Определение дыхательного коэффициента (ДК) растений.
Дыхательный коэффициент растений - это отношение количества выделенного при дыхании углекислого газа к количеству поглощенного за это же время кислорода.
Величина ДК зависит от химической природы дыхательного субстрата, биологических особенностей растений, условий снабжения кислородом и других причин.
В данной работе рассматривается величина ДК в зависимости от дыхательного субстрата. Если субстратом являются углеводы, то ДК=1; если же субстратом служат более богатые водородом жиры или некоторые белки, ДК меньше 1 и обычно равен 0,3-0,7; когда субстраты - органические кислоты, ДК больше 1.
Ход работы.
Пробирку заполняют до половины проросшими семенами, закрывают пробкой, в которую вставлена изогнутая под прямым углом тонкая стеклянная трубка. Горизонтальное колено трубки должно быть градуировано, или же к нему следует прикрепить полоску миллиметровой бумаги. В трубку ввести каплю вазелинового масла или воды.
Прибор ставят в стакан с ватой (для того, чтобы он не нагрелся от рук). Наблюдают за движением мениска в стеклянной трубке. Если ДК=1, капля остается в трубке неподвижной. Если ДК больше или меньше 1, капля в трубке будет смещаться. Необходимо трижды определить смещение капли за 5 минут и найти среднее значение (А).
А - это разность между объемами поглощаемого Ог и выделяющегося СО2.
Вынуть пробку, проветрить пробирку, в верхнюю часть пробирки вложить диск из фильтровальной бумаги, смоченной 20%-ный раствором КОН. Закрыть пробку, ввести каплю масла, определить передвижение капли за три пятиминутных интервала, вычислить среднее значение (В). Щелочь поглощает выделяемый при дыхании СО2. Передвижение капли теперь соответствует поглощению О2.
Расчеты можно произвести по следующей формуле:
Оборудование и реактивы:
Широкая плоскодонная пробирка с пробкой, в которую вставлена капиллярная отводная трубка, широкий стакан с ватой, песочные часы на 5 минут, пинцеты, кружочки фильтровальной бумаги, вазелиновое масло, 20%-ный раствор КОН, проросшие семена (пшеницы, подсолнечника, клещевины, фасоли, др.).
Вопросы для повторения:
Термины.
Амилаза - ферменты класса гидролаз, катализирующие гидролиз резервных полисахаридов (крахмала, гликогена). Амилазы обнаружены у животных (сок поджелудочной железы), у высших растений (проросшие семена) и в микроорганизмах. В зависимости от характера действия различают а-амилазы (расщепляют а-1,4-связи в молекуле полисахарида), (З-амилазы (последовательно отщепляют мальтозы от нередуцирующих концов цепей полимера) и глюкоамилазы (расщепляют полисахарид с образованием свободной глюкозы).
Гликолиз - путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаеа, ферментативный анаэробный процесс негидролитического распада углеводов до ПВК. Это филогенетически наиболее древний путь, широко распространенный в природе, играет важную роль в обмене веществ живых организмов. Обеспечивает клетку энергией в условиях недостаточного снабжения кислородом.
Дегидрогеназа - ферменты класса оксидоредуктаз, катализирующие реакции отщепления водорода от одного субстрата и переносящие его на другой. Участвуют в процессах катаболизма всех типов питательных веществ. Ко- ферментами дегидрогеназ служат обычно НАД, НАДР, | ФАД, ФМН. Реакции с участием дегидрогеназ лежат в основе биологического окисления, тесно связанного с обеспечением клеток энергией.
Дегидрогеназы анаэробные - двухкомпонентные ферменты, коферментом которых может быть NAD+ и NADP+. При окислении субстрата NAD+ превращаются в восстановленную форму NADH. Анаэробные дегидрогеназы передаюn водород, то есть электроны и протоны, различным промежуточным переносчикам и аэробным дегидрогеназам. Субстратная специфичность фермента зависит от его белковой части. Многие дегидрогеназы содержат ионы двухвалентных металлов, например Zn.
Дегидрогеназы аэробные - двухкомпонентные ферменты, называемые еще флавопротеинами. Кроме белков имеют в составе простетическую группу - рибофлавин (витамин Вг). Донорами электронов аэробных дегидрогеназ служат анаэробные дегидрогеназы, а акцепторами - хиноны, цитохиноны, кислород.
Дыхание - присуще всем органам, тканям и клеткам растений; осуществляется за счет углеводов. Интенсивность дыхания определяется по количеству поглощенного О2 или выделенного ССЬ и зависит от онтогенеза, морфологических особенностей, температуры и т. д.
Дыхателънный коэффициент - отношение объема С02, выделяемого из организма при дыхании, к объему поглощаемого за то же время О2; характеризует особенности газообмена и обмена веществ в живых организмах. Дыхательный коэффициент зависит от химической природы дыхательного субстрат а, содержания СО2 и 02 в атмосфере и др.
Каталаза - фермент класса оксидоредуктаз, катализирует реакцию разложения токсичного для организма перок- сида водорода (Н202) с образованием Н20 и 02. Широко распространенный фермент, содержится в специализированных органоидах - пероксисомах и глиоксисомах. Про- стетическая группа каталазы - гем, в состав которого входит атом железа. Молекулярная масса 250000.
Оксидазы - ферменты класса оксидоредуктаз, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, акцепторами водорода в которых служит кислород воздуха. При этом образуется вода или Н202 Коферментом многих оксидаз являются производные витамина В2 - ФАД или ФМН. Оксидазы широко распространены в природе и играют важную роль в катаболизме и детоксикации различных веществ.
Окислительное фосфорилирование - процесс синтеза молекул АТР из АДР и неорганического фосфата за счет энергии окисления молекул органических веществ. Происходит только в живых системах. Открыт данный процесс в 1930 году В. А. Энгельгардом и связан с переносом электронов по электронно-транспортной цепи, встроенной во внутреннюю мембрану митохондрий.
10.1.5. Дыхательный коэффициент
Дыхательный коэффициент, или соотношение легочного газообмена (ДК), характеризует тип использования пищевых продуктов в обмене веществ. Этот показатель определяют следующим образом:
где V CO 2 - выделение СO 2 , a O 2 - потребление O 2 . В случае окисления глюкозы количество потребляемого кислорода и количество выделяемого углекислого газа равны, так что ДК = 1. Таким образом, значение ДК, равное единице, является показателем окисления углеводов (табл. 10.1).
Таблица 10.1. Значения дыхательных коэффициентов (ДК) и энергетических эквивалентов при окислении различных пищевых веществ
| Пищевые вещества | ДК | Энергетические эквиваленты | |
| кДж/л О 2 | ккал/л О 2 | ||
| Углеводы | 1,00 | 21,1 | 5,05 |
| Жиры | 0,70 | 19,6 | 4,69 |
| Белки | 0,81 | 18,8 | 4,48 |
Значение ДК в случае окисления жиров может иметь простое объяснение. В связи с тем что в жирных кислотах на 1 атом углерода приходится меньше атомов кислорода, чем в углеводах, их окисление характеризуется значительно более низким дыхательным коэффициентом (ДК = 0,7). В случае окисления чисто белковой пищи ДК оказывается равным 0,81 (табл. 10.1). При смешанной пище у человека дыхательный коэффициент обычно составляет 0,83-0,9. Определенному ДК соответствует определенный энергетический (калорический) эквивалент кислорода (табл. 10.2), который означает количество теплоты, высвобождающейся после потребления организмом 1 л O 2 .
Соотношение между количеством выделяемого СO 2 и потребляемого O 2 зависит как от типа пищевых веществ, так и от преобразования одних пищевых веществ в другие. В тех случаях, когда преимущественную часть рациона составляют углеводы, они могут преобразовываться в жиры. В связи с тем что жиры содержат в своем составе меньше кислорода, чем углеводы, такой процесс сопровождается высвобождением соответствующего количества кислорода. При перенасыщении углеводами количество поглощаемого в тканях кислорода снижается, а ДК увеличивается. В случае насильственного питания (гуси и свиньи) были зарегистрированы такие значения ДК, как 1,38. В периоды голодания и при сахарном диабете ДК может снижаться до величины, равной 0,6. Это связано с усилением интенсивности обмена жиров и белков наряду со снижением метаболизма глюкозы.
Важным фактором, влияющим на величину ДК, является гипервентиляция. Дополнительное количество СO 2 , выдыхаемое при гипервентиляции, поступает из тех обширных запасов СО 2 , которые
Таблица 10.2. Энергетический эквивалент 1 л O 2 при разных дыхательных коэффициентах
| Дыхательный коэффициент | Энергетический эквивалент | |
| кДж | ккал | |
| 0,707 | 19,62 | 4,686 |
| 0,75 | 19,84 | 4,739 |
| 0,80 | 20,10 | 4,801 |
| 0,85 | 20,36 | 4,862 |
| 0,90 | 20,62 | 4,924 |
| 0,95 | 20,87 | 4,985 |
| 1,00 | 21,13 | 5,047 |
В практике при приближенных расчетах среднее значение энергетического эквивалента принимают равным 20,2 кДж/л O 2 , что соответствует величине метаболического ДК = 0,82. Диапазон колебаний энергетического эквивалента в зависимости от значения ДК, как правило, невелик. Поэтому погрешность, связанная с использованием среднего значения энергетического эквивалента, не превышает ± 4 %.
Дыхательным коэффициентом называется соотношение между объёмом выделенной углекислоты и поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов.
Рассмотрим сначала, каков будет дыхательный коэффициент при потреблении организмом углеводов. Для примера возьмем глюкозу. Общий итог оксисления молекулы глюкозы можно выразить формулой:
С 6 Н 12 О 6 +6О2=6СО 2 +6Н 2 О
Как видно из уравнения реакции, при окислении глюкозы количества молекул образовавшегося углекислого газа и затраченного (поглащённого) кислорода равны. Равное количетво молекул газа при одной же температуре и одном и том же давлении занимает один и тот же (закон Авогадро-Жерара). Следовательно, дыхательный коэффициент (отношение СО 2 /О 2) при окислении глюкозы равен единице. Таков же этот коэффициент при окислении и других углеводов.
Дыхательный коэффициент будет ниже единицы при окислении и белков. При окислении жиров дыхательный коэффициент равен 0,7. В этом можно убедиться на основании итога окисления какого-нибудь жира. Иллюстрируем это на примере окисления трипальмитина:
2С 3 Н 5 (С 15 Н 31 СОО) 3 + 145 О 2 = 102 СО 2 + 98 Н 2 О.
Отношение между объемами углекислого газа и кислорода равно в данном случае:
102 СО 2 /145О 2 = 0,703.
Аналогичные расчеты можно сделать и для белков; при их окислении в организме дыхательный коэффициент равен 0,8.
При смешанной пище у человека дыхательный коэффициент обычно равен 0,85-0,9.
Так как количество калорий, освобождающееся при потреблении кислорода, различно в зависимости от того, окисляются ли в oрганизме белки, жиры или углеводы, то понятно, что оно также должно быть разным в зависимости от величины дыхательного коэффициента, который является показателем, какие вещества окислились в организме.
Определенному дыхательному коэффициенту соответствует определенный калорический эквивалент кислорода, что видно из следующей таблицы:
В некоторых условиях, например по окончании интенсивной мышечной работы, величина дыхательного коэффициента, определенного за короткий интервал времени, не отражает потребления белков, жиров и углеводов.
Дыхательный коэффициент при работе
Во время интенсивной мышечной работы дыхательный коэффициент повышается и в большинстве случаев приближается к единице. Это объясняется тем, что главным источником энергии во время интенсивной работы является окисление углеводов. По окончании работы дыхательный коэффициент в течение нескольких первых минут, так называемого периода восстановления, резко повышается и может превысить единицу. В следующий период дыхательный коэффициент резко снижается до величин, меньших, чем исходные, и только через 30-50 минут после двухчасовой напряжённой работы он может вернуться к нормальным величинам. Эти изменения дыхательного коэффициента показывает рис. 98 .
Изменения дыхательного коэффициента по окончании работы не отражают истинного отношения между используемым в данный момент кислородом и выделенной углекислотой. Дыхательный коэффициент в начале восстановительного рада повышается по следующей причине: в мышцах во время работы накопляется молочная кислота, на окисление которой во время работы не хватало кислорода ( ). Эта молочная кислота поступает в кровь и вытесняет углекислоту из бикарбонатов, присоединяя основания. Благодаря этому количество выделенного углекислого газа больше, чем количество углекислого газа, образовавшегося в данный момент в тканях.
|
Обратная картина наблюдается в последующий период, когда молочная кислота постепенно исчезает из крови. Часть ее окисляется, часть ресинтезируется в исходный продукт, часть выделяется с мочойи потом. По мере убыли молочной кислоты освобождаются основания, которые до того были отняты у бикарбонатов. Эти основания вновь образуют бикарбонаты, и поэтому через некоторое время после работы происходит резкое падение дыхательного коэффициента вследствие задержки в крови углекислоты, поступающей из тканей. Рис. 98. Кривые четырех наблюдений изменения дыхательного коэффициента во время и после двухчасовой интенсивной работы (по Талботу, Гендерсону, Диллу и др.). |
(ДК) это отношение объема выделенного в процессе дыхания углекислого газа к объему поглощенного кислорода.
Величина дыхательного коэффициента растений
Величина ДК указывает как на характер окисляемого в процессе дыхания материала, так и на тип дыхания; она может быть равна единице, больше или меньше ее. При окислении углеводов объемы обмениваемых газов углекислоты и кислорода равны и отношение С0 2: 0 2 равно единице. В данном случае потребляемый при дыхании кислород идет только на окисление углерода до углекислоты, потому что соотношение водорода и кислорода в молекуле глюкозы таково, что для окисления водорода до воды кислорода достаточно в самой молекуле сахара. При окислении ряда органических кислот дыхательный коэффициент растений больше единицы. Так, щавелевая кислота - соединение, более богатое кислородом, чем углеводы. Кислорода, имеющегося в молекуле, не только достаточно для окисления водорода до воды, но часть его остается и для окисления углерода; поэтому для полного окисления двух молекул щавелевой кислоты достаточно одной молекулы кислорода: 2С 2 Н 2 О 4 + О 2 → 4СО 2 + 2Н 2 О, ДК (4СО 2: О 2) в этом случае равен 4. В тех случаях, когда растение дышит за счет белков или жиров, в молекуле которых много водорода и углерода и мало кислорода, ДК меньше единицы, так как для окисления всего углерода и водорода, находящегося в этих соединениях, необходимо поглотить большое количество кислорода. При окислении стеариновой кислоты реакция окисления пойдет следующим образом: С 18 Н 26 О 2 + 26О 2 → 18СО 2 + 18Н 2 О. ДК (18СО 2: 26О 2) равен 0,69. Таким образом, в случае окисления углеводов ДК равен единице, органических кислот - больше единицы, белков и жиров - меньше единицы.
Тепловой эффект при дыхании растений
Тепловой эффект будет иметь значение, обратное величине ДК: максимальный тепловой эффект будет при окислении жиров, потому что они наиболее восстановленные соединения. Зависимость величины ДК от характера дыхательного материала наблюдается только в том случае, когда в окружающей среде и тканях растения достаточно кислорода. Однако при окислении одного и того же дыхательного материала, но при недостатке кислорода в окружающей среде и тканях растений величины ДК также могут изменяться. Если кислорода мало, то при окисление идет не до конца и кроме углекислого газа и воды образуются органические кислоты, которые более окислены, чем углеводы. В этом случае ДК будет меньше единицы, так как часть поглощенного кислорода останется в молекулах образованных органических кислот, углекислоты же выделится меньше. Меньше выделится и энергии, так как часть ее сохранится в органических кислотах.Дыхательным коэффициентом называется отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов. Рассмотрим для примера, каков будет дыхательный коэффициент при использовании организмом глюкозы. Общий итог окисления молекулы глюкозы можно выразить формулой:
При окислении глюкозы количество молекул образовавшегося углекислого газа и количество молекул затраченного (поглощенного) кислорода равны. Равное количество молекул газа при одной и той же температуре и одном и том же давлении занимает один и тот же объем (закон Авогадро - Жерара). Следовательно, дыхательный коэффициент
отношение) при окислении глюкозы и других углеводов равен единице.
При окислении жиров и белков дыхательный коэффициент будет ниже единицы. При окислении жиров дыхательный коэффициент равен 0,7. Проиллюстрируем это на примере окисления трипальмитина:
Отношение между объемами углекислого газа и кислорода составляет в данном случае:
Аналогичный расчет можно сделать и для белка; при его окислении в организме дыхательный коэффициент равен 0,8.
При смешанной пище у человека дыхательный коэффициент обычно равен 0,85-0,9. Определенному дыхательному коэффициенту соответствует определенный калорический эквивалент кислорода, что видно из табл. 20.
Таблица 20 Соотношение дыхательного коэффициента и калорического эквивалента кислорода
Определение энергетического обмена у человека в покое методом закрытой системы с неполным газовым анализом. Оч носительное постоянство дыхательного коэффициента (0,85-0,90) у людей при обычном питании в условиях покоя позволяет производить достаточно точное определение энергетического обмена у человека в покое, вычисляя только количество потребленного кислорода и беря его калорический эквивалент при усредненном дыхательном коэффициенте.
Количество потребленного организмом кислорода исследуется при помощи различного типа спирографов.
