Яка речовина є субстратом для дихання. Дихальні субстрати та дихальний коефіцієнт. Роль гліколізу у насіння злакових

Дихальним коефіцієнтом називається відношення виділеної при диханні вуглекислоти до кількості поглиненого кисню (СО2/О2). У разі класичного дихання, коли окислюються вуглеводи СбН^О^ і як кінцеві продукти утворюються тільки СО2 і Н2О, дихальний коефіцієнт дорівнює одиниці. Однак так буває далеко не завжди, у ряді випадків він змінюється у бік збільшення або зменшення, чому і вважають, що він є показником продуктивності дихання. Мінливість величини дихального коефіцієнта залежить від субстрату дихання (окислюваної речовини) та від продуктів дихання (повного чи неповного окислення).

При використанні в процесі дихання замість вуглеводів жирів, які менш окислені, ніж вуглеводи, на їхнє окислення використовуватиметься більше кисню - у такому разі дихальний коефіцієнт зменшуватиметься (до величини 0,6 - 0,7). Цим пояснюється велика калорійність жирів проти вуглеводами.

Якщо при диханні будуть окислятися органічні кислоти (речовини більш окислені проти вуглеводами), то кисню використовуватиметься менше, ніж виділятися вуглекислоти, і дихальний коефіцієнт зростає до величини більше одиниці. Найвищим (рівним 4) він буде при диханні за рахунок щавлевої кислоти, яка окислюється за рівнянням

2 С2Н2О4 + 02 4С02 + 2Н20.

Вище було згадано, що з повному окисленні субстрату (вуглеводу) до вуглекислого газу та води дихальний коефіцієнт дорівнює одиниці. Але при неповному окисленні та частковому утворенні продуктів напіврозпаду частина вуглецю залишатиметься в рослині, не утворюючи вуглекислого газу; кисню поглинатиметься більше, і дихальний коефіцієнт опуститься до величини менше одиниці.

Таким чином, визначаючи дихальний коефіцієнт, можна отримати уявлення про якісну спрямованість дихання, про субстрати та продукти цього процесу.

Залежність дихання від екологічних чинників.

Дихання та температура

Як і інші фізіологічні процеси, інтенсивність дихання залежить від ряду екологічних факторів, причому сильніше і

найвизначніше виражена температурна залежність. Це пов'язано з тим, що з усіх фізіологічних процесів дихання є найбільш " хімічним " , ферментативним. Зв'язок ж ак- тивності ферментів з рівнем температури незаперечна. Дихання підпорядковується правилу Вант-Гоффа і має температурний коефіцієнт (2 1,9 - 2,5).

Температурна залежність дихання виражається одновершинною кривою (біологічною) з трьома кардинальними точками. Крапка (зона) мінімуму різна у різних рослин. У холодостійких вона визначається температурою замерзання рослинної тканини, так що у хвойних частин, що незамерзають, дихання виявляється при температурі до -25 °С. У теплолюбних рослин точка мінімуму лежить вище за нуль і визначається температурою відмирання рослин. Точка (зона) оптимуму дихання лежить в інтервалі від 25 до 35 ° С, тобто дещо вище, ніж оптимум для фотосинтезу. У різних за рівнем теплолюбності рослин її становище також дещо змінюється: вона лежить вище теплолюбних і нижче холодостійких. Максимальна температура дихання перебуває в інтервалі від 45 до 53 °С. Ця точка визначається відмиранням клітин і руйнуванням цитоплазми, бо клітина дихає, поки жива. Таким чином, температурна крива дихання подібна до кривої фотосинтезу, але не повторює її. Відмінність між ними полягає в тому, що крива дихання охоплює ширший температурний діапазон, ніж крива фотосинтезу, а її оптимум дещо зміщений у бік підвищеної температури.

Сильне вплив на інтенсивність дихання надають коливання температури. Різкі переходи її від високої до низької і назад значно посилюють дихання, що було встановлено ще В. І. Палладіним в 1899 р.

При коливаннях температури відбуваються як кількісні, а й якісні зміни дихання, т. е. зміна шляхів окислення органічного речовини, проте у час вони дослідженнянь слабо, тому не викладаються.

Дихання - один із найважливіших процесів обміну речовин рослинного організму. Енергія, що виділяється при диханні, витрачається як на процеси росту, так і на підтримку в активному стані вже закінчили зростання органів рослини. Водночас значення дихання не обмежується тим, що це процес, що постачає енергію. Дихання, подібно до фотосинтезу, складний окисно-відновний процес, що йде через низку етапів. На його проміжних стадіях утворюються органічні сполуки, які потім використовують у різних метаболічних реакціях. До проміжних сполук відносять органічні кислоти та пентози, що утворюються при різних шляхах дихального розпаду. Таким чином, процес дихання – джерело багатьох метаболітів.

Незважаючи на те, що процес дихання у сумарному вигляді протилежний фотосинтезу, у деяких випадках вони можуть доповнювати один одного.

Обидва процеси постачальниками як енергетичних еквівалентів (АТФ, НАДФН), так і метаболітів. Як видно із сумарного рівняння, у процесі дихання утворюється також вода. Ця вода в крайніх умовах зневоднення може використовуватися рослиною та захистити її від загибелі. У деяких випадках, коли енергія дихання виділяється у вигляді тепла, дихання веде до марної втрати сухої речовини. У зв'язку з розглядом процесу дихання треба пам'ятати, що не завжди посилення процесу дихання є корисним для рослинного організму.

Окремі етапи дихання здійснюються в різних частинах рослинної клітини. Це визначається розподілом ферментів за окремими органелами з характерними для них метаболічними функціями. Вивчення локалізації, топографії ферментних систем має значення й у розуміння взаємодії окремих частин клітини, і навіть можливості взаємодії окремих метаболітів.

У цитоплазмі зосереджено ферменти, що каталізують процес гліколізу та пентозофосфатного шляху. Є дані, що ферменти гліколізу є також у матриксі мітохондрій. Ферменти циклу Кребса зосереджені переважно у матриксі мітохондрій. Ферменти дихального ланцюга вплетені у певній послідовності у внутрішню мембрану мітохондрій. Приблизно 20-25% загального білка внутрішньої мембрани мітохондрій складають білки-ферменти, що беруть участь у перенесенні протонів та електронів. Передбачається, що ферменти-переносники згруповані так, що кожна група представляє самостійну одиницю – дихальний ансамбль. У мітохондрії може бути кілька тисяч таких ансамблів, які рівномірно розподілені у мембранах.

У внутрішній мембрані мітохондрійлокалізовані також ферменти, що забезпечують процес фосфорилювання (АТФ-синтазу). Там же зосереджено і переносник АТФ. Завдяки цьому АТФ, що утворилася в мітохондріях, може виходити з них і використовуватися в інших частинах клітини. Одночасно цей переносник здійснює перенесення АДФ у внутрішній простір мітохондрій. Через внутрішню мембрану проникають також піровиноградна кислота та деякі органічні кислоти циклу Кребса. Специфічний переносник здійснює перенесення всередину мітохондрій фосфатіонів. Водночас для коферментів НАД та НАДФ та деяких інших речовин внутрішня мембрана непроникна.

Частина нікотинамідних коферментів відновлюється у цитоплазмі у процесі гліколізу. Для того, щоб здійснити їх окислення, існують спеціальні механізми. У рослин НАДН-дегідрогеназу, під дією якої НАДН може вступати в дихальний ланцюг, локалізована на зовнішній поверхні внутрішньої мембрани. У разі відсутності зовнішньої НАДН-дегідрогенази перенесення НАДН на внутрішню мембрану здійснюється за допомогою човникового механізму. Суть цього механізму така. НАДН, що утворився в цитоплазмі, реагує з фосфодіоксиацетоном, відновлюючи його до гліцерофосфату. Гліцерофосфат проникає через мембрану і віддає водень флавіновій дегідрогеназі і через неї в дихальний ланцюг. При цьому гліцерофосфат знову перетворюється на фосфодіоксіацетон, який виходить з мітохондрій на цитоплазму і знову піддається відновленню НАДН + Н+. Подібний механізм перенесення енергетичних еквівалентів через мембрани виявлено й у хлоропластах. Таким чином, у клітці одночасно здійснюється як розподіл речовин з різних компартментів, і взаємозв'язок з-поміж них.

Важливим є питання, як забезпечуються енергією процеси, що відбуваються в ядрі клітини. Очевидно, частково АТФ надходить у ядро з цитоплазми. У ядрі є й власні дихальні ферменти. Так, у нуклеоплазмі виявлено ферменти гліколізу. Є дані, що в ядрі функціонують ферменти дихального ланцюга, подібні до мітохондріальних. Нарешті, ферменти дихання виявлено й у хлоропластах.

Субстрати дихання рослин

У роботах І.П. Бородіна (1876) було показано, що інтенсивність дихання прямо пропорційна вмісту в тканинах рослин вуглеводів. Це дало підставу припустити, що саме вуглеводи є основною речовиною, що споживається при диханні (субстратом). У з'ясуванні цього питання велике значення має визначення дихального коефіцієнта. Дихальний коефіцієнт (ДК)- це об'ємне або молярне відношення С02, що виділився у процесі дихання, до поглиненого за цей же проміжок часу 02. При нормальному доступі кисню величина ДК залежить від субстрату дихання. Якщо в процесі дихання використовуються вуглеводи, процес йде згідно з рівнянням

С6Н1206+602->6С02+6Н20.

І тут ДК дорівнює одиниці: 6С02/602 = 1.

Однак якщо розкладу в процесі дихання піддаються більш окислені сполуки, наприклад, органічні кислоти, поглинання кисню зменшується, ДК стає більше одиниці. Так, якщо субстратом дихання використовується яблучна кислота, то ДК = 1,33.

Визначення дихальних коефіцієнтів різних тканин рослин показує, що у нормальних умовах він близький до одиниці. Це дає підставу вважати, що в першу чергу рослина використовує як дихальний матеріал вуглеводи. При нестачі вуглеводів можуть бути використані інші субстрати. Особливо це проявляється на проростках, що розвиваються з насіння, в якому як запасну поживну речовину містяться жири або білки. І тут дихальний коефіцієнт стає менше одиниці. При використанні дихального матеріалу жирів відбувається їх розщеплення до гліцерину і жирних кислот. Жирні кислоти можуть бути перетворені на вуглеводи через гліоксилатний цикл. Використання білків як субстрату дихання передує їх розщеплення до амінокислот.

Субстрат із суміші торф'яної крихти та підстилкового торфу добре постачається повітрям. Яким би вологим не був субстрат, коріння рослин все ж таки отримують достатньо кисню для дихання. Крім того, торф важко піддається розкладанню. Навіть при сильному зволоженні та високій температурі навряд чи можливе його загнивання.

Дихання є найдосконалішою формою окисного процесу та найбільш ефективним способом отримання енергії. Головна перевага дихання полягає в тому, що енергія речовини, що окислюється - субстрату, на якому мікроорганізм росте, використовується найбільш повно. Тому в процесі дихання переробляється набагато менше субстрату для отримання певної кількості енергії, ніж, наприклад, при бродіннях.

Під диханням розуміється процес, пов'язаний із розпадом вуглеводів, у результаті якого вивільняється енергія, що забезпечує метаболізм та транспорт у рослині. Оскільки кінетика метаболізму та транспорту вже описана, то з відомих балансових співвідношень можна обчислити витрати субстрату на дихання. Зазначимо, що з описі дихання об'єднані дві стадії перетворення хімічної енергії: стадії окислення субстрату, під час якої утворюються макроергічні зв'язки АТФ, та стадія використання енергії АТФ. Крім того, у балансовому рівнянні дихання враховуються витрати вуглеводів на забезпечення енергією процесу біосинтезу та транспорту органічних та неорганічних речовин. У процесі дихання виділяється вуглекислий газ, який частково використовують у фотосинтезі. Його динаміка описується на основі балансових співвідношень.

Різниця в диханні обох груп плодів, на думку Хелме та ін, ймовірно лише відносна (див. розділ 1.3.4). У обох груп є одні й самі ферменти і дихальні субстрати. Причина диференціації процесу дихання полягає, мабуть, як у різних цитологічних змінах, і у недостатньої активності ферментів певних реакций.[ ...]

Таким чином, при диханні кінцевим акцептор водню є кисень. У анаеробів як акцептори водню виступають або органічні субстрати (бродіння), або неорганічні речовини, такі, як нітрати або сульфати («анаеробне дихання»). Зі схеми видно, що найбільш просто і примітивно транспорт електронів здійснюється у більшості анаеробів через відсутність у них ферментів ланцюга перенесення електронів, здатних передавати електрони ланцюжком аж до молекулярного кисню.

Протягом усього літа субстрат підтримують настільки вологим, щоб з жмені його завжди можна було без зусиль вичавити кілька крапель рідини. Велика вологість вже ускладнюватиме подих коренів, тому після кожного сильного дощу потрібно на якийсь час опустити край плівки і дати надлишку води стекти.

Збільшення швидкості дихання в листі декількох сортів перцю (Capsicum sp.), заражених сильним штамом вірусу гравіювання, вдається виявити в момент прояву видимих симптомів, причому висока швидкість дихання зберігається і надалі. По-іншому справи з кореневим диханням хворих рослин. Вірус не впливав на інтенсивність дихання у тих сортів, у яких він не викликав симптомів в'янення. У той же час при інокуляції перцю сорту Табаско, що реагує на зараження вірусом в'яненням, зниження інтенсивності кореневого дихання відбувалося через 12-24 год. після того, як проникність коренів зросла (див. стор. 255). Було висловлено припущення, що зниження дихання в цьому випадку зумовлене витіканням субстратів та активаторів ферментів.

Отже, найпростіший процес аеробного дихання представляється у такому вигляді. Молекулярний кисень, що споживається в процесі дихання, використовується в основному для зв'язування водню, що утворюється під час окислення субстрату. Водень від субстрату передається до кисню через низку проміжних реакцій, що проходять послідовно за участю ферментів та переносників. Певне уявлення про характері процесу дихання дає так званий дихальний коефіцієнт. Під цим розуміють відношення обсягу вуглекислого газу, що виділився, до обсягу кисню, поглиненого в процесі дихання (С02:02).

Солі тетразолію знайшли застосування і як субстрат для визначення дегідрогеназної активності в пухлинних клітинах (Kraus, 1957), для визначення числа життєздатних бактерій БЦЖ у вакцині (Eidus е. а., 1958), для вітального забарвлення бактерій (Eidus е5 а. ), для виявлення термостійких мікробів у молоці (Leali, 1958), при розпізнанні дріжджових клітин з нормальною дихальною системою і з порушеним диханням (Ogur, 1957) і т. д. За допомогою діагностичного середовища, що містить солі тетразолію, можна диференціювати бактерії групи P (Selenka, 1958) та фітопатогенні бактерії (Lovrekovich, Klement, 1960).

В. І. Палладпн перший став розглядати дихання як низку ферментативних реакцій. Основне значення в процесі окислення оі надавав процесу відібрання водню від субстрату.

Вуглеводи - кінцевий продукт фотосинтезу та субстрат для дихання та росту рослин. Відомі відомості про захисну роль цукрів при адаптації рослин до несприятливих умов середовища (Колупаєв, Трунова, 1992). Метою наших досліджень було вивчення вмісту вуглеводів у рослинах ячменю (Hordeum distichum L., с. Новачок) залежно від рівня мінерального харчування та температури. У дослідах використовували 3-4-тижневі рослини, вирощені в кліматичній камері на водній культурі при двох температурних режимах (день/ніч) - зниженому (13/8°С) та оптимальному (22/18°С). Мінеральні елементи вносили в середу щодня в експоненційно зростаючих кількостях, щоб забезпечити постійну низьку - 0.05 і високу - 0.22 г/г-сут швидкість зростання (Ingestad, Lund, 1986).

В даний час показано, що в процесі дихання активується як водень субстрату, так і кисень повітря.

Вонрос про речовини, що використовуються в процесі дихання, давно займав фізіологів. Ще на роботах І. II. Бородіна було показано, що інтенсивність процесу дихання прямо пропорційна до вмісту в тканинах рослин вуглеводів. Це дало підставу припустити, що вуглеводи є основною речовиною, що споживається при диханні. У з'ясуванні цього питання велике значення має визначення дихательпого коефіцієнта. Якщо в процесі дихання використовуються вуглеводи, то процес йде, згідно з рівнянням СеН 120б + 6O2 = 6СО2+6Н2О, в цьому випадку дихальний коефіцієнт дорівнює одиниці-р = 1. поглинання кисню зменшується, дихальний коефіцієнт стає більше одиниці. При окисленні в процесі дихання більш відновлених сполук, таких як жири або білки, потрібно більше кисню і дихальний коефіцієнт стає менше одиниці.

Питання вплив світла на інтенсивність дихання вивчався багатьма фізіологами. Вирішення цього питання ускладнене методичними труднощами. На світлі важко відокремити процес фотосинтезу від процесу дихання. Важко розмежувати прямий і опосередкований вплив світла. Так, на світлі йде фотосинтез, зростає вміст вуглеводів – це позначається на процесі дихання. Все ж таки застосування методу мічених атомів дозволило, хоча і не поліостио, відмежувати процес фотосинтезу від дихання. В даний час вважають, що вплив світла на процес дихання різноманітний. Під впливом світла, особливо короткохвильових синьо-фіолетових променів, інтенсивність звичайного темнового дихання зростає. Активація дихання світлом добре показана на безхлорофілових рослинах. Можливо, що свот активує ферменти оксидази. Світло може опосередковано впливати на дихання зелених рослин завдяки тому, що відбувається процес фотосинтезу. У свою чергу, вплив фотосинтезу на дихання може бути різним і навіть протилежним. Так, з одного боку, у процесі фотосинтезу утворюються основи субстрати дихання - вуглеводи. Разом з [...]

На схемі 1 (табл. 36) показаний транспорт електронів при диханні та різних типах анаеробного способу отримання енергії. Водень та електрони відщеплюються від субстратів за допомогою піридиннуклеотидних ферментів (ПН). Потік електронів спрямований від системи з більш низьким (більш негативним потенціалом) до системи з більш високим (більш позитивним) потенціалом, від - 0,8 - 0,4 (потенціал субстрату) до +0,8 (потенціал кисню). ...]

У методі оцінки кінетики споживання додаткового субстрату мікробною популяцією для обчислення гетеротрофної активності спочатку не враховується можлива втрата міченого вуглецю внаслідок утворення двоокису вуглецю протягом періодів інкубації. Було знайдено, що в залежності від типу субстрату 8-60% введеного міченого вуглецю може бути втрачено при диханні навіть протягом 3-годинного інкубаційного періоду.

Механізм вилучення з розчину та подальшої дисиміляції субстрату носить дуже складний та багатоступеневий характер взаємопов'язаних та послідовних біохімічних реакцій, що визначаються типом живлення та дихання бактерій.

Поранення органів та тканин рослини посилює інтенсивність дихання. Можливо, це пов'язано з руйнуванням клітин, через що підвищується зіткнення дихальних субстратів та ферментів. Частково поранення може викликати перехід клітин у фазу меристематичну росту. Інтенсивність дихання клітин, що діляться, завжди вища порівняно з тими, хто закінчив зростання.

Багато прості феноли впливають на енергетику системи та окислення субстратів у процесі клітинного дихання.

Відносна роль цих шляхів дихання може змінюватися в залежності від типу рослин, віку, фази розвитку, а також залежно від умови зовнішнього середовища. Процес дихання рослин здійснюється у всіх умовах, в яких можливе життя. Рослинний організм немає пристосувань до регуляції температури, тому процес дихання здійснюється за нормальної температури від -50 до +50вС. Немає пристосувань у рослин та до підтримки рівномірного розподілу кисню по всіх тканинах. Саме необхідність здійснення процесу дихання в різноманітних умовах призвела до вироблення в процесі еволюції різноманітних шляхів дихального обміну та ще більшого розмаїття ферментних систем, що здійснюють окремі етапи дихання. При цьому важливо відзначити взаємозв'язок усіх процесів обміну у рослинному організмі. Зміна шляху дихального обміну призводить до глибоких змін у всьому метаболізмі рослинних організмів.

Вміст води. Невеликий водний дефіцит зростаючих тканин збільшує інтенсивність дихання. Це з тим, що водний дефіцит і навіть підв'ядання листя посилює процеси розпаду складних вуглеводів (крохмалю) більш прості (цукри). Збільшення вмісту цукрів цього основного субстрату дихання посилює процес. Водночас при водному дефіциті порушується сполучення окислення та фосфоршшування. Дихання в цих умовах представляє в основному марну витрату сухої речовини. При тривалому утомі рослина витрачає цукру і інтенсивність дихання падає. Інша закономірність й у органів, що у стані спокою. Збільшення вмісту води в насінні з 12 до 18% вже збільшує інтенсивність дихання вчетверо. Подальше підвищення вмісту води до 33% призводить до збільшення інтенсивності дихання приблизно 100 разів. При переміщенні рослини або тканини з води в розчин солей дихання усміхається - це так зване сольове дихання.

Нестача води змінює такі основні фізіологічні процеси, як фотосинтез і дихання. Насамперед при зневодненні продихи закриваються, це різко знижує надходження вуглекислоти в лист н, клк наслідок, інтенсивність фотосинтезу падає. Однак зменшення вмісту води знижує інтенсивність фотосинтезу і у рослин, що не мають продихів (мхп, лишайплки). Очевидно, зневоднення, змінюючи конформацію ферментів, що у процесі фотосинтезу, зменшує їх активність. Це пов'язано з тим, що в результаті успіху під впливом процесу розпаду крохмалю зростає кількість цукрів - цього основного субстрату дихання. Разом з тим, при нестачі води в клітинах енергія, що виділяється в процесі дихання, пе акумулюється в АТФ, а в основному виділяється у вигляді тепла. У силу цього посилення дихання, що супроводжується розпадом органічних речовин, може завдати шкоди рослинному організму.

Найчастіше плесії викликають гриби з пологів Мі-cor, Aspergillus, Dematium, що мешкають на різних субстратах і дуже поширених у природі. Найбільш сильно уражуються пліснявінням насіння, що містить велику кількість води, пошкоджені, а також зберігаються в умовах підвищеної вологості. Шкода від пліснявення полягає в тому, що гриби обволікають грибницею насіння, порушують дихання та інші фізіологічні процеси, що відбуваються в насінні при зберіганні, і часто викликають їх відмирання. Іноді плісняві насіння дають сходи, але вони розвиваються повільно і, як правило, сильно уражаються різними збудниками хвороб.

Денітрифікація, будучи мікробіологічним процесом, є лише особливу форму дихання при нестачі кисню. Безліч бактерій в установці з біологічного очищення стічних вод, головним чином протеолітичних бактерій, може забезпечити скорочення вмісту азоту та нітратів за відсутності вільного кисню та у присутності придатного субстрату, що є джерелом водню. Тим самим хімічно зв'язаний кисень може використовуватися для метаболічних процесів цих бактерій. Здатність до денітрифікації набуває бактерій у процесі адаптації. Вуглеводневе джерело має бути дозоване в мінімальній пропорції, що відповідає вмісту нітратів.

Оскільки окислення є частиною будь-якого аеробного процесу, це означає, що органічний субстрат ніколи не може бути перетворений на 100% на органічну речовину біомаси. Звичайно, якщо враховувати утворення діоксиду вуглецю, то втрат вуглецю не буде. У процесах накопичення запасних речовин приріст може сягати 0,95 г ХПК/г ХПК(Б). Інша гранична ситуація - весь субстрат витрачається підтримки життєдіяльності клітин (ендогенне дихання), у результаті приріст біомаси дорівнює нулю і навіть негативний. При заданій кількості субстрату приріст біомаси залежить від тривалості процесу.

Включення (Ею в екстраговані мітохондрії призводить до значного збільшення індукованого субстратом сигналу (в середньому на 80%) і відновлює його залежність від Фн, але не від АДФ. Введення (Ею призводило також до значного збільшення дихання, але не відновлення фосфорилювання, що пов'язано) , мабуть, з порушенням мембранних структур при екстракації убихинона.

Дисиміляція вуглеводів може відбуватися двома шляхами. У плодах насіннєвих порід цукор в основному витрачається на дихання на шляху ЕМ.П (Ембдена - Мей-єрхофа - Парнаса). При цьому у зв'язку з процесами фосфорилювання глюкоза розщеплюється до піровиноградій кислоти (гліколіз). Крім того, існує можливість розщеплення вуглеводів по пентозному циклу. У якому розмірі цей цикл бере участь у перетворенні дихальних субстратів, доки сказати. Нині передбачається, що у певних етапах розвитку яблука чи інших плодів переважає той чи інший шлях. Переважаючий у плодів насіннєвих порід шлях ЕМП закінчується піровиноградій кислотою, яка відіграє найважливішу роль у диханні. З цього моменту подальші перетворення піровиноградій кислоти залежать від середовища: в аеробних - з витрачанням кисню, в анаеробних - коли кисень не вимагається.

За характером дисиміляції розрізняють аеробні та анаеробні організми. Аеробні (від грец. аег – повітря) організми для дихання (окислення) використовують вільний кисень. Аеробами є більшість організмів, що нині живуть. Навпаки, анаероби окислюють субстрати, наприклад, цукру без кисню, отже, для них диханням є бродіння. Анаеробами є багато мікроорганізмів, гельмінтів. Наприклад, динітрифікуючі анаеробні бактерії окислюють органічні сполуки, використовуючи нітрити, які є неорганічним окислювачем.

Як уже вказувалося, багато груп бактерії (наприклад, факультативні анаероби) здатні і до аеробного, і до анаеробного дихання, але кінцеві продукти цих двох реакцій різні і кількість енергії, що вивільняється при анаеробному диханні значно менше. На рис. 2.7 представлені результати цікавого дослідження, в якому той самий вид бактерій, АегоЪас1ег, вирощували в анаеробних та аеробних умовах з використанням глюкози в якості джерела вуглецю. У присутності кисню майже вся глюкоза перетворювалася на бактеріальну біомасу та СО2; за відсутності ж кисню розкладання було неповним, набагато менша частина глюкози перетворювалася на вуглецевмісні речовини клітин і в зовнішнє середовище виділявся ряд органічних сполук. Щоб окислити їх, потрібні були б інші спеціалізовані види бактерій. Коли швидкість надходження органічного детриту в ґрунт і донні відкладення висока, бактерії, гриби, найпростіші та інші організми створюють анаеробні умови, використовуючи кисень швидше, ніж він дифундує субстрат. При цьому розкладання органічної речовини не припиняється - воно продовжується, хоча часто в уповільненому темпі, якщо в середовищі є мікроорганізми з досить широким діапазоном анаеробних типів метаболізму.

Розмір ДК залежить і з інших причин. У деяких тканинах через утруднений доступ кисню поряд з аеробним відбувається анаеробне дихання, що не супроводжується поглинанням кисню, що призводить до підвищення значення ДК. Величина коефіцієнта обумовлена також повнотою окиснення дихального субстрату. Якщо, крім кінцевих продуктів, у тканинах накопичуються менш окислені сполуки (органічні кислоти), то ДК[...]

Динаміка виділення вуглекислого газу (С?Со2), поглинання кисню ([...]

Як тільки в насіння починає надходити вода, в них насамперед різко посилюється, дихання та одночасно активізуються різні ферменти, що утворилися ще в період дозрівання. Під їх впливом запасні поживні речовини гідролізуються, перетворюючись на рухливу форму, що легко засвоюється. Жири і крохмаль перетворюються на органічні кислоти і цукру, білки - на амінокислоти. Переміщаючись у зародок із запасних органів, поживні речовини стають субстратом для процесів синтезу, що починаються в ньому, в першу чергу нових нуклеїнових кислот і ферментативних білків, необхідних для початку росту.

Метаболічний характер другої стадії споживання підтверджується також відсутністю після першої стадії поглинання речовини подальшого накопичення С14 культурою при інгібуванні дихання бактерій шляхом введення в субстрат ціаністого калію.

Надмірно розвинена рослинність перешкоджає правильній експлуатації ставків, сприяє погіршенню гідрохімічного та газового режимів, особливо вночі, коли кисень споживається всіма водними організмами на дихання і створюється його дефіцит. При розкладанні відмираючої рослинності виділяються токсичні продукти гниття (аміак, сірководень та ін.), а її залишки є субстратом для збереження та розмноження сапрофітних та патогенних грибів, бактерій.

Для нормального перебігу синтезу білка у рослинному організмі пуяші такі умови: 1) забезпеченість азотом; 2) забезпеченість вуглеводами (вуглеводи необхідні як матеріал для побудови вуглецевого скелета амінокислот, як субстрат для дихання); 3) висока інтенсивність та сполученість процесу дихання та фосфорилірування. На всіх етапах перетворення азотистих речовин (відновлення нітратів, утворення амідів, активізація амінокислот при синтезі білка та ін) необхідна енергія, укладена в макроергічних фосфорних зв'язках (АТФ); 4) присутність нуклеїнових кислот: ДНК необхідна як речовина, в якій зашифрована інформація про послідовність амінокислот у молекулі білка, що синтезується; і-РНК - як агент, що забезпечує перенесення інформації від ДНК до рибосом; т-РНК - кап, що забезпечує перенесення амінокислот до рибосом; 5) рибосоми, структурні одиниці, де відбувається синтез білка; 6) білки-ферменти, каталізатори синтезу білка (аміноацил-т-РНК-спптетази); 7) ряд мінеральних елементів (іони М§2+, Са2+).

У дельті Волги у розвитку обростань К. В. Горбуновим (1955) було виділено 4 періоди: ембріональний, бурхливого зростання, помірної активності та скорочення біомаси. Число видів та біомаса обростань досягали максимуму на 10-й день. На той час інтенсивність фотосинтезу і дихання знижувалися, більше половини біомаси обростань припадало на найпростіших, коловраток, бактерій. За даними інших авторів (Cattaneo, 1975) для стабілізації обростань і досягнення їхньої схожості з спільнотами на природних субстратах вимагалося близько 4 тижнів.

Усі фізіологічні процеси у рослині нормально протікають лише за оптимальному його забезпеченні водою. Вода як розчинник, а й активний структурний компонент клітини. Вона бере участь у біологічних перетвореннях, наприклад, полегшує взаємодію між молекулами, служить субстратом для фотосинтезу, бере участь у диханні та численних гідролітичних та синтетичних процесах.

Серед інших класів хребетних тварин риби, особливо прісноводні, мабуть, частіше, ніж інші, стикаються з несприятливим кисневим режимом, зокрема з його сезонними та добовими коливаннями у водоймах, з гострим дефіцитом у зимовий період. Тому за характером енергетичного обміну, за співвідношенням питомої ваги гліколізу та дихання риби займають проміжне положення між факультативними анаеробами (безхребетними) і типовими аеробами (вищі хребетні). Спеціальні дослідження показали, що для риб характерні знижений рівень окисних процесів та знижена активність цитохромної системи порівняно з теплокровними тваринами. На думку цих авторів, окисні системи риб влаштовані "примітивніше", ніж у вищих хребетних. Так, наприклад, активність цитохромоксидази в окремих видів кісткових риб висока, а вміст цитохрому невеликий. До того ж субстратом цитохромоксидази риб є не тільки цитохром Ь. Отже, найважливіший дихальний фермент, завершальний стадії дихання, позбавлений суворої специфічності. Система окисного фосфорилювання риб функціонує менш ефективно, ніж в інших груп хребетних.

При аналізі зв'язку розмірів з метаболізмом у рослин часто нелегко вирішити, що ж, власне, вважати «особиною». Так, велике дерево можна розглядати як одну особину, але при вивченні зв'язку розмірів із площею поверхні «функціональними особинами» можна вважати листя (згадаймо поняття «індекс листової поверхні»). Вивчаючи різні види великих морських багатоклітинних водоростей, ми виявляємо, що види з тонкими, або вузькими, «гілками» (тобто з високим співвідношенням поверхня/об'єм) характеризуються вищим рівнем продукції їжі на 1 г біомаси, більш інтенсивним диханням та поглинанням радіоактивного фосфору з води, ніж види з товстими "гілками" (Е. Odum, Kuentzler, Blunt, 1958). У цьому випадку "функціональними особинами" є "гілки" або навіть окремі клітини, а не вся рослина, яка може бути утворена безліччю "гілок", прикріплених до субстрату одним ризоїдом.

У рослин виділяють два шляхи окислення дихального субстрату: гліколіз та пентозофосфатний шлях.

Гліколіз – це анаеробний процес, що відбувається у цитоплазмі. З біологічної оцінки гліколіз дуже примітивний процес, що виник до появи кисню в атмосфері Землі та формування клітинних органел.

У складному ланцюзі гліколітичного розпаду вуглеводів можна виділити дві ланки (9 реакцій):

У першій ланці – споживається енергія АТФ; у другому – відбувається розрив шестивуглецевих сполук (фруктоза-1.6 дифосфат) із утворенням тріоз; у третьому, відбувається запасання (виділення) енергії. Гідроліз піддається не вільна молекула гліколізу, а активована за рахунок АТФ. Така активація називається фосфорилуванням.

Внаслідок фосфорилювання утворюється глюкозо-6-фосфат. Подальше активування гексози досягається шляхом перетворення глюкозо-6 фосфату на фруктозо-6 фосфат. На наступному етапі відбувається приєднання до фруктозо-6 фосфату ще одного залишку фосфорної кислоти. Донором фосфорної кислоти та енергії необхідної для утворення ефіру служить молекула АТФ. Реакції перенесення каталізуються ферментом фосфогексокеназою. Результатом цієї реакції є утворення фруктозо-1.6-дифосфату.

У другій ланці: молекула фруктозо-1.6-дифосфату, що утворилася, розривається на 3-фосфогліцериновий альдегід і *. Реакція розриву каталізується альдолазою ферментом.

Подальшу участь у процесах гліколітичного розпаду беруть лише фосфогліцериновий альдегід. Фосфодіоксіацетон повністю перетворюється на фосфогліцериновий альдегід. Фосфогліцериновий альдегід окислюється з утворенням 1.3 дифосфогліцеринової кислоти.

У третій ланці: 1.3дифосфогліцериновая кислота, що утворилася, вступає в ферментативну реакцію з АДФ. В результаті одна з її фосфорних груп переноситься на АДФ з утворенням АТФ та 3-фосфогліцеринової кислоти.

Утворення АТФ у цитоплазмі під час ферментативних реакцій називається субстратним фосфорилированием. 3ФГК перетворюється за допомогою ферменту * на 2ФГК. 2ФГК за допомогою ферменту енолази перетворюється на 2 фосфоенолпіровіноградну кислоту.

При відібранні фосфорного залишку від ФСПВК утворюється енолПВК, який через свою нестійкість спонтанно перетворюється на кетокислоту ПВК.

Утворення ПВК піддається подальшому розщепленню як анаеробному так і аеробному в циклі ді-і трикарбонових кислот. Анаеробне розщеплення, тобто. без участі Про 2 ПВК може відбуватися за типом спиртового бродіння або за типом молочнокислого бродіння. При спиртовому бродінні утворюється етиловий спирт та СО 2 . Для м'ясистих соковитих плодів спиртове бродіння є нормальним фізіологічним процесом. Для цілої рослини або для коневої системи тривале перебування в умовах недостатньої аерації, спиртове бродіння має шкідливу дію, призводячи до загибелі.

Чому? Тому, що бродіння супроводжується виділенням невеликої кількості енергії, якої недостатньо, щоб довго підтримувати життя, а накопичення спирту призводить до отруєння організму. Анаеробне дихання на кшталт бродіння проявляється за умов затоплення.

В аеробних умовах ПВК в мітохондріях окислюється повністю до СО 2 і Н 2 О. Це окислення як встановлено англійським біохіміком Кребсом, проходить послідовно ступінчасто з утворенням ді-і трикарбонових кислот. Цикл Кребса можна поділити на три частини.

У першій частині відбувається окислення ПВК до оцтової кислоти з утворенням Ацетил КоА та виділенням СО 2 .

Друга частина циклу починається з реакції між ЩУК та Ацетил КоА, що призводить до синтезу лимонної кислоти. Лимонна кислота надалі через ряд проміжних сполук (ізолімонну) перетворюється на щавлево-бурштинову. Щавелево-бурштинова піддається декарбоксилювання у результаті виділяється СО 2 і утворюється Х-кетоглутарова кислота. Х-кетоглутаровая знову декарбоксилюється - виділяється СО 2 і утворюється янтарна кислота. У цій частині циклу оцтова кислота окислюється повністю (на виділення СО2) і на цьому закінчується окислення ПВК.

Третя частина циклу є взаємним перетворенням двоосновних кислот з 4 атомами вуглецю - бурштинова → фумарова → яблучна → і закінчується регенерацією ЩУК.

Безпосередньо в циклі Кребса АТФ не синтезується, крім субстратного фосфорилювання Х-кетоглутарової кислоти, але в циклі виникають п'ять молекул відновлених нуклеотидів:

1. при лкислювальному декарбоксилюванні ПВК;

2. при дегідруванні ізолімонної кислоти;

3. при окисненні кетоглутарової кислоти;

4. при окисленні бурштинової кислоти;

5. при окисненні яблучної кислоти.

Кожна пара водневих атомів (Н+, е-) після відщеплення проходить шлях від субстрату до кисню через ряд переносників, локалізованих у внутрішній мембрані мітохондрій. З перенесенням електронів по ЕТЦ сопряж6ен і синтез АТФ. Процес утворення АТФ, пов'язаний з перенесенням електронів ЕТЦ мітохондрій отримав назву окисного фосфорилювання. В кінці ланцюга електрони захоплюються киснем і поєднуються з протонами (іоном повітря) з утворенням молекули води.

Який енергетичний вихід при окисненні глюкози? У процесі дихання при функціонуванні гліколізу (субстратне фосфорилювання: 8 молекул АТФ) та циклу Кребса (окисне фосфорилювання дає 30 молекул АТФ) утворюється 38 молекул АТФ. Ефективність використання енергії через гліколіз та цикл Кребса становить ККД=1596/2721*100%=58,6%.

У клітинах рослин поряд із гліколізом та циклом Кребса існує й інший шлях окислення вуглеводів – пентозофосфатний. Окислення глюкози у цьому циклі пов'язані з відщепленням першого (альдегідного) атома вуглецю як СО 2 . Вихідним продуктом у пентозофосфатному циклі є глюкозо-6-фосфат, який далі окислюється в 6-фосфоглюконову кислоту.

Пентозофосфатний цикл АТФ використовується для утворення вихідного продукту: для фосфорилювання глюкозо-6фосфату. Всі реакції пентозофосфатного шляху протікають у розчинній частині цитоплазми клітин, а також у протопластидах та хлоропластах. В жодній реакції цього циклу АТФ не утворюється, але цей цикл є постачальником водню для ЕТЦ дихання. Донором водню для ЕТЦ дихання служить НАДН. Енергетичний вихід ПФП становить 36 молекул АТФ. Основне призначення ПФП полягає в участі не так в енергетичному, як у пластичному обміні. Пентозофосфатний шлях має велике значення як джерело утворення вуглеводів з різним числом вуглецевих атомів у ланцюзі – від 3 до 7 . ПФП служить основним позахлоропластним та позамітохондріальним джерелом НАДФН, який необхідний для синтезу жирних кислот.

Біологічна роль пентоз, необхідні синтезу нуклеотидів, тобто. для синтезу рибози та дезоксирибози. Зсув у бік пентозофосфатного шляху відбувається у тих випадках, коли клітині потрібно великі кількості п'ятивуглецевих цукрів і коли як джерело енергії для синтезу використовується не НАДН, а НАДФН.

Насамперед рослини використовують як дихальний матеріал вуглеводи. При цьому дихальний коефіцієнт(молярне відношення СО 2, що виділився в процесі дихання, до поглиненого за цей же проміжок часу Про 2) дорівнює одиниці ().

При нестачі вуглеводів можуть бути використані інші субстрати. Особливо яскраво це проявляється на проростках, що розвиваються з насіння, в якому як запасну поживну речовину містяться білки або жири. Так як ці сполуки в порівнянні з цукрами є більш відновленими, для їхнього окислення потрібно більше кисню і дихальний коефіцієнт стає менше одиниці. При цьому жири попередньо розщеплюються до гліцерину та жирних кислот, які можуть бути перетворені на вуглеводи через гліоксилатний цикл. Використання білків як субстрату дихання передує їх розщеплення до амінокислот.

Шляхи дихального обміну

Існує два основні шляхи перетворення дихального субстрату або окислення вуглеводів:

Дихотомічний: гліколіз + цикл Кребса;

Апотомічний: пентозофосфатний шлях

Відносна роль цих шляхів дихання може змінюватись в залежності від типу рослин, віку, фази розвитку, а також залежно від умов зовнішнього середовища (наприклад, дихання здійснюється в діапазоні температур -50…+50 0 С).

Розглянемо обидва шляхи:

Гліколіз - процес анаеробного розпаду глюкози, що йде зі звільненням енергії, кінцевим продуктом якого є піровиноградна кислота (ПВК).

Реакції гліколізу протікають у розчинній частині цитоплазми (цитозоле), де гліколітичні ферменти організовані мультиензимні комплекси за участю актинових філаментів цитоскелета, і в хлоропластах.

Ланцюг реакцій, що становлять шлях гліколізу можна розбити на 3 етапи:

Таким чином, сумарне рівняння гліколізу виглядає так:

Функції гліколізу в клітині:

Цикл Кребса. В анаеробних умовах ПВК піддається різним типам бродіння. У присутності достатньої кількості кисню піруват повністю окислюється до вуглекислого газу і води в циклі Кребса. Всі учасники цього процесу локалізовані в матриксі або у внутрішній мембрані мітохондрій.

Першим етапом окисного розщеплення ПВК є процес утворення активного ацетилу в ході окисного декарбоксилювання за участю піруватдегідрогеназного мультиферментного комплексу (3 ферменти та 5 коферментів).

В результаті утворюється ацетил коензим А:

(Ацетил - З А)

Подальше окислення ацетил - С А здійснюється в ході циклічного процесу (циклу Кребса) починаючи з взаємодії зі щавлевооцтовою кислотою (ЩУК):

В результаті одного обороту циклу:

Сумарне рівняння аеробного окислення:

Сумарне рівняння гліколізу та циклу Кребса:

Гліоксілатний цикл (у тваринних клітинах відсутня). Можна як модифікацію циклу Кребса. Він активно функціонує в проростає насіння олійних рослин, де запасні жири перетворюються на цукру (глюконеогенез). Локалізовано не в мітохондріях, а в спеціалізованих мікротільцях – гліоксисомах.

На відміну від циклу Кребса, у кожному обороті бере участь не одна, а дві молекули ацетил-СоА А (утворюється при β-окисленні жирних кислот) і використовується для синтезу бурштинової кислоти, яка виходить з гліоксисом, перетворюється на ЩУК і бере участь у глюконеогенезі (наверненому гліколіз).

Пентозофосфатний шлях окиснення (ПФП, пентозний шунт). Окислення глюкози цим шляхом пов'язане з відщепленням від глюкози першого атома вуглецю у вигляді 2 .

Протікає цей процес у розчинній частині цитоплазми клітин та у хлоропластах. ПФП дихання особливо активний у клітинах і тканинах рослин, у яких інтенсивно йдуть синтетичні процеси, такі, як синтез ліпідних компонентів мембран, нуклеїнових кислот, клітинних стінок, фенольних сполук.

У ПФП виділяють 2 етапи:

окислення глюкози до рибулозо-5-фосфату з утворенням 2NADPH*H+;

рекомбінація цукрів для регенерації вихідного субстрату за участю ферментів транскетолаз, трансальдолаз та ізомераз.

Сумарне рівняння ПФП має такий вигляд:

6С 6 Н 12 О 6 = 5С 6 Н 12 О 6 + 6СО 2 + 12NADPH * H +

Основне значення ПФП не енергетичне, а пластичне:

1 - NADPH*H + , що утворюється не в мітохондріях, а в цитоплазмі, використовуються головним чином у різних синтетичних процесах (оскільки на відміну від NAD + , який присутній в клітинах в основному в більш стійкій окисленій формі, NADPH * H + - у відновленій ).

2 – У ході ПФП синтезуються пентози, що входять до складу нуклеїнових кислот та нуклеотидів (ATP, GTP, UTP, NAD, FAD, коензим А також є нуклеотидами, до складу яких входить рибоза).

3 – Вуглеводи З 3 – З 7 необхідні синтезу різних речовин. Наприклад, з еритрози синтезується шикімова кислота – попередник багатьох ароматичних сполук, таких як амінокислоти, вітаміни, дубильні та ростові речовини, лігнін клітинних стінок та ін.

4 – Компоненти ПФП беруть участь у темновій фіксації СО 2 . Тільки 2 з 15 реакцій циклу Кальвіна специфічні для фотосинтезу, інші беруть участь у ПФП.

5 - Тріози С 3 з ПФП можуть перетворюватися на 3-ФГК і брати участь у гліколізі.

Активність ПФП у нормі у загальному дихальному обміні становить 10-40%. Активність збільшується за несприятливих умов: посухи, калійного голодування, інфекції, затінення, засолення, старіння.

Дихальний електронтранспортний ланцюг та окисне фосфорилювання.

Цикл Кребса, гліоксилатний та ПФП функціонують тільки в умовах достатньої кількості 2 . У той самий час Про 2 безпосередньо бере участь у реакціях цих циклів. Він необхідний для заключного етапу дихального процесу, пов'язаного з окисленням накопичених відновлених коферментів NADH * H + і FADH 2 в дихальному електронтранспортному ланцюзі (ЕТЦ) мітохондрій. З перенесенням електронів ЕТЦ пов'язаний і синтез АТФ.

Дихальна ЕТЦ, локалізована у внутрішній мембрані мітохондрій складається з чотирьох мультиензимних комплексів, до складу яких входять (у міру збільшення окисно-відновного потенціалу):

FMN –залізосерні білкиFeS –убіхінонQ –цитохроми (b 556 ,b 560 , 1 c,c,a,a 3 ) - Про 2 . При цьому електрони від NADH * H + надходять на FMN, а від FADH 2 - безпосередньо на убіхінон.

З матриксу мітохондрій при транспортуванні кожної пари електронів від NADH*H + до О 2 у трьох ділянках ЕТЦ через мембрану назовні (в міжмембранний простір) переносяться принаймні шість протонів Н + , при окисленні FADH 2 – таких ділянок лише дві.

У результаті на мембрані створюється електрохімічний потенціал іонів Н + , що включає хімічний або осмотичний градієнт (ΔрН) і електричний градієнт. -ази.

А
ТФ-азний комплекс складається з фактора сполучення F 1 (білок з 9 субодиниць) і фактора F о, який перешнуровує мембрану і служить каналом для транспорту іонів Н + .