Вопрос о веществах, используемых в процессе дыхания, издавна занимал физиологов. Еще 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. При окислении в процессе дыхания более восстановленных соединений, таких, как жиры или белки, требуется больше кислорода и ДК становится меньше единицы. Так, при использовании жиров ДК = 0,7. 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.
32. Анаэробное дыхание растений (гликолиз)
Начальный этап анаэробного распада углеводов заключается в образовании ряда фосфорных эфиров сахаров (гексоз). Гликолиз происходит в цитоплазме.
Гликолиз осуществляется во всех живых клетках организмов. В процессе гликолиза происходит преобразование молекулы гексозы до двух молекул пировиноградной кислоты.
На первом этапе молекула глюкозы под действием фермента гексокиназы принимает остаток фосфорной кислоты от АТФ, которая превращается в АДФ, и в результате образуется глюкопиранозо-6-фосфат. Последний под действием фермента фосфогексоизомеразы (оксоизомеразы) превращается в фруктофуранозо-6-фосфат. На дальнейшем этапе гликолиза фруктофуранозо-6-фосфата происходит присоединение к нему еще одного остатка фосфорной кислоты. Источником энергии для образования этого эфира является также молекула АТФ. Эту реакцию катализирует фосфогексокиназа, активируемая ионами магния. В результате образуется фруктофуранозо-1,6-дифосфат и новая молекула аденозиндифосфата.
Следующий этап гликолиза заключается в окислении 3-фосфоглицеринового альдегида специфической дегидрогеназой и фосфорилировании глицериновой кислоты с использованием минеральной фосфорной кислоты. Образовавшаяся в результате этой реакции 1,3-дифосфоглицериновая кислота передает при участии фермента фосфоферазы один остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, которая превращается в АТФ, при этом образуется 3-фосфоглицериновая кислота. Последняя под действием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, которая под влиянием фермента енолазы превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту и наконец в пировиноградную кислоту.
Образованием пировиноградной кислоты из фосфоенолпирувата заканчивается гликолитическое расщепление гексозы по типу спиртового брожения.
Цикл Кребса
Вторая фаза дыхания - аэробная - локализована в митохондриях и требует присутствия кислорода. В аэробную фазу дыхания вступает пировиноградная кислота.
Процесс можно разделить на три основные стадии:
1) окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты;
2) цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса);
3) заключительная стадия окисления - электронтранспортная цепь (ЭТЦ) требует обязательного присутствия 0 2 .
Первые две стадии происходят в матриксе митохондрий, электронтранспортная цепь локализована на внутренней мембране митохондрий.
Первая стадия - окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Процесс этот состоит из ряда реакций и катализируется сложной мультиферментной системой пируватдекарбоксилазой. Пируватдекарбоксилаза включает в себя три фермента и пять коферментов (тиаминпирофосфат, липоевая кислота, коэнзим А - KoA-SH, ФАД и НАД). В результате этого процесса образуется активный ацетат - ацетилкоэнзим А (ацетил-КоА), восстановленный НАД (НАДН + Н+), и выделяется углекислый газ (первая молекула). Восстановленный НАД поступает в цепь переноса электронов, а ацетил-КоА вступает в цикл трикарбоновых кислот.
Вторая стадия - цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). В 1935 г. венгерский ученый А. Сент-Дьердьи установил, что добавление небольших количеств органических кислот (фумаровой, яблочной или янтарной) усиливает поглощение кислорода измельченными тканями. Продолжая эти исследования, Г. Кребс пришел к выводу, что главным путем окисления углеводов являются циклические реакции, в которых происходит постепенное преобразование ряда органических кислот. Эти преобразования и были названы циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса. Сам исследователь за эти работы в 1953 г. был удостоен Нобелевской премии.
Суть цикла в декарбоксилировании пировиноградной кислоты.
В цикл вступает активный ацетат, или ацетил-КоА. Сущность реакций, входящих в цикл, состоит в том, что ацетил-КоА конденсируется с щавелевоуксусной кислотой (ЩУК). Далее превращение идет через ряд ди- и трикарбоновых органических кислот. В результате ЩУК регенерирует в прежнем виде. В процессе цикла присоединяются три молекулы Н 2 0, выделяются две молекулы С0 2 и четыре пары водорода, которые восстанавливают соответствующие коферменты (ФАД и НАД).
Ацетил-КоА, конденсируясь с ЩУК, дает лимонную кислоту, при этом КоА выделяется в прежнем виде. Этот процесс катализируется ферментом цитратсинтазой. Лимонная кислота превращается в изолимонную. На следующем этапе происходит окисление изолимонной кислоты, реакция катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой. При этом протоны и электроны переносятся на НАД (образуется НАДН + Н+). Для протекания этой реакции требуются ионы магния или марганца. Одновременно происходит процесс декарбоксилирования. За счет одного из атомов углерода, вступившего в цикл Кребса, первая молекула С0 2 вьделяется. Образовавшаяся а-кетоглутаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию. Этот процесс также катализируется мультиферментным комплексом кетоглутаратдегидрогеназой. В результате за счет второго атома углерода, вступившего в цикл, выделяется вторая молекула С0 2 . Одновременно происходит восстановление еще одной молекулы НАД до НАДН и образуется сукцинил-КоА.
На следующем этапе сукцинил-КоА расщепляется на янтарную кислоту (сукцинат) и HS-КоА. Выделяющаяся при этом энергия накапливается в макроэргической фосфатной связи АТФ. Образовавшаяся янтарная кислота окисляется до фумаровой кислоты. Реакция катализируется ферментом сукцинатдегидрогеназой. Одновременно выделяется третья пара водородов, образуя ФАД-Н 2 .
На следующем этапе фумаровая кислота, присоединяя молекулу воды, превращается в яблочную кислоту с помощью фермента фумаратдегидрогеназы. На последнем этапе цикла яблочная кислота окисляется до ЩУК.
С каждым этапом цикла исчезает одна молекула пировиноградной кислоты, и от разных компонентов цикла отщепляются 3 молекулы С0 2 и 5 пар атомов водорода электронов.
Разновидностью цикла Кребса является глиоксилатный цикл. В качестве источника углеводов выступают двухуглеродные соединения, например ацетат, и участвует глиоксиловая кислота. Р-ции глиоксилатного цикла лежат в основе превращения запасного жира в углеводы. Ферменты этого цикла находятся в тельцах клетки – глиоксисомах.
В глиоксилатном цикле в отличие от цикла Кребса изолимонная кислота распадается на янтарнуюи глиоксиловую кислоты. . Глиоксилат с участием малатсинтазы взаимодействует со второй молекулой ацетил-Co А, в результате чего синтезируется яблочная кислота, которая окисляется до ЩУК.
В отличие от цикла Кребса в глиоксилатном цикле в каждом обороте участвует не одна, а две молекулы ацетил-СоА и этот активированный ацетил используется не для окисления, а для синтеза янтарной кислоты. Янтарная кислота выходит из глиоксисом, превращается в ЩУК и участвует, в глюконеогенезе (обращенном гликолизе) и других процессах биосинтеза. Глиоксилатный цикл, позволяет утилизировать запасные жиры, при распаде которых образуются молекулы ацетил-СоА. Кроме того, на каждые две молекулы ацетил-СоА в глиоксилатном цикле.
Физиологический смысл глиоксилатного цикла состоят в дополнительном пути разложения жиров и образовании ряда разнообразных промежуточных соединений, играющих важную роль в биохимических реакциях.
Энергетика цикла Кребса
Цикл Кребса. играет чрезвычайно важную роль в обмене веществ растительного организма. Он служит конечным этапом окисления не только углеводов, но также белков, жиров и других соединений. В ходе реакций цикла освобождается основное количество энергии, содержащейся в окисляемом субстрате, причем большая часть этой энергии не теряется для организма, а утилизируется при образовании высокоэнергетических конечных фосфатных связей АТФ.
В аэробной фазе дыхания при окислении пировиноградной кислоты образуются 4 молекулы НАДН + Н+. Их окисление в дыхательной цепи приводит к образованию 12 АТФ. Кроме того, в цикле Кребса восстанавливается одна молекула флавиновой дегидрогеназы (ФАДН2). Окисление этого соединения R в дыхательной цепи приводит к образованию 2 АТФ, поскольку одно фосфори-лирование не происходит. При окислении молекулы а-кетоглутаровой кислоты до янтарной кислоты энергия непосредственно накапливается в одной молекуле АТФ (субстратное фосфорилирование). Таким образом, окисление одной молекулы пировиноградной кислоты сопровождается образованием ЗС02 и 15 молекул АТФ. Однако при распаде молекулы глюкозы получается две молекулы пировиноградной кислоты.
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.
Дыхание - это окисление органического вещества, являющегося субстратом дыхания. Субстратами для дыхания служат углеводы, жиры и белки.
Углеводы . При наличии углеводов большинство клеток использует в качестве субстратов именно их. Полисахариды (крахмал у растений и гликоген у животных и грибов) вовлекаются в процесс дыхания лишь после того, как они будут гидролизованы до моносахаридов.
Липиды (жиры или масла) . Липиды составляют «главный резерв» и пускаются в дело в основном тогда, когда запас углеводов исчерпан. Предварительно они должны быть гидролизованы до глицерола и жирных кислот. Жирные кислоты богаты энергией и некоторые клетки, например мышечные, в норме получают именно от них часть необходимой им энергии.
Белки . Поскольку белки выполняют ряд других важных функций, они используются для производства энергии лишь после того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров, например при длительном голодании (разд. 8.9.3). Белки предварительно гидролизуются до аминокислот, а аминокислоты дезаминируются (лишаются своих аминогрупп). Образовавшаяся в результате дезаминирования кислота вовлекается в цикл Кребса или превращается сначала в жирную кислоту, чтобы затем подвергнуться окислению.
Главную роль в клеточном дыхании играют два типа реакций - окисление и декарбоксилирование.
В клетке происходят окислительные реакции трех типов.
1. ОКИСЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫМ КИСЛОРОДОМ
.
2. ОТЩЕПЛЕНИЕ ВОДОРОДА (ДЕГИДРИРОВАНИЕ) . При аэробном дыхании окисление глюкозы происходит путем последовательных реакций дегидрирования. Отщепляемый при каждом дегидрировании водород используется для восстановления кофермента, называемого в этом случае переносчиком водорода:
Большая часть этих реакций происходит в митохондриях, где переносчиком водорода служит обычно кофермент НАД (никотинамидадениндинуклеотид):
НАД*Н (восстановленный НАД ) затем вновь подвергается окислению с высвобождением энергии. Ферменты, катализирующие реакции дегидрирования, называются дегидрогеназами. В ряде последовательных реакций дегидрирования весь отщепляемый от глюкозы водород передается переносчикам водорода. Этот водород окисляется затем кислородом до воды, а высвобождаемая при этом энергия используется для синтеза АТФ. Феномен выделения энергии при окислении (горении) водорода можно наблюдать, если поднести горящую свечку к пробирке с водородом. При этом раздастся легкий короткий хлопок, вроде миниатюрного взрыва. В клетке выделяется такое же количество энергии, но выделяется оно в ряде окислительно-восстановительных реакций при переходе водорода от одного переносчика к другому по так называемой дыхательной цепи.
3. ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ . Это происходит, например, при переходе одной ионной формы железа (Fe2+) в другую (Fe3+)
Электроны могут передаваться от одного соединения к другому, как водород в реакциях описанных выше. Соединения, между которыми совершается этот перенос, называются переносчиками электронов. Протекает этот процесс в митохондриях.
Декарбоксилирование - это отщепление углерода от данного соединения с образованием СО2. В молекуле глюкозы, помимо водорода и кислорода, содержится еще шесть атомов углерода. Поскольку для описанных выше реакций нужен только водород, углерод удаляется в реакциях декарбоксилирования. Образующийся при этом диоксид углерода представляет собой «побочный продукт» аэробного дыхания.
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.
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.
