Визначення дихального коефіцієнта (ДК) рослин.
Дихальний коефіцієнт рослин - це відношення кількості виділеного при диханні вуглекислого газу до кількості поглиненого за цей час кисню.
Величина ДК залежить від хімічної природи дихального субстратуа, біологічних особливостей рослин, умов постачання киснем та інших причин.
У роботі розглядається величина ДК залежно від дихального субстрату. Якщо субстратом є вуглеводи, ДК=1; якщо субстратом служать більш багаті воднем жири або деякі білки, ДК менше 1 і зазвичай дорівнює 0,3-0,7; коли субстрати – органічні кислоти, ДК більше 1.
Хід роботи.
Пробірку заповнюють до половини пророслим насінням, закривають пробкою, в яку вставлена вигнута під прямим кутом тонка скляна трубка. Горизонтальне коліно трубки має бути градуйовано, або до нього слід прикріпити смужку міліметрового паперу. У трубку ввести краплю вазелінової олії чи води.
Прилад ставлять у склянку з ватою (для того, щоб вона не нагрілася від рук). Спостерігають за рухом меніска у скляній трубці. Якщо ДК=1, крапля залишається у трубці нерухомою. Якщо ДК більше або менше 1, крапля у трубці зміщуватиметься. Необхідно тричі визначити зміщення краплі за 5 хвилин та знайти середнє значення (А).
А - це різниця між обсягами поглинається Ог і СО2, що виділяється.
Вийняти пробку, провітрити пробірку, у верхню частину пробірки вкласти диск з фільтрувального паперу, змоченого 20% розчином КОН. Закрити пробку, ввести краплю олії, визначити пересування краплі за три п'ятихвилинні інтервали, обчислити середнє значення (В). Луг поглинає виділений при диханні СО2. Пересування краплі тепер відповідає поглинання О2.
Розрахунки можна зробити за такою формулою:
Обладнання та реактиви:
Широка плоскодонна пробірка з пробкою, в яку вставлена капілярна відвідна трубка, широка склянка з ватою, пісочний годинник на 5 хвилин, пінцети, кружечки фільтрувального паперу, вазелінове масло, 20%-ний розчин КОН, проросле насіння (пшениці, соняшнику, рицини , ін.).
Запитання для повторення:
Терміни.
Амілаза- Ферменти класу гідролаз, що каталізують гідроліз резервних полісахаридів (крохмалю, глікогену). Амілази виявлені у тварин (сік підшлункової залози), у вищих рослин (проросле насіння) та в мікроорганізмах. Залежно від характеру дії розрізняють а-амілази (розщеплюють а-1,4-зв'язки в молекулі полісахариду), (З-амілази (послідовно відщеплюють мальтози від нередукуючих кінців полімерних ланцюгів) і глюкоамілази (розщеплюють полісахарид з утворенням вільної глюкози).
Гліколіз- шлях Ембден-Мейергоф-Парнаеа, ферментативний анаеробний процес негідролітичного розпаду вуглеводів до ПВК. Це філогенетично найдавніший шлях, широко поширений у природі, відіграє важливу роль в обміні речовин живих організмів. Забезпечує клітину енергією за умов недостатнього постачання киснем.
Дегідрогеназа- ферменти класу оксидоредуктаз, що каталізують реакції відщеплення водню від одного субстрату та переносять його на інший. Беруть участь у катаболізмі всіх типів поживних речовин. Ко- ферментами дегідрогеназ служать зазвичай НАД, НАДР, | ФАД, ФМН. Реакції за участю дегідрогеназу лежать в основі біологічного окислення, тісно пов'язаного із забезпеченням клітин енергією.
Дегідрогенази анаеробні- двокомпонентні ферменти, коферментом яких може бути NAD+ та NADP+. При окисленні субстрату NAD+ перетворюються на відновлену форму NADH. Анаеробні дегідрогенази передають водень, тобто електрони і протони, різним проміжним переносникам і аеробним дегідрогеназам. Субстратна специфічність ферменту залежить від його білкової частини. Багато дегідрогенази містять іони двовалентних металів, наприклад Zn.
Дегідрогенази аеробні- Двокомпонентні ферменти, звані ще флавопротеїни. Крім білків мають у складі простетичну групу – рибофлавін (вітамін Вг). Донорами електронів аеробних дегідрогеназ служать анаеробні дегідрогенази, а акцепторами - хінони, цитохінони, кисень.
Дихання- властиво всім органам, тканинам та клітинам рослин; здійснюється з допомогою вуглеводів. Інтенсивність дихання визначається за кількістю поглиненого О2 або виділеного ССЬ та залежить від онтогенезу, морфологічних особливостей, температури тощо.
Дихательний коефіцієнт- Відношення обсягу С02, що виділяється з організму при диханні, до обсягу поглинається за той же час О2; характеризує особливості газообміну та обміну речовин у живих організмах. Дихальний коефіцієнт залежить від хімічної природи дихального субстрату, вмісту СО2 і 02 в атмосфері та ін.
Каталаза- фермент класу оксидоредуктаз, що каталізує реакцію розкладання токсичного для організму перок-сиду водню (Н202) з утворенням Н20 і 02. Широко поширений фермент міститься в спеціалізованих органоїдах - пероксисомах і гліоксисомах. Простетична група каталази - гем, до складу якого входить атом заліза. Молекулярна маса 250000.
Оксидази- ферменти класу оксидоредуктаз, що каталізують окиснювально-відновні реакції, акцепторами водню в яких служить кисень повітря. При цьому утворюється вода або Н202. Коферментом багатьох оксидаз є похідні вітаміну В2 – ФАД або ФМН. Оксидази широко поширені в природі та відіграють важливу роль у катаболізмі та детоксикації різних речовин.
Окисне фосфорилювання- процес синтезу молекул АТР з АДР та неорганічного фосфату за рахунок енергії окислення молекул органічних речовин. Відбувається лише у живих системах. Відкритий цей процес у 1930 році В. А. Енгельгардом і пов'язаний з перенесенням електронів по електронно-транспортному ланцюзі, вбудованому у внутрішню мембрану мітохондрій.
10.1.5. Дихальний коефіцієнт
Дихальний коефіцієнт або співвідношення легеневого газообміну (ДК) характеризує тип використання харчових продуктів в обміні речовин. Цей показник визначають наступним чином:
де V CO 2 - виділення СО 2, a O 2 - споживання O 2 . У разі окислення глюкози кількість споживаного кисню і кількість вуглекислого газу, що виділяється, рівні, так що ДК = 1. Таким чином, значення ДК, рівне одиниці, є показником окиснення вуглеводів(Табл. 10.1).
Таблиця 10.1. Значення дихальних коефіцієнтів (ДК) та енергетичних еквівалентів при окисленні різних харчових речовин
| Харчові речовини | ПК | Енергетичні еквіваленти | |
| кДж/л Про 2 | ккал/л Про 2 | ||
| Вуглеводи | 1,00 | 21,1 | 5,05 |
| Жири | 0,70 | 19,6 | 4,69 |
| Білки | 0,81 | 18,8 | 4,48 |
Значення ДК у разі окислення жирів може мати просте пояснення. У зв'язку з тим, що в жирних кислотах на 1 атом вуглецю припадає менше атомів кисню, ніж у вуглеводах, їх окислення характеризується значно нижчим дихальним коефіцієнтом (ДК = 0,7). У разі окислення чисто білкової їжі ДК виявляється рівним 0,81 (табл. 10.1). При змішаній їжі людині дихальний коефіцієнт зазвичай становить 0,83-0,9. Певному ДК відповідає певний енергетичний (калоричний) еквівалент кисню(Табл. 10.2), який означає кількість теплоти, що вивільняється після споживання організмом 1 л O 2 .
Співвідношення між кількістю виділяється СО 2 і споживаного O 2 залежить як від типу харчових речовин, так і від перетворення одних харчових речовин на інші. У тих випадках, коли переважну частину раціону складають вуглеводи, вони можуть перетворюватися на жири. У зв'язку з тим, що жири містять у своєму складі менше кисню, ніж вуглеводи, такий процес супроводжується вивільненням відповідної кількості кисню. При перенасиченні вуглеводами кількість кисню, що поглинається в тканинах, знижується, а ДК збільшується. У разі насильницького харчування (гуси та свині) було зареєстровано такі значення ДК, як 1,38. У періоди голодування та при цукровому діабеті ДК може знижуватися до величини, що дорівнює 0,6. Це з посиленням інтенсивності обміну жирів і білків поруч із зниженням метаболізму глюкози.
Важливим фактором, що впливає на величину ДК, є гіпервентиляція.Додаткова кількість СО 2 , що видихається при гіпервентиляції, надходить з тих великих запасів СО 2
Таблиця 10.2. Енергетичний еквівалент 1 л O 2 при різних дихальних коефіцієнтах
| Дихальний коефіцієнт | Енергетичний еквівалент | |
| 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 |
У практиці при наближених розрахунках середнє значення енергетичного еквівалента приймають рівним 20,2 кДж/л O 2 що відповідає величині метаболічного ДК = 0,82. Діапазон коливань енергетичного еквівалента, залежно від значення ДК, як правило, невеликий. Тому похибка, пов'язана з використанням середнього значення енергетичного еквівалента, не перевищує ±4%.
Дихальним коефіцієнтомназивається співвідношення між обсягом виділеної вуглекислоти та поглиненого кисню. Дихальний коефіцієнт різний при окисленні білків, жирів та вуглеводів.
Розглянемо спочатку, який буде дихальний коефіцієнтпри споживанні організмом вуглеводів. Наприклад візьмемо глюкозу. Загальний результат окислення молекули глюкози можна виразити формулою:
З 6 Н 12 Про 6 +6О2 = 6СО 2 +6Н 2 Про
Як видно з рівняння реакції, при окисленні глюкози кількості молекул вуглекислого газу, що утворився, і витраченого (поглащенного) кисню рівні. Рівне кількість молекул газу при одній і температурі і одному і тому ж тиску займає один і той же (закон Авогадро-Жерара). Отже, дихальний коефіцієнт (відношення 2 /О 2) при окисленні глюкози дорівнює одиниці. Такий самий цей коефіцієнт при окисленні та інших вуглеводів.
Дихальний коефіцієнтбуде нижче одиниці при окисленні та білків. При окисненні жирів дихальний коефіцієнт дорівнює 0,7. У цьому вся можна переконатися виходячи з результату окислення якогось жиру. Ілюструємо це на прикладі окислення трипальмітину:
2С 3 Н 5 (З 15 Н 31 СОО) 3 + 145 О 2 = 102 СО 2 + 98 Н 2 О.
Відношення між обсягами вуглекислого газу та кисню дорівнює в даному випадку:
102 2 /145О 2 = 0,703.
Аналогічні розрахунки можна і для білків; при їхньому окисленні в організмі дихальний коефіцієнт дорівнює 0,8.
При змішаній їжі у людини дихальний коефіцієнт зазвичай дорівнює 085-09.
Так як кількість калорій, що звільняється при споживанні кисню, різна в залежності від того, чи окислюються в організмі білки, жири або вуглеводи, то зрозуміло, що воно також має бути різним залежно від величини дихального коефіцієнта, який є показником, які речовини окислилися в організм.
Певному дихальному коефіцієнту відповідає певний калоричний еквівалент кисню, що видно з наступної таблиці:
У деяких умовах, наприклад, після закінчення інтенсивної м'язової роботи, величина дихального коефіцієнта, визначеного за короткий інтервал часу, не відображає споживання білків, жирів і вуглеводів.
Дихальний коефіцієнт під час роботи
Під час інтенсивної м'язової роботи дихальний коефіцієнт підвищується і здебільшого наближається до одиниці. Це тим, що головним джерелом енергії під час інтенсивної роботи є окислення вуглеводів. Після закінчення роботи дихальний коефіцієнт протягом перших хвилин, так званого періоду відновлення, різко підвищується і може перевищити одиницю. У наступний період дихальний коефіцієнт різко знижується до величин, менших, ніж вихідні, і лише через 30-50 хвилин після двогодинної напруженої роботи може повернутися до нормальних величин. Ці зміни дихального коефіцієнта показує Мал. 98.
Зміни дихального коефіцієнта після закінчення роботи не відображають справжнього відношення між киснем, що використовується в даний момент, і виділеною вуглекислотою. Дихальний коефіцієнт на початку відновного рада підвищується з наступної причини: у м'язах під час роботи накопичується молочна кислота, на окислення якої під час роботи не вистачало кисню ( ). Ця молочна кислота надходить у кров і витісняє вуглекислоту з бікарбонатів, приєднуючи основи. Завдяки цьому кількість виділеного вуглекислого газу більша, ніж кількість вуглекислого газу, що утворився в даний момент у тканинах.
|
Зворотна картина спостерігається у наступний період, коли молочна кислота поступово зникає з крові. Частина її окислюється, частина ресинтезується у вихідний продукт, частина виділяється з сечею і потім. У міру втрат молочної кислоти звільняються підстави, які до того були відібрані у бікарбонатів. Ці підстави знову утворюють бікарбонати, і через деякий час після роботи відбувається різке падіння дихального коефіцієнта внаслідок затримки в крові вуглекислоти, що надходить з тканин. Мал. 98. Криві чотирьох спостережень зміни дихального коефіцієнта під час та після двогодинної інтенсивної роботи (за Талботом, Гендерсоном, Діллою та ін.). |
(ДК) це відношення обсягу виділеного у процесі дихання вуглекислого газу до обсягу поглиненого кисню.
Розмір дихального коефіцієнта рослин
Величина ДКвказує як на характер окислюваного у процесі дихання матеріалу, так і на тип дихання; вона може дорівнювати одиниці, більше або менше її. При окисленні вуглеводів обсяги газів, що обмінюються, вуглекислоти і кисню рівні і відношення С0 2: 0 2 дорівнює одиниці. В даному випадку споживаний при диханні кисень йде тільки на окислення вуглецю до вуглекислоти, тому що співвідношення водню та кисню в молекулі глюкози таке, що для окислення водню до води кисню достатньо самої молекули цукру. При окисленні ряду органічних кислот дихальний коефіцієнт рослин більший за одиницю. Так, щавлева кислота - сполука, багатша киснем, ніж вуглеводи. Кисню, що є в молекулі, не тільки достатньо для окислення водню до води, але частина його залишається і для окислення вуглецю; тому для повного окислення двох молекул щавлевої кислоти достатньо однієї молекули кисню: 2С 2 Н 2 О 4 + О 2 → 4СО 2 + 2Н 2 О, ДК (4СО 2: О 2) у цьому випадку дорівнює 4. У тих випадках, коли рослина дихає за рахунок білків або жирів, в молекулі яких багато водню та вуглецю і мало кисню, ДК менше одиниці, так як для окислення всього вуглецю та водню, що знаходиться в цих сполуках, необхідно поглинути велика кількістькисню. При окисленні стеаринової кислоти реакція окислення піде наступним чином: З 18 Н 26 Про 2 + 26О 2 → 18СО 2 + 18Н 2 О. ДК (18СО 2: 26О 2) дорівнює 0,69. Таким чином, у разі окислення вуглеводів ДК дорівнює одиниці, органічних кислот – більше одиниці, білків та жирів – менше одиниці.
Тепловий ефект при диханні рослин
Тепловий ефектматиме значення, обернене до величини ДК: максимальний тепловий ефект буде при окисленні жирів, тому що вони найбільш відновлені сполуки. Залежність величини ДК від характеру дихального матеріалу спостерігається тільки в тому випадку, коли в навколишньому середовищіта тканинах рослини досить кисню. Однак при окисленні одного і того ж дихального матеріалу, але при нестачі кисню в навколишньому середовищі та тканинах рослин величини ДК можуть змінюватися. Якщо кисню мало, то при окисленні йде не до кінця і крім вуглекислого газу та води утворюються органічні кислоти, які більш окислені, ніж вуглеводи. І тут ДК буде менше одиниці, оскільки частина поглиненого кисню залишиться у молекулах утворених органічних кислот, вуглекислоти ж виділиться менше. Найменше виділиться й енергії, тому що частина її збережеться в органічних кислотах.Дихальним коефіцієнтом називається відношення обсягу виділеного вуглекислого газу до обсягу поглиненого кисню. Дихальний коефіцієнт різний при окисленні білків, жирів та вуглеводів. Розглянемо для прикладу, яким буде дихальний коефіцієнт при використанні організмом глюкози. Загальний результат окислення молекули глюкози можна виразити формулою:
При окисленні глюкози кількість молекул вуглекислого газу, що утворився, і кількість молекул витраченого (поглиненого) кисню рівні. Рівна кількість молекул газу при одній і тій же температурі і тому ж тиску займає один і той же обсяг (закон Авогадро - Жерара). Отже, дихальний коефіцієнт
відношення) при окисленні глюкози та інших вуглеводів дорівнює одиниці.
При окисненні жирів і білків дихальний коефіцієнт буде нижчим за одиницю. При окисненні жирів дихальний коефіцієнт дорівнює 0,7. Проілюструємо це з прикладу окислення трипальмітину:
Відношення між обсягами вуглекислого газу та кисню становить у цьому випадку:
Аналогічний розрахунок можна і для білка; при його окисненні в організмі дихальний коефіцієнт дорівнює 0,8.
При змішаній їжі у людини дихальний коефіцієнт зазвичай дорівнює 085-09. Певному дихальному коефіцієнту відповідає певний калоричний еквівалент кисню, що з табл. 20.
Таблиця 20 Співвідношення дихального коефіцієнта та калоричного еквівалента кисню
Визначення енергетичного обміну в спокою методом закритої системи з неповним газовим аналізом. Оч носійна сталість дихального коефіцієнта (0,85-0,90) у людей при звичайному харчуванні в умовах спокою дозволяє виробляти досить точне визначення енергетичного обміну у людини у спокої, обчислюючи лише кількість спожитого кисню і беручи його калоричний еквівалент при усередненому дихальному коефіцієнті.
Кількість спожитого організмом кисню досліджується з допомогою різного типу спірографів.
