юрин физиология растений

Ðèñ. 3.8. Образование АТФ в митохондриях (хемиосмотическая теория)

Перенос каждой пары электронов по цепи от НАДН до О2 приводит к переходу через митохондриальную мембрану шести протонов. В результате возникает электрохимический потенциал Н на внутренней мембране. Запасенная таким образом энергия используется для синтеза АТФ при обратном транспорте протонов через АТФазный комплекс.

Мембрана выполняет сопрягающую функцию: связывает два процесса — транспорт электронов и синтез АТФ. Каждый фактор, вызывающий остановку транспорта электронов или увеличение проницаемости мембраны для протонов, приводит к нарушению синтеза АТФ и выделению освобождающейся энергии в виде тепла.

Таким образом, физиологический смысл транспорта электронов заключается в образовании электрохимического потенциала, который приводит к синтезу АТФ.

Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, сопряженный с транспортом электронов от дыхательного субстрата к кислороду воздуха, получил название окислительного фосфорилирования. Уравнение этого процесса можно записать так:

ÍÀÄÍ Í 3ÀÄÔ 3Ô 1/2Î2

ÍÀÄ 3ÀÒÔ 4Í2Î.

192

3.11. Показатели эффективности дыхания

Восстановленные при распаде дыхательного субстрата коферменты включаются в ЭТЦ, окисляются, что приводит к синтезу АТФ. При окислении НАДН, НАДФН синтезируется три, а при окислении ФАДН2 — две молекулы АТФ. Следовательно, всего при окислении молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ: в результате гликолиза образуется 10 молекул (две расходуются на первоначальное активирование глюкозы), при окислительном карбоксилировании пирувата — шесть, в цикле Кребса — 24.

Если принять, что для образования макроэргической фосфатной связи каждой молекулы АТФ при ее синтезе из АДФ и неорганического фосфата необходимо затратить 7,3 ккал/моль, тогда в клетке запасается 7,3 38 277 ккал. При полном окислении 1 грамм-молекулы глюкозы выделяется 686 ккал. Таким образом, растение запасает в макроэргических связях АТФ приблизительно до 40 % энергии (277/686). Остальная энергия рассеивается в виде тепла. Из этого общего количества запасенной энергии наибольшее (26 %) приходится на долю цикла Кребса, 9 % — на гликолиз.

Приведенный расчет подчеркивает малую эффективность гликолиза как источника АТФ. Энергетическая эффективность гликолиза мала, так как его конечный продукт ПВК — восстановленное вещество, т. е. в нем еще остается большой запас энергии.

Зачем в таком случае гликолиз, возникший на первых этапах эволюции, сохраняется у высших растений? Это связано, во-пер- вых, с тем, что он может действовать в качестве «аварийного» механизма в условиях временного анаэробиоза как поставщик АТФ и НАДН для клеточных биосинтезов. Во-вторых, он является источ- ником метаболитов для синтеза веществ, о чем мы уже говорили.

В пентозофосфатном окислительном цикле восстанавливается 12 молекул НАДФ ; в результате их окисления синтезируется 12 3 36 молекул АТФ. Если в начале цикла была потрачена одна молекула АТФ на фосфорилирование глюкозы, то общий выход составляет 35 молекул АТФ, т. е. запасенная энергия равна 255 ккал.

При работе ЭТЦ в результате поглощения одного атома кислорода могут синтезироваться три молекулы АТФ. Однако в реальной обстановке количество синтезируемых молекул АТФ может быть меньше. Последнее определяется степенью сопряжения окисления и фосфорилирования. Любые воздействия, увеличи- вающие проницаемость мембран для протонов или нарушающие

193

размещение компонентов электрон-транспортной цепи, приводят к уменьшению или прекращению синтеза АТФ. В качестве показателя, характеризующего количество образованных молекул АТФ и степень сопряжения аэробного дыхания и фосфорилирования, используется соотношение Ф : О (Ф — количество молей неорганического фосфата, которое пошло на фосфорилирование АДФ, О — количество поглощенного кислорода).

При поглощении одного атома кислорода и переносе электронов от НАДН или НАДФН на кислород с образованием воды максимально могут синтезироваться три молекулы АТФ, поэтому Ф : О 3.

Когда электроны транспортируются от ФАДН2, то Ф : О 2. Таким образом, величина Ф : О зависит от природы окисляемого вещества. При окислении -кетоглутората, кроме фосфорилирования, в дыхательной цепи при окислении НАДН происходит субстратное фосфорилирование и образуется еще одна молекула АТФ, поэтому Ф : О 4.

Зная, сколько синтезировалось молекул АТФ, можно подсчи- тать количество энергии, запасенной в макроэргических связях. Чем больше энергии запасается в клетке, тем лучше станет она работать, поэтому показатель Ф : О называют физиологическим показателем эффективности дыхания. Выше мы подсчитали, что при сопряжении окисления и фосфорилирования в макроэргических связях запасается 40 % энергии, которая освобождается при разрушении глюкозы в процессе гликолиза и цикле Кребса, таким образом, 60 % этой энергии выделяется в виде тепла. Когда сопряжение транспорта электронов и фосфорилирования нарушается, то еще больше энергии рассеивается в виде тепла.

Соотношение Ф : О меньше 3 в большинстве случаев указывает на нарушение сопряжения транспорта электронов с фосфорилированием. Это нарушение может быть вызвано разными причи- нами, например температурой. Увеличение температуры до 45 îС практически не влияет на соотношение Ф : О, но при 46—47 îС величина Ф : О быстро падает до нуля, т. е. происходит разъединение окисления и фосфорилирования. При этих температурах разрушаются кристы митохондрий, что и является причиной разобщения и резкого снижения величины Ф : О.

В состоянии разобщения распадается дыхательный субстрат, клетка выделяет СО2, поглощает кислород, образуется вода, идет транспорт электронов, но не синтезируется АТФ. В результате вся энергия рассеивается в виде тепла. Может нарушаться и транспорт электронов по дыхательной цепи.

194

Величина Ф : О снижается как при обезвоживании, так и при набухании митохондрий. Вообще, при любых воздействиях, нарушающих внутреннюю мембрану митохондрий, размещение дыхательной цепи или расстояния между ними, показатель Ф : О уменьшается, так как нарушается сопряжение окисления и фосфорилирования.

Âмолодых тканях сопряжение этих процессов лучше, чем в старых. Вещества, увеличивающие проницаемость мембраны для протонов (например, динитрофенол), получили название дыхательных ядов. При их воздействии на клетку протоны, попавшие на наружную сторону внутренней мембраны митохондрий в результате функционирования ЭТЦ, возвращаются в матрикс органеллы, поэтому электрохимический потенциал на мембране не возникает и АТФ не синтезируется. Происходит разобщение окисления и фосфорилирования, и величина Ф : О снижается до нуля. Величина показателя Ф : О увеличивается под воздействием стимуляторов роста, например под воздействием ИУК.

Что происходит в энергетическом обмене веществ в незеленой клетке?

Все процессы обмена, при которых освобождается энергия, делят на три основные фазы.

На первой фазе большие молекулы органических веществ разрушаются на более мелкие: сложные углеводы преобразуются в гексозы и пентозы, белки — в аминокислоты, жиры — в глицерин и жирные кислоты. На этой фазе выделяется менее 1 % запаса энергии этих веществ.

На второй фазе сравнительно небольшие молекулы гексоз, аминокислот, глицерина и жирных кислот окисляются. Кроме

âîäû è ÑÎ2, образуется ацетил-СоА, -кетоглуторат и оксалоацетат (ЩУК). Ацетил-СоА образуется через пируват из гексоз и глицерина, а также из некоторых амино- и жирных кислот. Часть аминокислот преобразуется в кетоглуторат или ЩУК. Во время второй фазы освобождается от 15 до 30 % энергии, заключенной в этих веществах.

Ацетил-СоА, оксалоацетат и кетоглуторат полностью окисляются во время третьей фазы в результате разрушения веществ че-

рез цикл Кребса до СО2 и воды. Цикл Кребса представляет собой окончательный путь окисления всех органических веществ. Во время третьей фазы освобождается 70—80 % энергии.

Âзеленых же клетках источником АТФ служит и фотосинтез.

195

Для характеристики дыхания как физиологического процесса, кроме величины Ф : О, используют показатель интенсивности (скорость) дыхания и коэффициент дыхания. Интенсивность дыхания — это количество кислорода, поглощенного за 1 час граммом сухой (или сырой) массы растительного материала. Ее можно измерить и количеством СО2, который выделяется за 1 час одним граммом растительной массы.

При одновременном учете количества выделяющегося СО2 и поглощенного О2 определяют дыхательный коэффициент (ДК). Дыхательный коэффициент — это соотношение количества выделенного СО2 к количеству поглощенного кислорода

ÄÊ ÑÎ2/Î2.

Выявить и, особенно, измерить интенсивность дыхания зеленых частей растения на свету нелегко, так как одновременно идет

èфотосинтез, в газообмене которого участвуют те же газы. По изменению газовой среды, в которой находятся листья, можно определить, какой из двух процессов в данный момент происходит с наибольшей интенсивностью. Днем, как правило, количество по-

глощенного СО2 для фотосинтеза больше, чем выделяется при дыхании. Дыхание на свету складывается из фотодыхания и митохондриального дыхания. При снижении скорости фотосинтеза может наступить момент, когда фотосинтез начнет компенсировать одновременно идущее дыхание и мы не сможем выявить газообмен. При дальнейшем снижении фотосинтеза дыхание начи- нает превалировать, а в темноте происходит только выделение

ÑÎ2, который образуется при дыхании.

Интенсивность дыхания варьирует в широких пределах, от

0,02 äî 715 ìã ÑÎ2/г сухого вещества в час. С разной интенсивностью дышат представители разных систематических групп. Теневыносливые растения дышат менее интенсивно, чем светолюбивые. Интенсивность дыхания зависит и от особенностей органов,

èих физиологического состояния. Корни дышат слабее листьев, а интенсивность дыхания цветов, наоборот, в 3—4 раза выше по сравнению с листьями.

Если интенсивность — количественная мера дыхания, то дыхательный коэффициент — еще и качественный показатель, так как в первую очередь он зависит от химической природы окисляемого вещества. Если дыхательным субстратом служат углево-

ды, тогда ДК 1, что хорошо видно из суммарного уравнения

Ñ12Í2Î6 6Î2 6ÑÎ2 6Í2Î.

196

Дыхательный коэффициент будет больше 1 при дыхании за счет органических соединений, в которых отношение кислорода к углероду больше, чем у углеводов. Так, при окислении ЩУК

2Í2Ñ2Î4 Î2 4ÑÎ2 2Í2Î, ÄÊ 4.

Когда при дыхании используются вещества, более богатые водородом, чем углеводы, например жиры, белки, тогда дыхательный коэффициент будет меньше 1, так как на окисление «лишнего» водорода нужно больше кислорода. Например, при окислении стеариновой кислоты

Ñ18Í32Î6 26Î2 18ÑÎ2 18Í2Î, ÄÊ 18 : 26 0,69.

Это теоретические расчеты. Однако в жизни такой строгой зависимости величины дыхательного коэффициента от природы дыхательного субстрата нет, так как на величину ДК влияют разные факторы.

Если окисление субстрата идет не до конца, а запасаются органические кислоты, тогда величина ДК уменьшается. Любой фактор, который повреждает мембраны, приводит к увеличению ДК.

Важным фактором, определяющим интенсивность дыхания клетки, является концентрация АДФ. Зависимость скорости потребления кислорода от концентрации АДФ называют дыхательным контролем или акцепторным контролем дыхания. Содержание Фí в клетках — обычно лимитирующий фактор.

Соотношение концентраций различных адениновых нуклеотидов в клетке

[ÀÒÔ] 1/2[ÀÄÔ]

[ÀÒÔ] [ÀÄÔ] [ÀÌÔ]

называют энергетическим зарядом.

3.12. Современная теория дыхания. Дыхание и фотосинтез

В свете современных данных можно сделать следующее определение дыхания: дыхание — это совокупность скоординированных, последовательно происходящих экзоэргических ОВ-реак- ций, ведущих к их фиксированию в богатых энергией связях АТФ, используемых клеткой для выполнения работы.

197

Как и фотосинтез, дыхание складывается из отдельных групп последовательно происходящих реакций. У высших растений можно выделить, по меньшей мере, две фазы: анаэробную (гликолиз) и аэробную (цикл Кребса, пентозофосфатный окислительный цикл).

Углекислый газ образуется за счет декарбоксилирования органических кислот. Углерод дыхательного субстрата не соединяется непосредственно с кислородом воздуха. Кислород воздуха нужен как акцептор электронов, транспортируемых от восстановленных коферментов, доноров электронов и протонов. Место образования АТФ — сопряженные мембраны крист в митохондриях (и, вероятно, микротрубочки в цитоплазме).

Дыхание — поставщик энергии, главным образом в форме АТФ. Для гетеротрофных органов (корни, клубни, незеленые части стебля и другие органы) дыхание — единственный поставщик энергии. В зеленых клетках, как мы уже говорили, АТФ образуется еще и в процессе фотосинтеза.

Дыхание — одновременно и источник промежуточных веществ для различных синтезов (рис. 3.9).

Так, пируват используется для синтеза аланина, ацетил-СоА, малат участвует в синтезе сахарозы. Ацетил-СоА служит важным исходным продуктом для синтеза многих веществ, таких как жирные кислоты, стероиды, АБК и др. К образующимся в процессе гликолиза молекулам глицерина могут присоединяться три остатка жирных кислот, и появляются жиры; если к глицерину присоединяются две жирные кислоты и одно фосфорилированное соединение, образуются фосфолипиды — важные компоненты биологических мембран. Таким образом, можно отметить, что дыхание — это центральный процесс обмена веществ.

Дыхание — регулятор разных процессов. Регуляторная роль дыхания хорошо видна на примере прорастания семян. Сначала при поглощении воды активируется дыхание, а затем семена на- чинают расти. Для их роста необходим строительный материал — органические вещества, а для синтеза последних — АТФ и восстановленные коферменты. Интенсивность дыхания прорастающих семян в сотни раз больше, чем покоящихся.

Концентрация АТФ и других макроэргических соединений влияет на скорость биосинтеза различных веществ. Чем больше содержание ацетил-СоА, тем скорее может идти и синтез жиров. Существует тесная связь между активностью дыхательных ферментов (например, цитохромоксидаза) и синтезом хлорофилла.

198

Ðèñ. 3.9. Промежуточные продукты превращений при окислении углеводов

âпроцессе дыхания

Âзеленых клетках одновременно происходит фотосинтез и дыхание. Сравнение суммарных выражений этих двух процессов:

показывает, что они являются противоположными (табл. 3.2).

199

	Таблица 3.2
Характерные черты процессов фотосинтеза и дыхания
Фотосинтез	Дыхание
Запасание энергии	Освобождение энергии
Синтез органического вещества	Разрушение органического вещества
Восстановление вещества	Окисление вещества
Поглощение СО2	Выделение СО2
Выделение О2	Поглощение О2
Происходит в хлоропластах на свету	Происходит в митохондриях в темноте

Однако в действительности между этими двумя процессами много общего.

Функции хлоропластов и митохондрий тесно связаны. Например, кислород, выделяемый в ходе фотосинтеза, используется при дыхании, судьба СО2 для обоих процессов прямо противоположна судьбе О2.

Кроме того, в обоих органеллах поток электронов сопряжен с образованием АТФ с той разницей, что в митохондриях электроны переносятся от восстановленных пиридиннуклеотидов на кислород, тогда как в хлоропластах поток электронов направлен в противоположную сторону.

Окислительное фосфорилирование, происходящее в митохондриях, является главным поставщиком АТФ для клеток незеленых частей растений (всегда), а ночью — для фотосинтезирующих тканей.

Дыхание и фотосинтез имеют одинаковые промежуточные продукты: ФГК, ФГА, рибулоза, ПВК, ФЕП, малат и др. Это говорит о возможности переключения с одного процесса на другой. И дыхание, и фотосинтез — это процессы и окислительные, и восстановительные, и распада, и синтеза. Обязательный участник обоих процессов — вода. При фотосинтезе она служит донором водорода для восстановления НАДФ , а при дыхании окисление веществ может происходить с помощью кислорода воды. Недаром В. И. Палладин назвал дыхание «мокрым горением».

При всей общности у этих процессов есть и отличия. При фотосинтезе АТФ синтезируется за счет поглощения энергии света (фотосинтетическое фосфорилирование), при дыхании — за счет энергии, освободившейся при окислении тех или иных запасенных веществ (субстратное и окислительное фосфорилирование). Конечные

200

продукты фотосинтеза, например углеводы, являются дыхательным субстратом, т. е. соединениями, с которых начинается дыхание. Митохондриальный АТФ растрачивается на реакции, происходящие в разных частях клетки; АТФ, синтезированный в хлоропластах, предназначен главным образом для процессов, происходящих в них самих. Дыхание в какой-то мере выступает дублером фотосинтеза: пополняет фонд АТФ и промежуточных веществ. При дыхании укорочение углеродной цепи происходит в результате декарбоксилирования веществ, а для фотосинтеза характерна обратная реакция — карбоксилирование.

Фотосинтез — процесс уникальный, локализованный в хлоропластах; дыхание, напротив, процесс универсальный. Им обладают, за исключением небольшой группы анаэробов, все организмы, населяющие Землю; оно присуще любому органу, любой ткани, каждой живой клетке. Физиолого-биохимические механизмы дыхания являются общими у растений, животных, одно- и многоклеточных организмов.

Еще раз подчеркнем единство происхождения органического мира. Гликолиз — анаэробный процесс, который филогенически, вероятно, был первым поставщиком энергии для клетки. Фотосинтез, который появился в эволюции поздней, обогатил атмосферу кислородом, и стало возможным аэробное дыхание (цикл Кребса). Пентозофосфатный окислительный цикл, идущий в условиях большого количества кислорода, мог появиться еще позднее. Гликолиз идет в гиалоплазме и кариоплазме, для фотосинтеза и дыхания нужны мембраны. Таким образом, усложнение строения клетки шло одновременно с эволюцией способов добычи энергии.

3.13. Дыхание как саморегулируемый процесс

Дыхание — один из наиболее тонко регулируемых процессов. Регуляция дыхания происходит, прежде всего, на клеточном уровне. Механизмы регуляции дыхания разные.

Лучше всего изучен механизм регуляции активности ферментов. Например, когда в клетке быстро идут процессы, для которых необходима энергия, то АТФ преобразуется в АДФ и неорганический фосфат. Увеличение концентрации фосфата в клетке активирует работу трех ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы; в результате этого гликолиз идет быстрее. Одновременно происходит торможе-

201