Дыхание

Определение процесса. Дыхание — один из центральных процессов обмена веществ растительного организма.

Долгое время считалось, что растения не дышат. Однако Никола́ Теодо́р де Соссю́р (1804) своими опытами доказал существование дыхания у растений, при котором поглощается кислород и выделяется углекислый газ и вода.

Современные представления о дыхании позволяют дать следующее определение этого процесса – это физиологический процесс постепенного окисления органических веществ с выделением энергии, которая запасается в молекулах АТФ, являются, в свою очередь, донорами энергии для выполнения любой работы в клетки.

Вместе с тем значение дыхания не ограничивается тем, что это процесс, поставляющий энергию. Дыхание, подобно фотосинтезу, сложный окислительно-восстановительный процесс, идущий через ряд этапов. На его промежуточных стадиях образуются органические соединения, которые затем используются в различных метаболических реакциях.

Суммарное уравнение процесса дыхания:

C₆H₁₂O6+6O₂ 6C0₂+6H₂O+2824 кДж

Дыхание это – это физиологический процесс постепенного окисления органических веществ с выделением энергии, которая запасается в молекулах АТФ, являющихся донорами энергии для выполнения любой работы в клетке.

Дыхательные субстраты. Дыхательный коэффициент. Органические вещества, разрушающиеся в процессе дыхания, называют дыхательным субстратом. Главным дыхательным субстратом являются углеводы. Окисление дыхательного субстрата – сложный процесс, состоящий из большого числа химических реакций. Дыхательный коэффициент – это объемное или молярное отношение СО₂, выделившегося в процессе дыхания, к поглощенному за это же время О₂. При нормальном доступе кислорода величина коэффициента зависит от субстрата дыхания. Если используются углеводы, то коэффициент равен 1. Если разложению подвергаются более окисленные соединения, например, органические кислоты, то поглощение кислорода уменьшается и коэффициент становится больше 1. Так, при использовании яблочной кислоты он равен 1,33. При окислении более восстановленных соединений (жиры, белки) требуется больше кислорода и коэффициент становится меньше 1. Например, при использовании жиров коэффициент равен 0,7.

При недостатке углеводов используются другие субстраты. Особенно это проявляется при прорастании семян, в которых запасными питательными веществами являются белки и жиры. Белки предварительно расщепляются до аминокислот. Затем аминокислоты окисляются до ацетилкоэнзима А и кетокислот, которые участвуют в цикле Кребса. Жиры гидролизуются липазой до глицерина и жирных кислот. Глицерин фосфорилируется и затем окисляется до 3-фосфоглицеринового альдегида, который включается в обмен углеводов. Жирные кислоты окисляются с образованием ацетилкоэнзима А.

Основные ферменты

Оксиредуктазы

Окисление дыхательных субстратов в ходе дыхания осуществляется с участием ферментов. Они называются оксиредуктазами, так как окисление одного вещества (донора электронов и протонов) сопряжено с восстановлением другого вещества (акцептора). Различают следующие группы ферментов.

Анаэробные или пиридиновые дегидрогеназы. Это двухкомпонентные ферменты, коферментом которых является НАД или НАДФ. Они передают электроны различным акцепторам, но не кислороду и отнимают два протона от субстрата. Один протон присоединяется к коферменту, а другой выделяется в среду. В зависимости от белковой части различают более 150 ферментов.

Аэробные или флавиновые дегидрогеназы. Они катализируют отнятие двух протонов от субстратов и передают электроны от анаэробных дегидрогеназ разным акцепторам (хиноны, цитохромы), в том числе и кислороду. Простетической группой служат производные витамина В₂ – флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид.

Оксидазы. Эти ферменты передают электроны от субстрата только на кислород. При этом образуются вода (переносятся на О₂ 4 электрона), перекись водорода (Н₂О₂) или супероксидный анион кислорода (О^-₂). Н₂О₂ и О^-₂ весьма токсичны и поэтому быстро превращаются в воду и кислород под действием каталазы и супероксиддисмутазы, соответственно.

Оксигеназы. Они активируют кислород и катализируют его присоединение к различным органическим соединениям (аминокислоты, фенолы, ненасыщенные жирные кислоты, ксенобиотики – чужеродные токсичные вещества).

Общая характеристика процесса дыхания

Существуют две основные системы и два основных пути превращения дыхательного субстрата, или окисления углеводов: 1) гликолиз + цикл Кребса (гликолитический); 2) пентозофосфатный (апотомический).

Гликолиз – это процесс постепенного превращения сахара – глюкозы в пируват (см схема) в результате которого клетка обогащается энергией. Реакции гликолиза идут в цитозоле и в хлоропластах. Процесс состоит из 10 реакций в аэробных условиях, в анаэробных – дополнительные реакции брожения. В зависимости от конечного продукта различают разные типы брожения: спиртовое и молочнокислое. В присутствии кислорода может происходить уксуснокислое брожение. Аэробная фаза дыхания локализована в митохондриях в основном пути пируват окисляется и декарбоксилируется при участии пируватдегидрогеназного комплекса с образованием ацетил-КоА, который вступает в цикл Кребса см схема. Цикл Кребса происходит в матриксе митохондрий и состоит из одинаковых реакций у животных и у растений.

При окислении одной молекулы пировиноградной кислоты образуется 3 молекулы НАДН, 1 молекула НАДФН и 1 молекула ФАДН₂, при окислении которых в дыхательной электронтранспортной цепи синтезируется 14 молекул АТФ. Кроме того, 1 молекула АТФ образуется в результате субстратного фосфорилирования.

Функции цикла Кребса: восстановление коферментов НАД и ФАД, при последующем окислении которых образуются молекулы АТФ, кроме того они служат донорами Н для восстановительных реакций, промежуточные вещества могут использоваться для синтеза белков, жиров и углеводов. Например, кетоглутарат может превращаться в глутамат, а фумарат или оксалоацетат в аспартат. Сукцинат является предшественником аминолевулиновой кислоты, используемой для синтеза хлорофилла.

Другой путь дыхания – пентозофосфатный путь см схема - апотомический путь. Физиологическое значение: снабжает клетки НАДФН, являющимся донором водорода для синтеза жирных кислот, восстановительного аминирования, пентозы используются для синтеза АТФ, АДФ, АМФ, нуклеиновых кислот, пиридиновых ферментов, веществ клеточной стенки и других соединений, эритрозо-4-фосфат участвует в образовании шикимовой кислоты, необходимой для синтеза горомнов.

Если дыхательным субстратом являются жиры или белки, то они сначала гидролизуются, образовавшиеся при гидролизе аминокислоты дезаминируются и могут войти в цикл трикарбоновых кислот. Жиры в результате гидролиза превращаются в глицерин и жирные кислоты, которые из цитозоля поступают в митохондрии, где при их -окислении образуется ацетил-КоА, который может вступить в цикл трикарбоновых кислот.

В семенах масличных растений ацетил-КоА может включиться в другой цикл, названный глиоксилатным. Глиоксилатный цикл осуществляется в глиоксисомах – специальных органеллах с одинарной мембраной. Первые реакции до образования изоцитрата такие же как и в цикле Кребса. Затем ход меняется изоцитрат под действием фермента изоцитратлиазы расщепляется на сукцинат и глиоксилат. Сукцинат выходит из цикла, а глиоксилат соединяется со второй молекулой ацетил-КоА и образуется малат, фермент малатсинтаза. Малат окисляется до оксалоацетата и цикл заканчивается. Этот цикл обычно идет при прорастании богатых жиром семян. Какое значение имеет этот цикл: с помощью него жиры превращаются в углеводы – сукцинат выходит из глиоксисомы и поступает в митохондрии, где включается в цикл Кребса. Кроме того, глиоксилат используется для синтеза порфиринов и хлорофилла, а восстановленный НАД может окисляться с образованием трех молекул АТФ.

Окислительное фосфорилирование и ЭТЦ. АТФ синтезируется в результате окислительного фосфорилирования в ходе работы дыхательной цепи, в которой переносчики расположены в порядке возрастания окислительно-восстановительных потенциалов:

НАДН-ФМН-убихинон-цитб-цитс1-цитс-цитаа3 - кислород

ФАД

Каждый компонент должен располагаться в цепи так, чтобы он мог принять электрон и передать следующему. Переносчики, за исключением убихинона и цитохрома с, образуют во внутренней мембране 4 комплекса. Комплекс 1 – НАДН-дегидрогеназный комплекс, самый большой, содержит более 22 полипептидных цепей, а также флавинмононуклеотид и 5 железосерных центров. Переносит электроны от НАДН через ФМН и железосерные белки на убихинон. Одновременно этот комплекс переносит и протоны. Комплекс 2 содержит ФАД-зависимую сукцинат- убихинон-оксидоредуктазу и три железосерных белка. Этот комплекс катализирует окисление сукцината.

Убихинон или кофермент Q – самый простой переносчик электронов, он может принять или отдать как один так и два электрона и временно захватить из окружающей водной среды протон при переносе каждого электрона, когда он отдает электрон другому переносчику, протон освобождается. Убихинон передает электроны от первого и вторго комплексов третьему. Комплекс 3 б-с1 состоит из 8 разных полипептидных цепей и является димером. В его состав входят цитохромы б с1 и железосерный белок. Этот комплекс переносит электроны от восстановленного убихинона к цитс.

Цитохром с – небольшой водорастворимый белок, располагающийся на обращенной к межмембранному пространству стороне внутренней мембраны митохондрии между комплексами 3 и 4. цитохром с переносит электроны на комплекс 4. комплекс 4 – димер состоящий из 8 полипептидных цепей. Каждый мономер содержит 2 цитохрома а и а3 и 2 атома меди. Этот комплекс получает электроны от цитохрома с и передает их кислороду воздуха. Транспорт электронов через данный комплекс сопряжен с транспортом протонов через внутреннюю мембрану митохондрии в межмембранное пространство. Этот процесс ингибируется цианидом, азидом и СО.

Движение электрона начинается с НАДН как и у животных и такой транспорт электронов – главный, получил название цитохромного. Кроме того, в растениях существует еще другой путь переноса электронов – альтернативный, когда электроны от убихинона передаются на кислород воздуха с помощью альтернативной оксидазы, цитохромы не участвуют.

Образование АТФ описывает теория Митчелла. При окислении одной молекулы НАДН образуется 3 АТФ, при окислении ФАДН – 2.

Так при полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 АТФ – аэробное дихотомическое окисление.

При ПФП окислительном цикле восстанавливаются 12 молекул НАДФ, в результате их окисления в дыхательной цепи может синтезироваться 36 АТФ.

Коэффициент фосфорилирования. В качестве показателя, характеризующего количество образовавшихся молекул АТФ, а следовательно и степень сопряжения окисления и фосфорилирования используют отношение Р/О, где Р- число молей неорганического фосфата, использованного для фосфорилирования АДФ, О- количество поглощенного кислорода. Величина Р/О увеличивается под влиянием гормонов, например ауксина. В молодых тканях окисление и фосфорилирование сопряжены лучше, чем в старых. Существуют вещества, разобщающие транспорт электронов и образование АТФ, они называются разобщающими агентами или дыхательными ядами. Это липофильные низкомолекулярные вещества, например динитрофенол. Они работают как переносчики протонов, в их присутствии протоны, попавшие в результате работы дыхательной цепи в межмембранное пространство митохондрии, возвращаются в матрикс органеллы, т.е. разобщающие агенты открывают для протонов дополнительный путь через внутреннюю мембрану, минуя АТФазу. Поэтому электрохимический потенциал на мембране не возникает, АТФ не синтезируется, Р/О равен 0.

Зависимость дыхания от внешних и внутренних условий

Дыхание характеризуется интенсивностью – измеряется количеством кислорода поглощенного за один час одним граммом сухого или сырого растительного материала, а также количеством углекислого газа, выделенным за час одним граммом растительной массы.

Дыхательный коэффициент – отношение количества выделенного углекислого газа к количеству поглощенного кислорода.

Внутренние факторы, влияющие на интенсивность дыхания: снабжение клеток кислородом, местоположение ткани, возраст растения, принадлежность к экологической группе растений – теневыносливые дышат менее интенсивно, чем светолюбивые.

Различные виды и экологические формы растений дышат с разной интенсивностью. Как уже упоминалось, светолюбивые растения характеризуются более высокой интенсивностью дыхания по сравнению с теневыносливыми. Расте­ния северных широт по сравнению с растениями, произрастающими на юге, ды­шат более интенсивно, особенно при пониженной температуре.

Интенсивность дыхания зависит от возраста. Как правило, более молодые растущие органы и ткани дышат более интенсивно. Интенсивность дыхания про­ростков обычно резко возрастает в течение периода их наибольшего роста (пер­вые 4—5 суток после начала прорастания), а затем начинает падать. По-види­мому, это связано с образованием закончивших рост тканей. Определенным закономерным образом изменяется интенсивность дыхания листьев. После по­явления листа в первые дни его роста интенсивность дыхания возрастает, а затем резко падает, а в период пожелтения часто вновь немного повышается. Такое же явление наблюдается у плодов перед их созреванием (климактерический период). Перед отмиранием организма или органа обычно наступает кратковременное усиление процесса дыхания. Это связано, по-видимому, с какими-то необра­тимыми процессами дегенерации тканей, при которых сложные соединения распадаются на более простые, что увеличивает количество субстратов дыхания. В этот период дыхание не сопровождается фосфорилированием. Коэффициент Р/О резко падает. По-видимому, разрушается упорядоченное расположение окис­лительных и фосфорилирующих систем.

Изменение возраста всего растительного организма также сказывается на интенсивности дыхания. Наивысшей интенсивностью дыхания обладают растения перед началом цветения. Низкой интенсивностью дыхания отличаются ор­ганы растения, закончившие рост или находящиеся в состоянии покоя. Очень низкое дыхание характерно для сухих семян, завершивших рост плодов, тканей, в которых имеется большой процент мертвых клеток. Низкая интенсивность дыхания у покровных тканей. Высокой интенсивностью дыхания характеризуются цветки (особенно тычинки и пестики), клетки флоэмы и камбия. Как уже упо­миналось, различные органы и ткани растения сильно различаются по условиям снабжения их кислородом. В листе кислород свободно поступает практически к каждой клетке. Сочные плоды, корнеплоды, клубни вентилируются очень пло­хо; они слабо проницаемы для газов, не только для кислорода, но и для углеки­слого газа. Естественно, в этих органах процесс дыхания сдвигается в анаэроб­ную сторону, дыхательный коэффициент возрастает. Возрастание дыхательного коэффициента и сдвиг процесса дыхания в анаэробную сторону наблюдаются в меристематических тканях. Таким образом, разные органы характеризуются не только различной интенсивностью, но и неодинаковым качеством дыхатель­ного процесса.

Внешние факторы: влажность, газовый состав среды, температура, свет, химические и механические раздражители

Температура.

Дыхание у ряда растений осуществляется и при температуре ниже 0°С. Так, у хвои ели процесс дыхания идет даже при температуре —25°С. Как всякая ферментативная реакция с повышением температуры интенсивность дыхания возрастает. Однако это происходит до определенного предела, выше которого начинается инактивация ферментов и интенсивность дыхания снижает­ся. При этом надо учитывать длительность выдерживания растения при данной температуре. При кратковременной экспозиции интенсивность дыхания воз­растает при повышении температуры до 35°С и даже 40°С. При длительном выдерживании в такой температуре интенсивность дыхания уменьшается. Для суждения о влиянии температуры на какой-либо процесс обычно используют такой показатель как температурный коэффициент. Температурный коэффициент (Q₁₀) процесса дыхания зависит от типа растений и от градаций температу­ры. Так, при повышении температуры от 5 до 15°С Q₁₀ может возрастать до 3, тогда как повышение температуры от 30 до 40°С увеличивает интенсивность дыхания менее значительно (Q₁₀ около 1,5). Это может быть связано с тем, что повышение температуры в большей степени ускоряет ферментативные процес­сы по сравнению с поступлением кислорода в клетки. В силу этого возникает недостаток кислорода, что и лимитирует процесс. В процессе эволюции расте­ния приспосабливаются к определенным температурным условиям. На харак­тер реагирования сказывается происхождение растений, географический ареал их распространения. Большое значение имеет фаза развития растений. По данным Б.А. Рубина, на каждой фазе развития растений для процесса дыхания наиболее благоприят­ны те температуры, на фоне которых обычно происходит эта фаза. Изменение оптимальных температур при дыхании растений в зависимости от фазы их развития связано с тем, что в процессе онтогенеза меняются пути дыхательного обмена. Между тем для разных ферментных систем наиболее благоприятными являются различные температуры. Так, температурный минимум работы цитохромов лежит выше по сравнению с флавиновыми дегидрогеназами. В этой связи интересно, что в более поздние фазы развития растений наблюдаются случаи, когда флавиновые дегидрогеназы выступают в роли конечных оксидаз, переда­вая водород непосредственно кислороду воздуха.

Снабжение кислородом.

Кислород необходим для протекания дыхания, поскольку является конечным акцептором электронов, движущихся по дыхательной цепи. Увеличение содержания кислорода до 5—8% сопровождается повы­шением интенсивности дыхания. Дальнейшее возрастание концентрации 0₂ обычно уже не сказывается на интенсивности дыхания. Однако из этого общего положения имеются исключения. Снабжение растительных тканей и клеток ки­слородом зависит не только от его содержания во внешней среде, но и от скоро­сти его поступления. Между тем часто проникновение кислорода к тем или иным тканям затруднено. Это обстоятельство может проявляться на семенах и на пло­дах с плотной оболочкой. В этом случае увеличение концентрации кислорода в среде до 20% и более повышает интенсивность дыхания. Если семя гороха ли­шить оболочки, то интенсивность дыхания возрастает с повышением содержа­ния кислорода в среде примерно до 5—10%. Однако дыхание неповрежденных семян возрастает при увеличении содержания кислорода до 20% и более. Большое значение в снабжении кислородом отдельных органов и тканей имеет система межклетников, способствующая циркуляции воздуха. Воздух, прони­кая через устьица листа, достигает по межклетному пространству других орга­нов, что и позволяет им осуществлять аэробное дыхание. Доступ кислорода по межклетникам важен для корневых систем растений, произрастающих на плохо аэрируемых почвах. Известно, что приспособление корневых систем к росту в анаэробных условиях связано с развитием особенно большого объема межклетников. Вместе с тем нельзя забывать, что корни многих растений не имеют подобных приспособлений и для них очень важна хорошая аэрация почвы. В отсутствие кислорода дыхание уступает место брожению. При содержании кислорода ниже 5% брожение усиливается, и выделение углекислого газа начина­ет превышать поглощение кислорода. Это приводит к тому, что дыхательный коэффициент, как правило, становится больше единицы. При повышении содержания кислорода процесс брожения полностью ингибируется (эффект Пастера) и дыхательный коэффициент становится равным единице. Так, в опытах с плодами яблони было показано, что при снижении концентрации 0₂ выделение С0₂ начинает расти. Это увеличение выделения С0₂ по сравнению с поглощением 0₂ связано с усилением гликолиза и сопровождаемым броже­нием. Вместе с тем добавление 0₂ ингибирует гликолиз. Необходимо также отметить, что кислород оказывает стимулирующее влияние на процесс фото­дыхания.

Содержание углекислого газа.

С0₂ является конечным продуктом как броже­ния, так и аэробного дыхания. При довольно высоких концентрациях С0₂, значительно превышающих те, которые обычно окружают растительный организм (выше 40%), процесс дыхания тормозится. Торможение вызывается несколькими причинами: 1) высокая концентрация С0₂ может оказывать общее анестезирующее влияние на растительный организм; 2) С0₂ тормозит активность ряда дыхательных ферментов; 3) повышение содержания С0₂ вызывает закрытие устьиц, что затрудняет доступ кислорода и косвенно тормозит про­цесс дыхания.

Содержание воды.

Небольшой водный дефицит растущих тканей увеличива­ет интенсивность дыхания. Это связано с тем, что водный дефицит и даже подвядание листьев усиливают процессы распада сложных углеводов (крахмала) на более простые (сахара). Увеличение содержания Сахаров (основного субстрата дыхания) усиливает сам процесс. Вместе с тем при водном дефиците нарушается сопряжение окисления и фосфорилирования. Дыхание в этих условиях пред­ставляет в основном бесполезную трату сухого вещества. При длительном завядании растение расходует сахара, и интенсивность дыхания падает. Иная законо­мерность характерна для органов, находящихся в состоянии покоя. Увеличение содержания воды в семенах с 12 до 18% уже увеличивает интенсивность дыхания в 4 раза. Дальнейшее повышение содержания воды до 33% приводит к увели­чению интенсивности дыхания примерно в 100 раз. При перемещении растения или ткани из воды в раствор солей дыхание усиливается — это так называемое солевое дыхание.

Свет.

Вопрос о влиянии света на интенсивность дыхания изучался многими физиологами. Решение этого вопроса осложнено методическими трудностями, поскольку на свету трудно разграничить процессы фотосинтеза и дыхания, прямое и косвенное влияние света. В свою очередь, влияние фотосинтеза на дыхание может быть различным и даже противоположным. Так, в процессе фотосинтеза образуются основные субстраты дыхания — углеводы. Вместе с тем промежу­точные продукты, образовавшиеся при дыхании, могут вовлекаться в фотосин­тетический цикл. Установлено, что свет стимулирует процесс фотодыхания. Все же применение метода меченых атомов позволило, хотя и не полно­стью, отграничить процесс фотосинтеза от дыхания. В настоящее время полага­ют, что влияние света на процесс дыхания многообразно. Под влиянием света, особенно коротковолновых сине-фиолетовых лучей, интенсивность обычного темнового дыхания возрастает. Активация дыхания светом показана на бесхлорофилльных растениях. Возможно также, что свет активирует дыхательные фер­менты (оксидазы).

Питательные соли.

Интенсивность дыхания сильно зависит от снабжения рас­тения элементами минерального питания. Такие элементы, как фосфор, сера, железо, медь, марганец, принимают непосредственное участие в процессе дыха­ния, входя в промежуточные продукты (фосфор) или являясь составной частью дыхательных ферментов.

Поранение.

Поранение органов и тканей растения усиливает интенсивность дыхания. Это связано с разрушением клеток, из-за чего повышается соприкосновение дыхательных субстратов и ферментов. Частично поранение может вы­зывать переход клеток в меристематическую фазу роста. Интенсивность дыха­ния делящихся клеток всегда выше по сравнению с клетками, закончившими рост.

Лекция 5