Дыхательным коэффициентом называется отношение выделенной при дыхании углекислоты к количеству поглощенного кислорода (СО2/О2). В случае классического дыхания, когда окисляются углеводы СбН^О^ и в качестве конечных продуктов образуются только СО2 и Н2О, дыхательный коэффициент равен единице. Однако так бывает далеко не всегда, в ряде случаев он изменяется в сторону увеличения или уменьшения, почему и считают, что он является показателем продуктивности дыхания. Изменчивость величины дыхательного коэффициента зависит от субстрата дыхания (окисляемого вещества) и от продуктов дыхания (полного или неполного окисления).
При использовании в процессе дыхания вместо углеводов жиров, которые менее окислены, чем углеводы, на их окисление будет использоваться больше кислорода - в таком случае дыхательный коэффициент будет уменьшаться (до величины 0,6 - 0,7). Этим объясняется большая калорийность жиров по сравнению с углеводами.
Если же при дыхании будут окисляться органические кислоты (вещества более окисленные по сравнению с углеводами), то кислорода будет использоваться меньше, чем выделяться углекислоты, и дыхательный коэффициент возрастает до величины больше единицы. Самым высоким (равным 4) он будет при дыхании за счет.щавелевой кислоты, которая окисляется по уравнению
2 С2Н2О4 + 02 4С02 + 2Н20.
Выше было упомянуто, что при полном окислении субстрата (углевода) до углекислого газа и воды дыхательный коэффициент равен единице. Но при неполном окислении и частичном образовании продуктов полураспада часть углерода будет оставаться в растении, не образуя углекислого газа; кислорода будет поглощаться больше, и дыхательный коэффициент опустится до величины меньше единицы.
Таким образом, определяя дыхательный коэффициент, можно получить представление о качественной направленности дыхания, о субстратах и продуктах этого процесса.
Зависимость дыхания от экологических факторов.
Дыхание и температура
Как и другие физиологические процессы, интенсивность дыхания зависит от ряда экологических факторов, причем сильнее и
определеннее всего выражена температурная зависимость. Это обусловлено тем, что из всех физиологических процессов дыхание является наиболее "химическим", ферментативным. Связь же ак- , тивности ферментов с уровнем температуры неоспорима. Дыхание подчиняется правилу Вант-Гоффа и имеет температурный коэффициент (2ю 1,9 - 2,5.
Температурная зависимость дыхания выражается одновершинной кривой (биологической) с тремя кардинальными точками. Точка (зона) минимума различна у разных растений. У холодоустойчивых она определяется температурой замерзания растительной ткани, так что у незамерзающих частей хвойных дыхание обнаруживается при температуре до -25 °С. У теплолюбивых растений точка минимума лежит выше нуля и определяется температурой отмирания растений. Точка (зона) оптимума дыхания лежит в интервале от 25 до 35 °С, т. е. несколько выше, чем оптимум для фотосинтеза. У различных по степени теплолюбивости растений ее положение также несколько изменяется: она лежит выше у теплолюбивых и ниже у холодоустойчивых. Максимальная температура дыхания находится в интервале от 45 до 53 °С.> Эта точка определяется отмиранием клеток и разрушением цитоплазмы, ибо клетка дышит, пока жива. Таким образом, температурная кривая дыхания подобна кривой фотосинтеза, но не повторяет ее. Различие между ними заключается в том, что- кривая дыхания охватывает более широкий температурный диапазон, чем кривая фотосинтеза, а оптимум ее несколько смещен в сторону повышенйой температуры.
Сильное действие на интенсивность дыхания оказывают колебания температуры. Резкие переходы ее от высокой к низкой и обратно значительно усиливают дыхание, что было, установлено* еще В. И. Палладиным в 1899 г.
При колебаниях температуры происходят не только количественные, но и качественные изменения дыхания, т. е. изменение путей окисления органического вещества, однако в настоящее время они исследованьг слабо, поэтому здесь не излагаются.
Дыхание - один из важнейших процессов обмена веществ растительного организма. Выделяющаяся при дыхании энергия тратится как на процессы роста, так и на поддержание в активном состоянии уже закончивших рост органов растения. 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. К промежуточным соединениям относят органические кислоты и пентозы, образующиеся при разных путях дыхательного распада. Таким образом, процесс дыхания - источник многих метаболитов .
Несмотря на то, что процесс дыхания в суммарном виде противоположен фотосинтезу, в некоторых случаях они могут дополнять друг друга.
Оба процесса являются поставщиками как энергетических эквивалентов (АТФ, НАДФН), так и метаболитов . Как видно из суммарного уравнения, в процессе дыхания образуется также вода. Эта вода в крайних условиях обезвоживания может использоваться растением и предохранить его от гибели. В некоторых случаях, когда энергия дыхания выделяется в виде тепла, дыхание ведет к бесполезной потере сухого вещества. В этой связи при рассмотрении процесса дыхания надо помнить, что не всегда усиление процесса дыхания является полезным для растительного организма.
Отдельные этапы дыхания осуществляются в разных частях растительной клетки . Это определяется распределением ферментов по отдельным органеллам с характерными для них метаболическими функциями. Изучение локализации, топографии ферментных систем имеет большое значение и для понимания взаимодействия отдельных частей клетки, а также возможности взаимодействия отдельных метаболитов.
В цитоплазме сосредоточены ферменты, катализирующие процесс гликолиза и пентозофосфатного пути . Есть данные, что ферменты гликолиза имеются также в матриксе митохондрий. Ферменты цикла Кребса сосредоточены в основном в матриксе митохондрий. Ферменты дыхательной цепи вплетены в определенной последовательности во внутреннюю мембрану митохондрий. Приблизительно 20-25% общего белка внутренней мембраны митохондрий составляют белки-ферменты, участвующие в переносе протонов и электронов. Предполагается, что ферменты-переносчики сгруппированы так, что каждая группа представляет самостоятельную единицу - дыхательный ансамбль . В митохондрии может быть несколько тысяч таких ансамблей, которые равномерно распределены в мембранах.
Во внутренней мембране митохондрий локализованы также ферменты, обеспечивающие процесс фосфорилирования (АТФ-синтаза). Там же сосредоточен и переносчик АТФ. Благодаря этому образовавшаяся в митохондриях АТФ может выходить из них и использоваться в других частях клетки. Одновременно этот же переносчик осуществляет перенос АДФ во внутреннее пространство митохондрий. Через внутреннюю мембрану проникают также пировиноградная кислота и некоторые органические кислоты цикла Кребса. Специфический переносчик осуществляет перенос внутрь митохондрий фосфатионов. Вместе с тем для коферментов НАД и НАДФ и некоторых других веществ внутренняя мембрана непроницаема.
Часть никотинамидных коферментов восстанавливается в цитоплазме в процессе гликолиза. Для того чтобы осуществить их окисление, существуют специальные механизмы. У растений НАДН-дегидрогеназа, под действием которой НАДН может вступать в дыхательную цепь, локализована на наружной поверхности внутренней мембраны. В случае отсутствия наружной НАДН-дегидрогеназы перенос НАДН на внутреннюю мембрану осуществляется с помощью челночного механизма. Суть этого механизма следующая. Образовавшийся в цитоплазме НАДН реагирует с фосфодиоксиацетоном, восстанавливая его до глицерофосфата. Глицерофосфат проникает через мембрану и отдает водород флавиновой дегидрогеназе и через нее в дыхатель ную цепь. При этом глицерофосфат снова превращается в фосфодиоксиацетон, который выходит из митохондрий в цитоплазму и опять подвергается восстановлению НАДН + Н+. Сходный механизм переноса энергетических эквивалентов через мембраны обнаружен и в хлоропластах. Таким образом, в клетке одновременно осуществляется как распределение веществ по разным компартментам, так и взаимосвязь между ними.
Важным является вопрос, как обеспечиваются энергией процессы, происходящие в ядре клетки . По-видимому, частично АТФ поступает в ядро из цитоплазмы. В ядре имеются и собственные дыхательные ферменты. Так, в нуклеоплазме обнаружены ферменты гликолиза. Есть данные, что в ядре функционируют ферменты дыхательной цепи, подобные митохондриальным. Наконец, ферменты дыхания обнаружены и в хлоропластах.
Субстраты дыхания растений
В работах И.П. Бородина (1876) было показано, что интенсивность процесса дыхания прямо пропорциональна содержанию в тканях растений углеводов. Это дало основание предположить, что именно углеводы являются основным веществом, потребляемым при дыхании (субстратом ). В выяснении данного вопроса большое значение имеет определение дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент (ДК) - это объемное или молярное отношение С02, выделившегося в процессе дыхания, к поглощенному за этот же промежуток времени 02. При нормальном доступе кислорода величина ДК зависит от субстрата дыхания. Если в процессе дыхания используются углеводы, то процесс идет согласно уравнению
С6Н1206 +602-> 6С02 + 6Н20.
В этом случае ДК равен единице: 6С02/602 = 1.
Однако если разложению в процессе дыхания подвергаются более окисленные соединения, например, органические кислоты, поглощение кислорода уменьшается, ДК становится больше единицы. Так, если в качестве субстрата дыхания используется яблочная кислота, то ДК = 1,33.
Определение дыхательных коэффициентов разных тканей растений показывает, что в нормальных условиях он близок к единице. Это дает основание считать, что в первую очередь растение использует в качестве дыхательного материала углеводы. При недостатке углеводов могут быть использованы и другие субстраты. Особенно это проявляется на проростках, развивающихся из семян, в которых в качестве запасного питательного вещества содержатся жиры или белки. В этом случае дыхательный коэффициент становится меньше единицы. При использовании в качестве дыхательного материала жиров происходит их расщепление до глицерина и жирных кислот. Жирные кислоты могут быть превращены в углеводы через глиоксилатный цикл. Использованию белков в качестве субстрата дыхания предшествует их расщепление до аминокислот.
Субстрат из смеси торфяной крошки и подстилочного торфа хорошо снабжается воздухом. Каким бы влажным ни был субстрат, корни растений все же получают достаточно кислорода для дыхания. Кроме того, торф трудно поддается разложению. Даже при сильном увлажнении и высокой температуре вряд ли вероятно его загнивание.[ ...]
Дыхание является самой совершенной формой окислительного процесса и наиболее эффективным способом получения энергии. Главное преимущество дыхания состоит в том, что энергия окисляемого вещества - субстрата, на котором микроорганизм растет, используется наиболее полно. Поэтому в процессе дыхания перерабатывается гораздо меньше субстрата для получения определенного количества энергии, чем, например, при брожениях.[ ...]
Под дыханием понимается процесс, связанный с распадом углеводов, в результате которого высвобождается энергия, обеспечивающая метаболизм и транспорт в растении. Так как кинетика метаболизма и транспорта уже описана, то из известных балансовых соотношений можно вычислить затраты субстрата на дыхание. Отметим, что при описании дыхания объединены две стадии преобразования химической энергии: стадии окисления субстрата, во время которой образуются макроэргические связи АТФ, и стадия использования энергии АТФ. Кроме того, в балансовом уравнении дыхания учитываются затраты углеводов на обеспечение энергией процесса биосинтеза и транспорта органических и неорганических веществ. В процессе дыхания выделяется углекислый газ, который частично используется в фотосинтезе. Его динамика описывается на основе балансовых соотношений.[ ...]
Разница в дыхании обеих групп плодов, по мнению Хелме и др. , вероятно, лишь относительная (см. раздел 1.3.4). У обеих групп имеются одни и те же ферменты и дыхательные субстраты. Причина дифференциации процесса дыхания заключается, по-видимому, как в неодинаковых цитологических изменениях, так и в недостаточной активности ферментов определенных реакций.[ ...]
Таким образом, при дыхании конечным акцептором водорода является кислород. У анаэробов в качестве акцепторов водорода выступают либо органические субстраты (брожение), либо неорганические вещества, такие, как нитраты или сульфаты («анаэробное дыхание»). Из схемы видно, что наиболее просто и примитивно транспорт электронов осуществляется у большинства анаэробов из-за отсутствия у них ферментов цепи переноса электронов, способных передавать электроны по цепочке вплоть до молекулярного кислорода.[ ...]
В течение всего лета субстрат поддерживают настолько влажным, чтобы из горсти его всегда можно было без большого усилия выжать несколько капель жидкости. Большая влажность уже будет затруднять дыхание корней, поэтому после каждого сильного дождя нужно на какое-то время опустить край пленки и дать избытку воды стечь.[ ...]
Увеличение скорости дыхания в листьях нескольких сортов перца (Capsicum sp.), зараженных сильным штаммом вируса гравировки, удается выявить в момент проявления видимых симптомов, причем высокая скорость дыхания сохраняется и в дальнейшем . По-иному обстоит дело с корневым дыханием больных растений. Вирус не оказывал влияния па интенсивность дыхания у тех сортов, у которых он не вызывал симптомов увядания. В то же время при инокуляции перца сорта Табаско, реагирующего па заражение вирусом увяданием, снижение интенсивности корневого дыхания происходило через 12-24 ч. после того, как проницаемость корней возросла (см. стр. 255). Было высказано предположение, что снижение дыхания в этом случае обусловлено утечкой субстратов и активаторов ферментов.[ ...]
Итак, простейший процесс аэробного дыхания представляется в следующем виде. Молекулярный кислород, потребляемый в процессе дыхания, используется в основном для связывания водорода, образующегося при окислении субстрата. Водород от субстрата передается к кислороду через ряд промежуточных реакций, проходящих последовательно с участием ферментов и переносчиков. Определенное представление о характере процесса дыхания дает так называемый дыхательный коэффициент. Под этим понимают отношение объема выделившегося углекислого газа к объему кислорода, поглощенного в процессе дыхания (С02:02).[ ...]
Соли тетразолия нашли применение и как субстрат для определения дегидрогеназной активности в опухолевых клетках (Kraus, 1957), для определения числа жизнеспособных бактерий БЦЖ в вакцине (Eidus е. а., 1958), для витальной окраски бактерий (Eidus е. а., 1959), для обнаружения термоустойчивых микробов в молоке (Leali, 1958), при распознании дрожжевых клеток с нормальной дыхательной системой и с нарушенным дыханием (Ogur, 1957) и т. д. При помощи диагностической среды, содержащей соли тетразолия, можно дифференцировать бактерии группы Pseudomonas (Selenka, 1958) и фитопатогенные бактерии (Lovrekovich, Klement, 1960).[ ...]
В. И. Палладпн первый стал рассматривать дыхание как ряд ферментативных реакций. Основное значение в процессе окисления ои придавал процессу отнятия водорода от субстрата.[ ...]
Углеводы - конечный продукт фотосинтеза и субстрат для дыхания и роста растений. Известны сведения о защитной роли сахаров при адаптации растений к неблагоприятным условиям среды (Колупаев, Трунова, 1992). Целью наших исследований было изучение содержания углеводов в растениях ячменя (Hordeum distichum L., с. Новичок) в зависимости от уровня минерального питания и температуры. В опытах использовали 3-4-не-дельные растения, выращенные в климатической камере на водной культуре при двух температурных режимах (день/ночь) - пониженном (13/8°С) и оптимальном (22/18°С). Минеральные элементы вносили в среду ежедневно в экспоненциально возрастающих количествах, чтобы обеспечить постоянную низкую - 0.05 и высокую - 0.22 г/г-сут скорость роста (Ingestad, Lund, 1986).[ ...]
В настоящее время показано, что в процессе дыхания активируется как водород субстрата, так и кислород воздуха.[ ...]
Вонрос о веществах, используемых в процессе дыхания, издавна занимал физиологов. Еще в работах И. II. Бородина было показано, что интенсивность процесса дыхания прямо пропорциональна содержанию в тканях растений углеводов. Это дало основание предположить, что именпо углеводы являются основным веществом, потребляемым при дыхании. В выяснении данного вопроса большое значение имеет определение дыхательпого коэффициента. Если в процессе дыхания используются углеводы, то процесс идет, согласно уравнению СеН 120б + 6O2 = 6СО2+6Н2О, в этом случае дыхательный коэффициент равен единице- р = 1.Однако,если разложению в процессе дыхания подвергаются более окисленные соединения, например органические кислоты, поглощение кислорода уменьшается, дыхательный коэффициент становится больше единицы. При окислении в процессе дыхания более восстановленных соединений, таких, как жиры или белки, требуется больше кислорода и дыхательный коэффициент становится меньше единицы.[ ...]
Вопрос о влиянии света на интенсивность дыхания изучался многими физиологами. Решение этого вопроса осложнено методическими трудностями. На свету трудно отделить процесс фотосинтеза от процесса дыхания. Трудно разграничить прямое и косвенное влияние света. Так, на свету идет фотосинтез, растет содержание углеводов - это сказывается на процессе дыхания. Все же применение метода меченых атомов позволило, хотя и не полиостыо, 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 хорошо показана на бесхлорофилльвых растениях. Возможно, что свот активирует ферменты оксидазы. Свет может оказывать косвенное влияние на дыхание зеленых растений благодаря тому, что происходит процесс фотосинтеза. В свою очередь, влияние фотосинтеза па дыхание может быть различным и даже противоположным. Так, с одной стороны, в процессе фотосинтеза образуются основпы© субстраты дыхания - углеводы. Вместе с т[ ...]
На схеме 1 (табл. 36) показан транспорт электронов при дыхании и различных типах анаэробного способа получения энергии. Водород и электроны отщепляются от субстратов с помощью пиридиннуклеотидных ферментов (ПН). Поток электронов направлен от системы с более низким (более отрицательным потенциалом) к системе с более высоким (более положительным) потенциалом, от - 0,8 - 0,4 в (потенциал субстрата) до +0,8 в (потенциал кислорода).[ ...]
В методе оценки кинетики потребления дополнительного субстрата микробной популяцией для вычисления гетеротрофной активности первоначально не учитывается возможная потеря меченого углерода вследствие образования двуокиси углерода в течение периодов инкубации. Было найдено, что в зависимости от типа субстрата 8-60% введенного меченого углерода может быть потеряно при дыхании в течение даже 3-часового инкубационного периода .[ ...]
Механизм изъятия из раствора и последующей диссимиляции субстрата носит весьма сложный и многоступенчатый характер взаимосвязанных и последовательных биохимических реакций, определяемых типом питания и дыхания бактерий.[ ...]
Поранение органов и тканей растения усиливает интенсивность дыхания. Возможно, 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 закончившими рост.[ ...]
Многие простые фенолы оказывают влияние на энергетику системы и окисление субстратов в процессе клеточного дыхания.[ ...]
Относительная роль этих путей дыхапия может меняться в зависимости от типа растений, возраста, фазы развития, а также в зависимости от условии внешней среды. Процесс дыхания растений осуществляется во всех ваешпих условиях, в которых возможна жизнь. Растительный организм не имеет приспособлений к регуляции температуры, поэтому процесс дыхания осуществляется при температуре от -50 до +50вС. Нет приспособлений у растений и к поддержанию равномерного распределения кислорода по всем тканям. Именно необходимость осуществления процесса дыхания в разнообразных условиях привела к выработке в процессе эволюции разнообразных путей дыхательного обмена и к еще большему разнообразию ферментных систем, осуществляющих отдельные этапы дыхания. При этом важно отметить взаимосвязь всех процессов обмена в растительном организме. Изменение пути дыхательного обмена приводит к глубоким изменениям во всем метаболизме растительных организмов.[ ...]
Содержание воды. Небольшой водный дефицит растущих тканей увеличивает интенсивность дыхания. Это связано с тем, что водный дефицит и даже подвядание листьев усиливает процессы распада сложных углеводов (крахмала) на более простые (сахара). Увеличение содержания сахаров этого основного субстрата дыхания усиливает сам процесс. Вместе с тем при водном дефиците нарушается сопряжение окисления и фосфоршшрования. 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 услливается - это так называемое солевое дыхание.[ ...]
Недостаток воды изменяет и такие основные физиологические процессы, как фотосинтез и дыхание. Прежде всего при обезвоживании устьица закрываются, это резко снижает поступление углекислоты в лист н, клк следствие, интенсивность фотосинтеза падает. Однако уменьшение содержания воды снижает интенсивность фотосинтеза и у растений, не имеющих устьиц (мхп, лишайплки). По-видимому, обезвоживание, изменяя конформацию ферментов, участвующих в процессе фотосинтеза, уменьшает их активность. Это связано с тем, что в результате усплеппя под влиянием 8авядания процесса распада крахмала возрастает количество сахаров - этого основного субстрата дыхания. Вместе с тем при недостатке воды в клетках энергия, выделяющаяся в процессе дыхания, пе аккумулируется в АТФ, а в основном выделяется в виде тепла. В силу зтого усиление дыхания, сопровождаемое распадом органических веществ, может принести вред растительному организму.[ ...]
Наиболее часто плесиевение вызывают грибы из родов Ми-cor, Aspergillus, Dematium, обитающих на разных субстратах и очень распространенных в природе. Наиболее сильно поражаются плесневением семена, содержащие большое количество воды, поврежденные, а также хранящиеся в условиях повышенной влажности. Вред от плесневения заключается в том, что грибы обволакивают грибницей семена, нарушают дыхание и другие физиологические процессы, происходящие в семенах при хранении, и часто вызывают их отмирание. Иногда плесневелые семена дают всходы, но они развиваются медленно и, как правило, сильно поражаются различными возбудителями болезней.[ ...]
Денитрификация, являясь микробиологическим процессом, представляет собой лишь особую форму дыхания при нехватке кислорода. Множество бактерий в установке по биологической очистке сточных вод, главным образом протеолитических бактерий, может обеспечить сокращение содержания азота и нитратов при отсутствии свободного кислорода и в присутствии пригодного субстрата, служащего источником водорода. Тем самым, химически связанный кислород может использоваться для метаболических процессов этих бактерий. Способность к денитрификации приобретается бактериями в процессе адаптации. Углеводородный источник должен быть дозирован в минимальной пропорции, соответствующей содержанию нитратов.[ ...]
Поскольку окисление является частью любого аэробного процесса, это означает, что органический субстрат никогда не может быть превращен на 100% в органическое вещество биомассы. Конечно, если учитывать образование диоксида углерода, потерь углерода не будет. В процессах накопления запасных веществ прирост может достигать 0,95 г ХПК/г ХПК(Б). Другая предельная ситуация - весь субстрат расходуется на поддержание жизнедеятельности клеток (эндогенное дыхание), в результате прирост биомассы равен нулю или даже отрицателен. При заданном количестве субстрата прирост биомассы зависит от длительности процесса .[ ...]
Включение (Эю в экстрагированные митохондрии приводит к значительному увеличению индуцируемого субстратом сигнала (в среднем на 80%) и восстанавливает его зависимость от Фн, но не от АДФ. Введение (Эю приводило также к значительному увеличению дыхания, но не к восстановлению фосфорилирования, что связано, по-видимому, с нарушением мембранных структур при экстракации убихинона.[ ...]
Диссимиляция углеводов может происходить двумя путями. В плодах семечковых пород сахар в основном расходуется на дыхание по пути ЭМ.П (Эмбдена - Мей-ерхофа - Парнаса) . При этом в связи с процессами фосфорилирования глюкоза расщепляется до пировиноградиой кислоты (гликолиз). Кроме того, существует возможность расщепления углеводов по пентоз-ному циклу . В каком размере этот цикл участвует в преобразовании дыхательных субстратов, пока нельзя сказать. В настоящее время предполагается, что на определенных этапах развития яблока или других плодов преобладает тот или иной путь. Преобладающий у плодов семечковых пород путь ЭМП заканчивается пировиноградиой кислотой, которая играет важнейшую роль в дыхании. С этого момента дальнейшие превращения пировиноградиой кислоты зависят от среды: в аэробных - с расходованием кислорода, в анаэробных - когда кислород не требуется.[ ...]
По характеру диссимиляции различают аэробные и анаэробные организмы. Аэробные (от греч. аег - воздух) организмы для дыхания (окисления) используют свободный кислород. Аэробами является большинство ныне живущих организмов. Напротив, анаэробы окисляют субстраты, например, сахара в отсутствие кислорода, следовательно, для них дыханием является брожение. Анаэробами являются многие микроорганизмы, гельминты. Например, динитрифицирующие анаэробные бактерии окисляют органические соединения, используя нитриты, являющиеся неорганическим окислителем.[ ...]
Как уже указывалось, многие группы бактерии (например, факультативные анаэробы) способны и к аэробному, и к анаэробному дыханию, но конечные продукты этих двух реакций различны и количество высвобождающейся энергии при анаэробном дыхании значительно меньше. На рис. 2.7 представлены результаты интересного исследования, в котором один и тот же вид бактерий, АегоЪас1ег, выращивали в анаэробных и аэробных условиях с использованием глюкозы в качестве источника углерода. В присутствии кислорода почти вся глюкоза превращалась в бактериальную биомассу и СО2; в отсутствие же кислорода разложение было неполным, гораздо меньшая часть глюкозы превращалась в углеродсодержащие вещества клеток и во внешнюю среду выделялся ряд органических соединений. Чтобы окислить их, потребовались бы другие специализированные виды бактерий. Когда скорость поступления органического детрита в почву и донные отложения высока, бактерии, грибы, простейшие и другие организмы создают анаэробные условия, используя кислород быстрее, чем он диффундирует в субстрат. При этом разложение органического вещества не прекращается - оно продолжается, хотя часто в замедленном темпе, если в среде имеются микроорганизмы с достаточно широким диапазоном анаэробных типов метаболизма.[ ...]
Величина ДК зависит и от других причин. В некоторых тканях из-за затрудненного доступа кислорода наряду с аэробным происходит анаэробное дыхание, не сопровождающееся поглощением кислорода, что приводит к повышению значения ДК. Величина коэффициента обусловлена также полнотой окисления дыхательного субстрата. Если, кроме конечных продуктов, в тканях накапливаются менее окисленные соединения (органические кислоты), то ДК[ ...]
Динамика выделения углекислого газа (С?со2), поглощения кислорода ([ ...]
Как только в семена начинает поступать вода, в них прежде всего резко усиливается, дыхание и одновременно активизируются различные ферменты, образовавшиеся еще в период созревания. Под их влиянием запасные питательные вещества гидролизуются, превращаясь в подвижную легко усвояемую форму. Жиры и крахмал превращаются, в органические кислоты, и сахара, белки - в аминокислоты. Перемещаясь в зародыш из запасающих органов, питательные вещества становятся субстратом для начинающихся в нем процессов синтеза, в первую очередь новых нуклеиновых кислот и ферментативных белков, необходимых для начала роста.[ ...]
Метаболический характер второй стадии потребления подтверждается также отсутствием, после первой стадии поглощения вещества, дальнейшего накопления С14 культурой при ингибировании дыхания бактерий путем введения в субстрат цианистого калия.[ ...]
Чрезмерно развитая растительность препятствует правильной эксплуатации прудов, способствует ухудшению гидрохимического и газового режимов, особенно в ночные часы, когда кислород потребляется всеми водными организмами на дыхание и создается его дефицит. При разложении отмирающей растительности выделяются токсичные продукты гниения (аммиак, сероводород и др.), а ее остатки являются субстратом для сохранения и размножения сапрофитных и патогенных грибов, бактерий.[ ...]
Для нормального протекания синтеза белка в растительном организме пуяшы следующие условия: 1) обеспеченность азотом; 2) обеспеченность углеводами (углеводы необходимы и как материал для построения углеродистого скелета аминокислот, и как субстрат для дыхания); 3) высокая интенсивность и сопряженность процесса дыхания и фосфорилировапия. На всех этапах преобразования азотистых веществ (восстановление нитратов, образование амидов, активизация аминокислот при синтезе белка и др.) необходима энергия, заключенная в макроэргических фосфорных связях (АТФ); 4) присутствие нуклеиновых кислот: ДНК необходима как вещество, в котором зашифрована информация о последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка; и-РНК - как агент, обеспечивающий перенос информации от ДНК к рибосомам; т-РНК - кап обеспечивающая перенос аминокислот к рибосомам; 5) рибосомы, структурные единицы, где происходит синтез белка; 6) белки-ферменты, катализаторы синтеза белка (аминоацил-т-РНК-спптетазы); 7) ряд минеральных элементов (ионы М§2+, Са2+).[ ...]
В дельте Волги в развитии обрастаний К. В. Горбуновым (1955) было выделено 4 периода: эмбриональный, бурного роста, умеренной активности и сокращения биомассы. Число видов и биомасса обрастаний достигали максимума на 10-й день. К этому времени интенсивность фотосинтеза и дыхания снижались, более половины биомассы обрастаний приходилось на простейших, коловраток, бактерий. По данным других авторов (Cattaneo, 1975) для стабилизации обрастаний и достижения их сходства с сообществами на естественных субстратах требовалось около 4 недель.[ ...]
Все физиологические процессы в растении нормально протекают лишь при оптимальном его обеспечении водой. Вода не только растворитель, но и активный структурный компонент клетки. Она участвует в биологических превращениях, например, облегчает взаимодействие между молекулами, служит субстратом для фотосинтеза, участвует в дыхании и многочисленных гидролитических и синтетических процессах.[ ...]
Среди других классов позвоночных животных рыбы, особенно пресноводные, пожалуй, чаще чем другие, сталкиваются с неблагоприятным кислородным режимом, в частности с его сезонными и суточными колебаниями в водоемах, с острым дефицитом в зимний период. Поэтому по характеру энергетического обмена, по соотношению удельного веса гликолиза и дыхания рыбы занимают как бы промежуточное положение между факультативными анаэробами (беспозвоночными) и типичными аэробами (высшие позвоночные). Специальные исследования показали, что для рыб характерны пониженный уровень окислительных процессов и пониженная активность цитохромной системы в сравнении с теплокровными животными. По мнению этих авторов, окислительные системы рыб устроены "примитивнее", чем у высших позвоночных. Так, например, активность цитохромоксидазы у отдельных видов костистых рыб высокая, а содержание цитохрома Ь невелико. К тому же субстратом цитохромоксидазы рыб служит не только цитохром Ь. Следовательно, важнейший дыхательный фермент, завершающий стадии дыхания, лишен строгой специфичности. Система окислительного фосфорилирования рыб функционирует менее эффективно, чем у других групп позвоночных.[ ...]
При анализе связи размеров с метаболизмом у растений часто нелегко решить, что же, собственно говоря, считать «особью». Так, большое дерево можно рассматривать как одну особь, но при изучении связи размеров с площадью поверхности «функциональными особями» можно считать листья (вспомним понятие «индекс листовой поверхности»). Изучая разные виды крупных морских многоклеточных водорослей, мы обнаруживаем, что виды с тонкими, или узкими, «ветвями» (т. е. с высоким соотношением поверхность/объем) характеризуются более высоким уровнем продукции пищи на 1 г биомассы, более интенсивным дыханием и поглощением радиоактивного фосфора из воды, чем виды с толстыми «ветвями» (Е. Odum, Kuentzler, Blunt, 1958). В этом случае «функциональными особями» являются «ветви» или даже отдельные клетки, а не все растение, которое может быть образовано множеством «ветвей», прикрепленных к субстрату одним ризоидом.
У растений выделяют два пути окисления дыхательного субстрата: гликолиз и пентозофосфатный путь.
Гликолиз – это анаэробный процесс, происходящий в цитоплазме. С биологической оценки гликолиз весьма примитивный процесс, возникший до появления кислорода в атмосфере Земли и формирования клеточных органелл.
В сложной цепи гликолитического распада углеводов можно выделить два звена (9 реакций):
В первом звене – потребляется энергия АТФ; во втором – происходит разрыв шестиуглеродных соединений (фруктоза-1.6 дифосфат) с образованием триоз; в третьем, происходит запасание (выделение) энергии. Гидролизу подвергается не свободная молекула гликолиза, а активированная за счет АТФ. Такая активация именуется фосфорилированием.
В результате фосфорилирования образуется глюкозо-6-фосфат. Дальнейшее активирование гексозы достигается путем превращения глюкозо-6 фосфата во фруктозо-6 фосфат. На следующем этапе происходит присоединение к фруктозо-6 фосфату еще одного остатка фосфорной кислоты. Донором фосфорной кислоты и энергии необходимой для образования эфира служит молекула АТФ. Реакции переноса катализируются ферментом фосфогексокеназой. Результатом этой реакции является образование фруктозо-1.6-дифосфат.
Во втором звене: образовавшаяся молекула фруктозо-1.6-дифосфата разрывается на 3-фосфоглицериновый альдегид и *. Реакция разрыва катализируется ферментом альдолазой.
Дальнейшее участие в процессах гликолитического распада принимают только фосфоглицериновый альдегид. Фосфодиоксиацетон полностью преобразуется в фосфоглицериновый альдегид. Фосфоглицериновый альдегид окисляется с образованием 1.3дифосфоглицериновой кислоты.
В третьем звене: образовавшаяся 1.3дифосфоглицериновая кислота вступает в ферментативную реакцию с АДФ. В результате одна из её фосфорных групп переносится на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты.
Образование АТФ в цитоплазме в ходе ферментативных реакций называется субстратным фосфорилированием. 3ФГК превращается с помощью фермента * в 2ФГК. 2ФГК с помощью фермента энолазы превращается в 2 фосфоэнолпировиноградную кислоту.
При отнятии фосфорного остатка от ФСПВК образуется енолПВК, который в силу своей неустойчивости спонтанно превращается в кетокислоту ПВК.
Образование ПВК подвергается дальнейшему расщеплению как анаэробному так и аэробному в цикле ди- и трикарбоновых кислот. Анаэробное расщепление, т.е. без участия О 2 , ПВК может происходить по типу спиртового брожения или по типу молочнокислого брожения. При спиртовом брожении образуется этиловый спирт и СО 2 . Для мясистых сочных плодов спиртовое брожение является нормальным физиологическим процессом. Для целого растения или же для коневой системы длительное пребывание в условиях недостаточной аэрации, спиртовое брожение оказывает вредное действие, приводя к гибели.
Почему? Потому, что брожение сопровождается выделением небольшого количества энергии, которой недостаточно, чтобы длительно поддерживать жизнь, а накопление спирта приводит к отравлению организма. Анаэробное дыхание по типу брожения проявляется в условиях затопления.
В аэробных условиях ПВК в митохондриях окисляется полностью до СО 2 и Н 2 О. Это окисление как установлено английским биохимиком Кребсом, проходит последовательно ступенчато с образованием ди- и трикарбоновых кислот. Цикл Кребса можно разделить на три части.
В первой части происходит окисление ПВК до уксксной кислоты с образованием Ацетил КоА и ыделением СО 2 .
Вторая часть цикла начинается с реакции между ЩУК и Ацетил КоА, которая приводит к синтезу лимонной кислоты. Лимонная кислота в дальнейшем через ряд промежуточных соединений (изолимонную) превращается в щавелево-янтарную. Щавелево-янтарная подвергается декарбоксилированию в результате выделяется СО 2 и образуется Х-кетоглутаровая кислота. Х-кетоглутаровая вновь декарбоксилируется – выделяется СО 2 и образуется янтарная кислота. В этой части цикла уксусная кислота окисляется полностью (по выделению СО2) и на этом заканчивается окисление ПВК.
Третья часть цикла представляет собой взаимное превращение двуосновных кислот с 4 атомами углерода - янтарная → фумаровая → яблочная → и заканчивается регенерацией ЩУК.
Непосредственно в цикле Кребса АТФ не синтезируется, исключая субстратное фосфорилирование Х-кетоглутаровой кислоты, но в цикле возникают пять молекул восстановленных нуклеотидов:
1. при лкислительном декарбоксилировании ПВК;
2. при дегидрировании изолимонной кислоты;
3. при окислении кетоглутаровой кислоты;
4. при окислении янтарной кислоты;
5. при окислении яблочной кислоты.
Каждая пара водородных атомов (Н + , е -) после отщепления проходит путь от субстрата к кислороду через ряд переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. С переносом электронов по ЭТЦ сопряж6ен и синтез АТФ. Процесс образования АТФ, сопряженный с переносом электронов по ЭТЦ митохондрий получил название окислительного фосфорилирования. В конце цепи электроны захватываются кислородом и объединяются с протонами (ионом воздуха) с образованием молекулы воды.
Каков энергетический выход при окислении глюкозы? В процессе дыхания при функционировании гликолиза (субстратное фосфорилирование: 8 молекул АТФ) и цикла Кребса (окислительное фосфорилирование дает 30 молекул АТФ) образуется 38 молекул АТФ. Эффективность использования энергии через гликолиз и цикл Кребса составляет КПД=1596/2721*100%=58,6%.
В клетках растений наряду с гликолизом и циклом Кребса существует и другой путь окисления углеводов – пентозофосфатный. Окисление глюкозы в этом цикле связано с отщеплением первого (альдегидного) атома углерода в виде СО 2 . Исходным продуктом в пентозофосфатном цикле является глюкозо-6фосфат, который далее окисляется в 6-фосфоглюконовую кислоту.
В пентозофосфатном цикле АТФ используется для образования исходного продукта: для фосфорилирования глюкозо-6фосфата. Все реакции пентозофосфатного пути протекают в растворимой части цитоплазмы клеток, а также в протопластидах и хлоропластах. Ни в одной реакции этого цикла АТФ не образуется, но этот цикл является поставщиком водорода для ЭТЦ дыхания. Донором водорода для ЭТЦ дыхание служит НАДН. Энергетический выход ПФП составляет 36 молекул АТФ. Основное назначение ПФП состоит в участии не столько в энергетическом, сколько в пластическом обмене. Пентозофосфатный путь имеет большое значение как источник образования углеводов с различным числом углеродных атомов в цепи – от С 3 до С 7 . ПФП служит основным внехлоропластным и внемитохондриальным источником НАДФН, который необходим для синтеза жирных кислот.
Биологическая роль пентоз, необходимых для синтеза нуклеотидов, т.е. для синтеза рибозы и дезоксирибозы. Сдвиг в сторону пентозофосфатного пути происходит в тех случаях, когда клетке требуется большие количества пятиуглеродных сахаров и когда в качестве источника энергии для синтеза используется не НАДН, а НАДФН.
В первую очередь растения используют в качестве дыхательного материала углеводы. При этом дыхательный коэффициент (молярное отношение СО 2 , выделившегося в процессе дыхания, к поглощённому за этот же промежуток времени О 2) равен единице ().
При недостатке углеводов могут быть использованы и другие субстраты. Особенно ярко это проявляется на проростках, развивающихся из семян, в которых в качестве запасного питательного вещества содержаться белки или жиры. Так как эти соединения по сравнению с сахарами являются более восстановленными, для их окисления требуется больше кислорода и дыхательный коэффициент становится меньше единицы. При этом жиры предварительно расщепляются до глицерина и жирных кислот, которые могут быть превращены в углеводы через глиоксилатный цикл. Использованию же белков в качестве субстрата дыхания предшествует их расщепление до аминокислот.
Пути дыхательного обмена
Существует два основных пути превращения дыхательного субстрата или окисления углеводов:
Дихотомический: гликолиз + цикл Кребса;
Апотомический: пентозофосфатный путь
Относительная роль этих путей дыхания может меняться в зависимости от типа растений, возраста, фазы развития, а также в зависимости от условий внешней среды (например, дыхание осуществляется в диапазоне температур -50….+50 0 С).
Рассмотрим оба пути:
Гликолиз – процесс анаэробного распада глюкозы, идущий с освобождением энергии, конечным продуктом которого является пировиноградная кислота (ПВК).
Реакции гликолиза протекают в растворимой части цитоплазмы (цитозоле), где гликолитические ферменты организованы в мультиэнзимные комплексы с участием актиновых филаментов цитоскелета, и в хлоропластах.
Цепь реакций, составляющих путь гликолиза можно разбить на 3 этапа:
Таким образом, суммарное уравнение гликолиза выглядит следующим образом:
Функции гликолиза в клетке:
Цикл Кребса. В анаэробных условиях ПВК подвергается различным типам брожения. В присутствии же достаточного количества кислорода пируват полностью окисляется до углекислого газа и воды в цикле Кребса. Все участники этого процесса локализованы в матриксе или во внутренней мембране митохондрий.
Первым этапом окислительного расщепления ПВК является процесс образования активного ацетила в ходе окислительного декарбоксилирования при участии пируватдегидрогеназного мультиферментного комплекса (3 фермента и 5 коферментов).
В результате образуется ацетил коэнзим А:
(ацетил – Со А)
Дальнейшее окисление ацетил - Со А осуществляется в ходе циклического процесса (цикла Кребса) начиная со взаимодействия со щавелевоуксусной кислотой (ЩУК):
В результате одного оборота цикла:
Сумарне рівняння аеробного окислення:
Сумарне рівняння гліколізу і циклу Кребса:
Глиоксилатный цикл (в животных клетках отсутствует). Можно рассматривать как модификацию цикла Кребса. Он активно функционирует в прорастающих семенах масличных растений, где запасные жиры превращаются в сахара (глюконеогенез). Локализован не в митохондриях, а в специализированных микротельцах –глиоксисомах.
В отличие от цикла Кребса, в каждом обороте участвует не одна, а две молекулы ацетил-СоА А (образуется при β-окислении жирных кислот)и используется для синтеза янтарной кислоты, которая выходит из глиоксисом, превращается в ЩУК и участвует в глюконеогенезе (обращённом гликолизе).
Пентозофосфатный путь окисления (ПФП, пентозный шунт). Окисление глюкозы по этому пути связано с отщеплением от глюкозы первого атома углерода в виде СО 2 .
Протекает этот процесс в растворимой части цитоплазмы клеток и в хлоропластах. ПФП дыхания особенно активен в тех клетках и тканях растений, в которых интенсивно идут синтетические процессы, такие, как синтез липидных компонентов мембран, нуклеиновых кислот, клеточных стенок, фенольных соединений.
В ПФП выделяют 2 этапа:
окисление глюкозы до рибулозо-5-фосфата с образованием 2NADPH*H + ;
рекомбинация сахаров для регенерации исходного субстрата при участии ферментов транскетолаз, трансальдолаз и изомераз.
Суммарное уравнение ПФП выглядит таким образом:
6С 6 Н 12 О 6 = 5С 6 Н 12 О 6 + 6СО 2 + 12NADPH*H +
Основное значение ПФП не энергетическое, а пластическое:
1 - NADPH*H + , образующийся не в митохондриях, а в цитоплазме, используются главным образом в различных синтетических процессах (так как в отличие отNAD + , который присутствует в клетках в основном в более устойчивой окисленной форме,NADPH*H + - в восстановленной).
2 – В ходе ПФП синтезируются пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот и нуклеотидов (ATP,GTP,UTP,NAD,FAD,коэнзим А тоже являются нуклеотидами, в состав которых входит рибоза).
3 – Углеводы С 3 – С 7 необходимы для синтеза различных веществ. Например, из эритрозы синтезируется шикимовая кислота – предшественник многих ароматических соединений, таких как аминокислоты, витамины, дубильные и ростовые вещества, лигнин клеточных стенок и др.
4 – Компоненты ПФП принимают участие в темновой фиксации СО 2 . Только 2 из 15 реакций цикла Кальвина специфичны для фотосинтеза, остальные участвуют в ПФП.
5 – Триозы С 3 из ПФП могут превращаться в 3-ФГК и участвовать в гликолизе.
Активность ПФП в норме в общем дыхательном обмене составляет 10-40%. Активность увеличивается при неблагоприятных условиях: засухе, калийном голодании, инфекции, затенении, засолении, старении.
Дыхательная электронтранспортная цепь и окислительное фосфорилирование.
Цикл Кребса, глиоксилатный и ПФП функционируют только в условиях достаточного количества О 2 . В то же время О 2 непосредственно не участвует в реакциях этих циклов. Он необходим для заключительного этапа дыхательного процесса, связанного с окислением накопленных восстановленных коферментовNADH*H + иFADH 2 в дыхательной электронтранспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий. С переносом электронов по ЭТЦ сопряжен и синтез АТФ.
Дыхательная ЭТЦ, локализованная во внутренней мембране митохондрий состоит из четырех мультиэнзимных комплексов, в состав которых входят (по мере увеличения окислительно-восстановительного потенциала):
FMN – железосерные белки FeS – убихинон Q – цитохромы ( b 556 ,b 560 , 1 c,c,a,a 3 ) - О 2 . При этом электроны отNADH*H + поступают наFMN, а отFADH 2 – непосредственно на убихинон.
Из матрикса митохондрий при транспорте каждой пары электронов от NADH*H + к О 2 в трех участках ЭТЦ через мембрану наружу (в межмембранное пространство) переносятся по крайней мере шесть протонов Н + , при окисленииFADH 2 – таких участков лишь два.
В результате на мембране создается электрохимический потенциал ионов Н + , включающий химический или осмотический градиент (ΔрН) и электрический градиент.Согласно хемиоосмотичской теории Митчелла такой электрохимический трансмембранный потенциал ионов Н + и является источником энергии для синтеза АТФ за счет транспорта протонов через протонный канал мембранной АТФ-азы.
А
ТФ-азный
комплекс состоит из фактора сопряженияF 1
(белок из 9 субъединиц) и фактора F о,
который перешнуровывет мембрану и
служит каналом для транспорта ионов
Н + .
Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, сопряженный с переносом электронов при ЭТЦ митохондрий, называется окислительным фосфорилированием .
При окислении NADH*H + коэффициент фосфорилирования =3, FADH 2 = 2, то есть энергии хватает на синтез соответственно 3 и 2 молекул АТФ.
С 6 Н 12 О 6 = 6СО 2 + 4 АТФ + 10 NADH*H + + 2 FADH 2 .
При этом 10 NADH*H + = 30 АТФ, а 2 FADH 2 = 4 АТФ. В итоге имеем 4 +30+4 =38 АТФ = 380 ккал/моль = 1591 кДж/моль энергии.
