Глава 4 дыхание растений

В этой главе рассматриваются процесс аэробного дыхания, в котором осво­бождаемая при окислении углеводов свободная энергия преобразуется в энер­гию, заключенную в молекулах АТФ, а также механизмы, позволяющие растению контролировать энергетический статус клетки. Особое внимание уделе­но особенностям растений, связанным с наличием альтернативных путей в дыхательном метаболизме. Кроме того, обсуждаются вопросы, связанные с генерацией клеткой активных форм кислорода.

В процессе фотосинтеза растения синтезируют углеводы, которые транс­портируются из листьев в другие органы. На свету и в темноте клетки растения «дышат», окисляя углеводы молекулярным кислородом с образованием СО₂ и воды. При этом освобождается большое количество свободной энергии:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + энергия;

∆G = -2882 кДж/моль (-686 ккал/моль)

Эта формула в общем виде отражает чрезвычайно сложный, а главное, кон­тролируемый процесс, который условно можно разбить на три этапа: гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи (рис. 4.1).

Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот — это биохимические пути окисле­ния глюкозы, протекающие соответственно в цитозоле и матриксе митохонд­рий. В биохимических реакциях синтезируется небольшое количество АТФ, и главный их результат — образование соединений с высоким восстановитель­ным потенциалом — НАДН и ФАДН₂. На заключительном этапе восстановительные эквиваленты окисляются в электрон-транспортной цепи, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Перенос электрона в цепи за­вершается восстановлением кислорода до воды. В процессе электронного транспорта на мембране образуется электрохимический протонный градиент Δ , энергия которого используется для синтеза АТФ из АДФ и Ф_н. Процесс, в котором работа дыхательной цепи сопряжена с синтезом АТФ, получил на­звание окислительного фосфорилирования. Именно в этом процессе синтезиру­ется основная масса АТФ, образуемого при дыхании.

И у растений, и у животных дыхание выполняет три основные функции. Во-первых, освобождаемая при окислении углеводов энергия преобразуется в конвертируемые формы клеточной энергии — Δ и АТФ. Вторая, не менее важная функция — снабжение клетки метаболитами, которые образуются в ходе окисления глюкозы и используются в разнообразных биосинтезах. Третья функция связана с термогенезом, т. е. рассеиванием энергии в виде тепла. Про­цесс дыхания принципиально сходен у животных и растений, но у последних имеет свои особенности. Все вместе они отражают пластичность растительного метаболизма и связаны с функционированием, наряду с основными, альтер­нативных ферментов и реакций. Наличие альтернативных путей расширяет адап­тивные возможности растений, но усложняет (с точки зрения исследователя) систему регуляции метаболических процессов.

Рис. 4.1. Основные этапы дыхания.

Окисление глюкозы в процессе гликолиза сопровождается восстановлением двух молекул НАД⁺, синтезом двух молекул АТФ и завершается образованием двух молекул пирувата. В митохондриях пируват подвергается полному окислению до СО₂ в реакциях, катализируемых пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК) и ферментами цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). В этих процессах образуются 4НАДН, 1ФАДН₂, а также одна молекула АТФ. Восстановительные эквива­ленты окисляются, отдавая электроны в электрон-транспортную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Электронный транспорт приводит к восстановлению кислорода до воды и сопряжен с синтезом основной массы АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.