней, плодов. Обнаружил, что при дыхании потеря в весе растения равна весу выделенного углерода. Молодые, растущие части растения дышат интенсивнее и потребляют кислорода больше, чем части растения, прекратившие рост.
Лавуазье Дыхание организмов отождествлялось с медленным горением, причем его сущностью считалось прямое окисление углеводов и жиров организма кислородом вдыхаемого воздуха.
Луи Пастер (1822– 1895), в 1872 г. обратил внимание ботаников на сходство дыхания со спиртовым брожением. Пастер предположил, что некоторые начальные этапы дыхательного процесса у высших растений и животных сходны с процессом анаэробного дыхания у микроорганизмов. Пфеффер (1878) разбил дыхание на два этапа: 1) С 6 Н 12 О 6 = 2 С 2 Н 5 ОН + 2 СО 2, 2) 2 С 2 Н 5 ОН + 6 О 2 = 4 СО 2 + 6 Н 2 О. Первая стадия соответствовала бескислородному дыханию и представляла собой распад сахара на спирт и углекислоту. Вторая стадия, требующая кислорода, состояла в окислении спирта до углекислоты и воды.
Костычев Сергей Павлович (1877 — 1931) Изучал процесс химизма дыхания и брожения, вскрыл сущность генетической связи между ними. Показал, что спиртовое брожение не является первой фазой дыхания.
Бах Алексей Николаевич (1857 1946) сформулировал перекисную теорию медленного окисления; показал, что в основе дыхания лежит ряд ферментных окислительных и окислительно восстановительных реакций, последовательно сменяющих друга в длинной цепи химических превращений.
Палладин Владимир Иванович (1859– 1922) Дыхание – окислительно восстановительный процесс, состоящий из двух этапов: анаэробного и аэробного. На первом, анаэробном, этапе происходит окисление органических субстратов за счет отнятия водорода с участием воды. На втором, аэробном, этапе «дыхательный хромоген» окисляется оксидазами и пероксидазами, активирующими кислород. Все положения теории В. И. Палладина в дальнейшем были полностью подтверждены и на растительных, и на животных объектах.
1 этап - анаэробный С 6 Н 12 О 6 + 6 Н 2 О + 12 R→ 6 СО 2 + 12 RН 2 Ферменты дегидразы 2 этап - аэробный 12 RН 2 + 6 О 2 → 12 R + 12 Н 2 О Ферменты – оксидазы и пероксидазы Общее уравнение: С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 → 6 СО 2 + 6 Н 2 О R – дыхательный пигмент (окрашенный) RН 2 – дыхательный хромоген (бесцветный)
Ферменты дыхания Способы окисления: непосредственная отдача электронов (Fe 2+ — Fe 3+); отнятие водорода; присоединение кислорода; образование промежуточного гидратированного соединения с последующей отдачей двух электронов и протонов.
Классификация оксидоредуктаз: • анаэробные дегидрогеназы, ОВП которых близок таковому органических веществ, способны передавать электроны только промежуточным акцепторам; • аэробные дегидрогеназы, обладающие более высоким ОВП, могут передавать электроны не только органическим акцепторам, но и кислороду; • оксидазы, ОВП которых незначительно отличается от потенциала кислорода, передают электроны только кислороду.
Анаэробные дегидрогеназы Двухкомпонентные ферменты, состоящие из белковой части и кофермента, которым может быть НАД+ или НАДФ+
Аэробные дегидрогеназы Двухкомпонентные ферменты, состоящие из белка и прочно связанной с ними простетической группы — рибофлавина (витамина Вз). Различают два активных компонента простетической группы: флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). • ФМН содержит гетероциклическое азотистое основание — диметилизоаллоксазин, спирт рибит и фосфат: • В ФАД содержит ФМН и аденозинмонофосфат.
Оксидазы Передают электроны от окисляемого субстрата только на кислород. При этом образуется или вода, или пероксид водорода, или супероксидный анион кислорода. В первом случае на кислород переносятся четыре электрона, во втором два, в третьем один. К оксидазам I группы относят цитохромоксидазу, полифенолоксидазу, II флавопротеиновые оксидазы (оксидазы аминокислот), III ферменты типа ксантиноксидазы.
К цитохромной системе относятся: железосодержащие ферменты; переносчики — цитохромы; цитохромоксидаза. Все компоненты цитохромной системы содержат железо порфириновую простетическую группу:
Строение митохондрий
Характеристика структуры митохондрий Количество митохондрий в клетке зависит от размера и типа клетки. Локализуются рядом с местом снабжения субстратами, или где необходима энергия АТФ, клеточными мембранами. Митохондрии являются двумембранными органоидами, содержат два компартмента: межмембранное пространство и матрикс. Наружная мембрана митохондрий гладкая и содержит белки, которые образуют неспецифические поры. Внутренняя мембрана образует очень большое количество впячиваний крист. В мембране крист локализованы все ферменты ЭТЦ и окислительного фосфорилирования. На кристах имеются АТФ азы. Внутренняя мембрана митохондрий не проницаема для большинства веществ. В матриксе митохондрий находятся плотно упакованные молекулы белка и небольшое количество ДНК.
Функции Метаболическая: • расщепление жирных кислот путем β окисления и частично цикл мочевины; • поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма; Окислительное фосфорилирование; Поддержание концентрации Са 2+ в цитоплазме на постоянном низком уровне.
Интенсивность дыхания О 2 мм 3/ч 1 г сыр. массы Ананас 30 Аронник до 30000 Морковь, корни 25 -30 Морковь, молод. лист. 1100 Фасоль, растение 97 Фасоль, лист 260 -570 Элодея, побег 900 Яблоня, плод 20 -35 Ячмень, лист 250 Ячмень, семена 0, 06 северные > южных теневыносливые < светолюбивые высокогорные > равнинных корни < листья < цветки пестик > лепестки > листьев молодые > старые камбий, флоэма > ксилема
Дыхательный коэффициент ДК = V(СО 2 )/ V(О 2) отношение объёма выделяемого из организма углекислого газа к объёму поглощаемого за то же время кислорода Факторы влияющие на ДК: 1. Степень окисления С в субстрате 2. Концентрация кислорода 3. Особенности тканей 4. Целостность мембран
Пути дыхательного обмена
Существуют две основные системы и два основных пути окисления углеводов: 1) гликолиз + цикл Кребса (гликолитический); 2) пентозофосфатный (апотомический). Относительная роль этих путей дыхания может меняться в зависимости от типа растений, возраста, фазы развития, а также в зависимости от факторов среды.
Гликолитический путь Первая фаза — анаэробная (гликолиз), вторая фаза — аэробная. Эти фазы локализованы в различных компартментах клетки. Анаэробная фаза гликолиз — в цитоплазме, аэробная фаза — в мито хондриях.
Анаэробная стадия дыхания Гликолиз (фосфотриозный путь, или шунт Эмбдена — Мейергофа) Глико лиз — ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Гликолиз осуществляется во всех живых клетках организмов. Полное уравнение: С 6. 12 О 6 + 2 НАД+ + 2 АДФ + 2 Фн = Н 2 НАД*Н + 2 ПВК + 2 АТФ + 2 Н 2 О + 2 Н+. При отсутствии или недостатке в клетке кислорода ПВК подвергается восстановлению до молочной кислоты: Глюкоза + 2 АДФ + 2 Фн = 2 лактат + 2 АТФ + 2 Н 2 О
Процесс гликолиза условно можно разделить на два этапа: 1 этап протекает с расходом энергии 2 АТФ, заключается в расщеплении глюкозы на 2 молекулы 3 ФГА. 2 этап происходит НАД зависимое окисление 3 ФГА, сопровождающееся синтезом АТФ.
Характеристика гликолиза • большинство реакций обратимо, за исключением трех (реакций 1, 3, 10); • все метаболиты находятся в фосфорилированной форме; • источником фосфатной группы в реакциях фосфорилирования являются АТР или неорганический фосфат; • регенерация NAD происходит при аэробном гликолизе посредством дыхательной цепи; при анаэробном независимо от дыхательной цепи; • образование АТР при гликолизе может идти двумя путями: субстратным фосфорилированием, когда для фосфорилирования ADP используется энергия макроэргической связи субстрата (реакции 7, 9), путем окислительного фосфорилирования ADP, сопряженного с дыхательной цепью (реакция 6);
Регуляция гликолиза Регуляция осуществляется через несколько ключевых этапов. Реакции, катализируемые гексокиназой (1), пируваткиназой (10) и фосфофруктокиназой (3) являются практически необратимыми. Регуляция гексокиназы Гексокиназа ингибируется продуктом реакции — глюкозо 6 фосфатом, который аллостерически связывается с ферментом.
Регуляция фосфофруктокиназы Интенсивность протекания фосфофруктокиназной реакции сказывается на всей пропускной способности гликолиза. Аллостерический ингибитор ФФК – АТФ; активатор фруктозо 2, 6 бифосфат. Пируваткиназа Активатор фруктозо 1, 6 дифосфат, ингибиторы АТФ, аланин, ацетил. Ко. А. Енолаза Активируется Mg 2+ или Мn 2+, ингибируется фторидом.
Значение окисление гексоз для генерации АТФ, восстанови телей, пирувата; синтез гексоз из низкомолекулярных со единений в процессе энергозависимого глюконеогенеза.
Генетическая связь брожения и дыхания
Аэробная стадия дыхания Основные стадии: 1) окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты; 2) цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса); 3) электронтранспортная цепь (ЭТЦ).
Окислительное декарбоксилирование CH 3 CO COOH + Ко. A SH + НАД+ = CH 3 CO~S Ко. A + НАД H 2 + CO 2 Процесс катализируется мультиферментной системой, которая включает три фермента и пять коферментов (тиаминпирофосфат, липоевая кислота, коэнзим А – Ко. А SH, ФАД и НАД).
Ко. А
Общее уравнение одного оборота цикла Кребса: Ацетил Ко. А → 2 CO 2 + Ко. А + 8 е
Глиоксилатный цикл
• Осуществляется в прорастающих семенах масличных растений, а также у некоторых микроорганизмов (бактерий и плесневых грибов). • Впервые описан в 1957 г. у бактерий и плесневых грибов Г. Л. Корнбергом и Г. А. Кребсом. • Г. ц. локализован в глиоксисомах. • При прорастании семян масличных растений через Г. ц. осуществляется превращение жиров в углеводы. • Наличие Г. ц. в животных тканях остаётся спорным.
Пентозофосфатный путь (пентозный путь, фосфоглюконатный путь, гексозомонофосфатный шунт) • совокупность обратимых ферментативных реакций, в результате которых происходит окисление глюкозы до CO 2 с образованием восстановленного НАДФН и H + , а также синтез фосфорилированных сахаров, содержащих от 3 до 7 атомов С. 6 Глюкозо 6 фосфат + 12 НАДФ = 5 Глюкозо 6 фосфат+ 6 CO 2 + 12 НАДФН +12 H+ + Н 2 РО 4 Локализован в цитоплазме.
Значение пентозофосфатного пути • Энергетическое: при окислении одной молекулы глюкозы выделяется 37 молекул АТФ. • Образуется восстановленный НАДФ, который может быть использован на различные синтетические процессы, в том числе и в темновых реакциях фотосинтеза. • Образование пентоз. Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. • Может в отсутствие света осуществляться и в хлоропластах. На протяжении онтогенеза растений и в зависимости от условий происходит смена дыхательных путей.
Брожение
Виды брожения • Спиртовое брожение: ПВК → 2 этанол + 2 CO 2 • Лимоннокислое брожение: ПВК → лимонная кислота + 2 H 2 O • Молочнокислое брожение: ПВК + НАД∙НH+ → молочная кислота + НАД+ • Маслянокислое брожение: ПВК →масляная кислота + 2 CO 2+2 H 2 O
ЭТЦ Дыхательная электронтранспортная цепь— система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н и ФАДН 2 молекулярным кислородом или иными веществами в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану. Переносчики расположены по своему окислительно восстановительному потенциалу, транспорт электрона на всём протяжении цепи протекает самопроизвольно.
Компоненты дыхательной цепи • Комплекс I (НАДН дегидрогеназа) окисляет НАД∙Н, отбирая у него два электрона и перенося их на растворимый в липидах убихинон, который внутри мембраны диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии. • Комплекс II (Сукцинат дегидрогеназа) не перекачивает протоны, но обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счёт окисления сукцината.
• Комплекс III (Цитохром bc 1 комплекс) переносит электроны с убихинола на два водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрии. Убихинол передаёт 2 электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону. При этом туда также переходят 2 протона убихинола и 2 перекачиваются комплексом. • Комплекс IV (Цитохром c оксидаза) катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на O 2 и перекачивает при этом 4 протона в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов a и a 3, которые, помимо гема, содержат ионы меди.
Ингибиторы ЭТЦ • Ингибиторы окислительной цепи – блокируют перенос электронов на определенном участке дыхательной цепи (цианид, антимицин, азид). • Разобщители – подавляют фосфорилирование АДФ, не влияя на перенос электронов, и стимулируют рассеивание энергии в виде тепла (2, 4 динитрофенол). • Ингибиторы переноса энергии препятствуют превращению энергии окисления в АТФ, ингибируя перенос энергии (олигомицин, рутамицин).
АДЕНОЗИНТРИФОСФА Т АТФ открыт в 1929 г. Карлом Ломанном. В 1941 г. Фриц Липман показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.
Роль в организме • • Обеспечение энергией биохимических реакций. Исходный продукт при синтезе нуклеиновых кислот. Аллостерический эффектор ряда ферментов. Непосредственный предшественник синтеза ц. АМФ — вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала.
Пути синтеза АТФ • Субстратное фосфорилирование Перенос неорганического фосфата на АДФ. • Окислительное фосфорилирование Синтез молекул АТФ из АДФ и фосфата за счёт энергии окисления молекул органических веществ. Открыт в 1930 г. Энгельгардтом В. А. В 1939 Белицер В. А. и Цыбакова Е. Т. показали, что ОФ сопряжено с переносом электронов по цепи дыхательных ферментов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий. Эффективность ОФ оценивают с помощью отношения количества фосфата, связанного при фосфорилировании АДФ, отнесённого к поглощённому О 2.
Гипотеза П. Митчелла требует соблюдения ряда условий: • Внутренняя мембрана митохондрий должна быть непроницаема для протонов, направляющихся снаружи внутрь. • В результате активности дыхательной цепи ионы водорода поступают в нее из матрикса, а освобождаются в межмембранное пространство. • В результате они накапливаются между мембранами, вследствие чего между возникает градиент р. Н. • Поддержание такого градиента требует затраты энергии. Эту энергию поставляет перенос электронов по ЭТЦ.
Структура и номенклатура АТФ синтазный комплекс напоминает плодовое тело гриба, у которого компонент F 1 — это шляпка, ножка — это γ субъединица компонента F 1, а «корни» гриба — компонент FO, углубленный в мембрану. • Субъединицы фермента : α, β, γ, δ, ε; a, b, c, d, e, f, g, h, F 6, A 6 L OSCP — белок, чувствительный к олигомицину
Принципы функционирования АТФ-синтетазы • Энергия должна быть в форме ΔµH+. • Энергия требуется для переноса связанного АТФ из активного центра фактора F 1 в воду или переноса АДФ и фосфата из воды в активный центр. • АДФ и фосфор, связанные с фактором F 1 могут образовывать АТФ без притока энергии извне. • В переносе протонов через АТФ синтетазный комплекс участвует фактор F 0. • АТФ синтетаза может работать и как АТФ аза, используя АТФ для поддержания ΔµH+