Аэробная фаза дыхания

Вторая фаза дыхания — аэробная — локализована в митохондриях и требует при­сутствия кислорода. В аэробную фазу дыхания вступает пировиноградная ки­слота. Общее уравнение этого процесса следующее:

2ПВК + 50₂ + 6Н₂0 -> 6С0₂ + 5Н₂0

Процесс можно разделить на три основные стадии:

1) окислительноедекарбоксилирование пировиноградной кислоты;

2) цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса);

3) заключительная стадия окисления — электронтранспортная цепь (ЭТЦ) требует обязательного присутствия 0₂.

Первые две стадии происходят в матриксе митохондрий, электронтранспортная цепь локализована на внут­ренней мембране митохондрий.

Первая стадия — окислительноедекарбоксилирование пировиноградной кисло­ты. Общая формула данного процесса следующая

CH3COCOOH + НАД + КоА - SH → CH3CO-S- КоА + НАДН + Н+ + СО2. Процесс этот состоит из ряда реакций и катализируется сложной мультифер-ментной системой пируватдекарбоксилазой. Пируватдекарбоксилаза включает в себя три фермента и пять коферментов (тиаминпирофосфат, липоевая кисло­та, коэнзим А — KoA-SH, ФАД и НАД). Вся эта система имеет молекулярную массу 4,0-106. 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. Важ­но отметить, что пируватдегидрогеназная система ингибируется АТФ. При накоплении АТФ выше определенного уровня превращение пировиноградной кислоты подавляется. Это один из способов регуляции интенсивности протека­ния аэробной фазы.

В торая стадия — цикл трикарбоновых кислот(цикл Кребса).

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 Н2О, выделяются две молекулы СО2 и четыре пары водорода, ко­торые восстанавливают соответствующие коферменты (ФАД и НАД). Суммар­ная реакция цикла выражена уравнением:

CH₃CO-S-KoA + 3Н₂О + 3НАД + ФАД + АДФ + Ф_н → 2СО₂ + SH-KoA + 3НАДН + 3Н⁺ + ФАДН₂ + АТФ

Третья стадия — электронтранспортная цепь (ЭТИ). В процессе окисления пировиноградной кислоты в цикле Кребса образовались пары водорода 2Н, которые мы можем рассматривать как 2Н⁺ + 2е. Именно в таком виде они, акцепти­рованные НАД и ФАД, передаются по цепи переносчиков. В процессе переноса протонов и электронов важную роль играют ферменты, относящиеся к классу оксидоредуктаз. Оксидоредуктазы, участвующие в дыхательной цепи, делятся на следующие основные группы. Пиридиновые дегидрогеназы, у которых коферментом служит НАД или НАДФ, отнимают два протона и два электрона от субстрата. При этом к коферментам присоединяются один протон и два электрона. Протон и один электрон связываются с атомом углерода в молекуле НАД, а второй электрон нейтрализует положительный заряд атома азота. Один протон выделяется в среду. НАД⁺ и НАДН хорошо растворимы в воде и присутствуют в цитоплазме и мито­хондриях. Коферменты НАД и НАДФ связаны с ферментом с помощью ионов металла и сульфгидрильных группировок. В зависимости от белкового носи­теля, к которому присоединен кофермент (НАД или НАДФ), различают более 150 пиридиновыхдегидрогеназ. Каждая из них специфична по отношению к определенному субстрату. Необходимо учитывать, что НАД и НАДФ могут вос­принимать протоны и электроны лишь в том случае, если субстрат имеет более отрицательное значение потенциала по сравнению с ними.

Г-13 Роль дыхания в биосинтезе белков, липидов, нуклеиновых кислот и других жизненно важных соединений. В процессе дыхания образуется множество различных промежуточных  продуктов, некоторая часть которых  изымается клеткой из дыхательных 949b18ej реакций и используется для  биосинтеза различных соединений. Кроме  того, весь водород (в составе НАД*Н2 и ФАД*Н2) для биосинтетических реакций поступает тоже из процесса дыхания. 1. Роль дыхания в биосинтезе белков В процессе гликолиза образуется много различных органических кислот. Путем аминирования (т.е. присоединения NН2-группы) таких кислот из них образуются аминокислоты, которые затем включаются в состав белков. Например, глутаминовая кислота образуется путем аминирования -кетоглутаровой кислоты из цикла Кребса: -кетоглутаровая + NН3 + НАДФ*Н2 > Глу + НАДФ

При декарбоксилировании аминокислот образуются амины, являющиеся предшественниками алкалоидов. Важная роль в биосинтезе зеленых пигментов листа принадлежит дыханию, что свидетельствует о тесной связи фотосинтеза и дыхания.

2. Роль дыхания в биосинтезе липидов В ходе 2-й стадии гликолиза (расщепление глюкозо-6-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат) некоторые из молекул диоксиацетонфосфата не превращаются в глицеральдегид-3-фосфат, а используются для синтеза трехатомного спирта глицерина: ДА + НАДФ*Н2 > глицерин + НАДФ Второй компонент липидов  – жирные кислоты – тоже поставляются дыханием. Жирные кислоты образуются в результате соединения друг с другом ацетильных групп из состава ацетилКоА: nСН3-С=0-КоА + nНАДФ*Н2 > жирная кислота + nНАДФ + nН2О

С окислительными превращениями трикарбоновых кислот в цикле Кребса тесно связаны процессы биосинтеза жиров. Конденсация двух молекул уксусной кислоты при участии КоА приводит к образованию ацетоуксусной кислоты, при восстановлении которой получается масляная кислота.

3. Роль дыхания в биосинтезе нуклеиновых кислот Глюкозо-6-фосфат, образовавшийся в результате 1-й стадии гликолиза, может не расщепляться на два 3С-сахара, а вступает в пентозофосфатный цикл – последовательность реакций, в  результате которых от глюкозо-6-фосфата  отщепляется СО2 и он превращается в 5С-сахар рибозо-5-фосфат: глюкозо-6-фосфат > рибозо-5-фосфат + СО2 Затем от рибозо-5-фосфата  отщепляется фосфатная группа и он превращается в рибозу, которая входит в состав РНК. Из рибозы синтезируется дезоксирибоза, входящая в состав ДНК.

4. Роль дыхания в биосинтезе ароматических соединений Одними из промежуточных  продуктов гликолиза являются сахара фосфоенолпируват (ФЕП) и эритрозо-4-фосфат. В результате соединения этих сахаров образуется циклическое соединение -шикимовая кислота, из которой затем образуются ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин, триптофан), а из них ауксины, фенольные соединения и т.д.

Г-14) использование энергии, высвобождающейся в процессе дыхания, на физиологические процессы в растительном организме.

В природе существуют два основных процесса, в ходе которых энергия солнечного света, запасенная в органическом веществе, высвобождается,— это дыхание и брожение.

Дыхание— это аэробный окислительный распад органических соединений на простые неорганические, сопровождаемый выделением энергии. Брожение — анаэробный процесс распада органических соединений на более простые, сопровождаемый выделением энергии. В случае дыхания акцептором электрона служит кислород, в случае брожения — органические соединения. Процессы, входящие в энергетический цикл, имеют настолько важное значение, что в XX в. возникла наука биоэнергетика, изучающая молекулярные и субмолекулярные основы трансформации энергии.

Суммарное уравнение процесса дыхания:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 2824 кДж.

Не вся энергия, высвобождаемая при дыхании, может быть использована в процессах жизнедеятельности, а только та, которая аккумулируется в АТФ. Син­тезу АТФ во многих случаях предшествует образование разности электрических зарядов на мембране, что, в свою очередь, связано с разностью концентраций ионов водорода (протонный градиент или электрохимический градиент ионов Н+ — ΔµН+) по разные стороны мембраны. Согласно современным представле­ниям, не только АТФ, но и ΔµН+ служат источниками энергии для различных процессов жизнедеятельности клетки (В.П. Скулачев). Обе формы энергии мо­гут быть использованы на процессы синтеза (химическая работа), поступления и передвижения веществ, движение (механическая работа), создание разности потенциалов между цитоплазмой и внешней средой (электрическая работа). Энергия, не накопленная в ΔµН+ и АТФ, в основном рассеивается в виде тепла и для растения является бесполезной. Выделение энергии в виде тепла приво­дит к уменьшению упорядоченности структур, т. е. к возрастанию энтропии.

Г-15

Зависимость дыхания от внутренних и внешних факторов. Физиологические основы регулирования дыхания при хранении с.х 3. Зависимость дыхания от факторов внешней и внутренней среды Как и фотосинтез, дыхание зависит от различных внутренних и внешних факторов.

Внутренние факторы 1. Содержание углеводов Углеводы являются основными субстратами для дыхания. Если углеводов мало и энергии не хватает, то интенсивность дыхания падает, а когда содержание углеводов увеличивается - сразу возрастает интенсивность дыхания. 2. Орган растения и его возраст У сухих семян интенсивность дыхания очень мала. Когда семя набухает и начинает прорастать, то интенсивность дыхания резко возрастает, т.к. необходимо обеспечивать энергией различные процессы при прорастании семени. 3. Видовая принадлежность растений У разных видов растений интенсивность дыхания разная. Например, у бобовых интенсивность дыхания значительно выше, чем у остальных растений, потому что у бобовых очень много энергии уходит на фиксацию азота.

Внешние факторы 1. Обеспеченность растения водой При недостатке воды в растении интенсивность дыхания растет, т.к. растению нужна энергия для приспособления своего обмена веществ к условиям недостатка воды. Если недостаток воды очень сильный, то интенсивность дыхания снижается, т.к. уменьшается общая активность всех жизненных процессов в растении. 2. Температура Т.к. дыхание - это ферментативный процесс, то с увеличением температуры до определенного предела (ок. 35 С) интенсивность дыхания возрастает, т.к. снижается энергия активации химических реакций. После 35 С дыхательные ферменты начинают денатурировать, поэтому интенсивность дыхания уменьшается. 3. Концентрация О2 и СО2 Увеличение концентрации СО2 или уменьшение концентрации О2 снижают интенсивность дыхания. 4. Азотное питание растений Как известно, многие белки для поддержания своей структуры требуют определенной энергии. Поэтому чем лучше азотное питание растений и чем больше содержание белка в растениях, те больше интенсивность дыхания. 5. Пораженность растения патогенами При поражении патогенами интенсивность дыхания резко возрастает, т.к. растению требуется энергия для активации различных защитных систем (нейтрализация токсинов патогена, образование белков, разрушающих патоген, и.т.д.)

Физиологические основы регулирования дыхания при хранении с/х продукции Одной из задач при хранении с/х продукции является уменьшений интенсивности дыхания. В процессе дыхания расходуется часть пластических веществ урожая, а также возникает ряд дополнительных проблем (с/х продукция может погибнуть от избытка СО2, возможны взрывы из-за самосогревания с/х продукции и т.д.). поэтому интенсивность дыхания при хранении с/х продукции уменьшают различными способами. Зерно хранят при низкой влажности (12-14%), когда подавлены все жизненные процессы и в том числе дыхание. Сочные плоды, овощи и т.д. высушивать нельзя, поэтому их приходится хранить при низкой (но обязательно выше 00С) температуре. Также нередко поддерживают в хранилище специальную газовую среду, в которой содержится мало кислорода, но много СО2 и азота. Например, яблоки и груши хранят в газовой среде 3% О2, 5% СО2 и 92% N2.

Г-16

Дыхательный коэффициент, способы его определения. Использование для характеристики растительных объектов.

Дыхательным коэффициентом называется отношение количества выделившегося углекислого газа к количеству поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент обозначается буквами RQ и величина его колеблется в зависимости от природы субстрата, использующегося для дыхания, то есть от соотношения углекислого газа, выделяющего при окислении субстрата и кислорода, затрачиваемого на окисление субстрата.

Если субстратом служат сахара, то

RQ = 1 (6/6=1), (С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ = 6 Н₂О + 6СО₂ ).

Если субстратом служат липиды, белки и другие соединения с высокой степенью восстановления, то

RQ < 1 ( 18/26=0,7)

(С₁₈ Н₃₆ О₂ (стеариновая кислота) + 26О₂ = 8 Н₂О + 18СО₂ ).

Если субстратом служат вещества с низкой степенью восстановления, например органические кислоты, то

RQ > 1 (4/2,5=1,6)

(С₄ Н₄О₅ (щавелевоуксусная кислота) + 2,5О₂ = 2 Н₂О + 4СО₂ ).

Дыхательный коэффициент жиров-0,7 , белков – 0,8

Методы определения дыхательного коэффициента основываются на количественном учете поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа. Для измерения дыхательного коэффициента используют прибор респирометр Варбурга.

Респирометр Варбурга для изучения дыхания растений: слева — вид спереди; справа — вид сбоку; А — приемник для дышащих частей; Б — манометр; В — сосудик для КОН; Г — нажимной кран; Д — рези­новый резервуар для манометрической жидкости; Е — расширение для помеще­ния HCl

Способ работы: В приемник А помещают растение, а в сосудик В — раствор едкой щелочи для поглощения выде­ляемого углекислого газа. К сосуду А пришлифован манометр Б, соеди­ненный с резиновым резервуаром. При помощи крана Г жидкость в мано­метре устанавливается на нужном уровне. По уменьшению объема газа в приборе вычисляют количество поглощенного кислорода. Вводя в конце опыта через кран Е соляную кислоту, определяют количество выделен­ного CO₂.

Г.17)

Транспорт органических веществ в растении

Клетки обмениваются различными веществами с окружающей их средой в результате диффузии. Однако перенос веществ обычной диффузией на большие расстояния неэффективен; возникает необходимость в специализированных системах транспорта. Такой перенос из одного места в другое осуществляется за счёт разности давлений в этих местах. Все переносимые вещества движутся с одинаковой скоростью в отличие от диффузии, где каждое вещество движется со своей скоростью в зависимости от градиента концентрации.

У животных можно выделить четыре основных типа транспорта: пищеварительную, дыхательную, кровеносную илимфатическую системы. Часть из них были описаны ранее, к другим мы перейдем в следующих параграфах.

У сосудистых растений передвижение веществ осуществляется по двум системам: ксилеме (вода и минеральные соли) и флоэме (органические вещества). Передвижение веществ по ксилеме направлено от корней к надземным частям растения; по флоэме питательные вещества движутся от листьев.

Одним из важнейших механизмов транспорта веществ в растении является осмос. Осмос – это переход молекул растворителя (например, воды) из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Этот процесс похож на обычную диффузию, но протекает быстрее. Численно осмос характеризуется осмотическим давлением – давлением, которое нужно приложить, чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор.

В растениях роль таких полупроницаемых мембран играют плазматическая мембрана и тонопласт (мембрана, окружающая вакуоль). Если клетка контактирует с гипертоническим раствором (то есть раствором, в котором концентрация воды меньше, чем в самой клетке), то вода начинает выходить из клетки наружу. Этот процесс называется плазмолизом. Клетка при этом сморщивается. Плазмолиз обратим: если такую клетку поместить в гипотонический раствор (с более высоким содержанием воды), то вода начнёт поступать внутрь, и клетка снова набухнет. При этом внутренние части клетки (протопласт) оказывают давление на клеточную стенку. У растительной клетки набухание останавливается жесткой клеточной стенкой. У животных клеток жёстких стенок нет, а плазматические мембраны слишком нежны; необходим особый механизм, регулирующий осмос.

Еще раз подчеркнём, что осмотическое давление – величина скорее потенциальная, чем реальная. Она становится реальной только в отдельных случаях – например, при её измерении. Также необходимо помнить, что вода движется в направлении от более низкого осмотического давления к более высокому.

2(Г-18).Превращения веществ при прорастании семян.

Прорастанию семян предшествует поглощениеими большого количества воды - сначала за счет сил на­бухания, достигающих огромных величин (более 1000 атм) , затем - путем осмотического всасывания.

Следует отметить, что ни крахмал, ни жиры, ни белки сами по себе передвигаться по растению не могут. Они остаются в местах их синтеза. Только продукты их биохимических превращений, в частности растворимые сахара, органические кислоты, аминокис­лоты и различные амиды, легко транспортируются к точкам роста, выступающим в качестве аттрагирующих центров.

В набухших семенах при доступе кислорода и при соответствующей температуре (не менее 1 – 3 ° С для семян холодостойких растений и выше 10 ° С для теп­лолюбивых) резко повышается активность гидролаз. Происходит это как путем перехода ферментов из свя­занного состояния в свободное, так и благодаря био­синтезу новых молекул. Ярким примером этого могут служить ферменты, вызывающие гидролиз крахмала.

В сухих семенах b-амилаза находится в неактивном состоянии, а α- амилаза прак­тически отсутствует. При прорастании семян проис­ходит активирование b- амилазы и синтез α-амилазы. Под действием этих ферментов крахмал подвергается гидролизу, причем α -амилаза вызывает распад моле­кулы крахмала на крупные осколки, а b-амилаза отщеп­ляет концевые остатки мальтозы. Промежуточными продуктами гидролиза крахмала с все более уменьша­ющейся молекулярной массой являются амилодекстрин, эритродекстрин, ахродекстрин, мальтодекстрин и, наконец, дисахарид мальтоза . Заключи­тельный этап гидролиза крахмала - расщепление мальтозы на 2 молекулы глюкозы катализирует маль­таза.

Два первых этапа превращений жиров в углево­ды, протекают в глиоксисомах, цикл трикарбоновых кислот, как известно, в митохондриях, а последующие два этапа - в цитоплазме.

Образующиеся при распаде крахмала и жиров сахара, легко растворяясь в воде, транспортируются к местам потребления и используются на рост и дыха­ние, интенсивность которого у прорастающих семян резко возрастает.

Запасные белки  семян подвергаются гидролизу до аминокислот. Образующиеся аминокислоты передвигаются к точкам роста и используются на синтез конституцион­ных белков новых клеток. Однако аминокислотный состав этих белков резко отличается от состава исход­ных молекул запасных белков. Часть «лишних» амино­кислот дезаминируется с образованием органических кислот и аммиака. Как установлено исследованиями Д.Н. Прянишникова, в прорастающих семенах аммиак сразу же обезвреживается, включаясь в состав аспа­рагина. Образующийся аспарагин может служить донором аминогрупп при последующем синтезе других аминокислот. Таким образом, если содержание безазотистых веществ при прорастании семян резко снижается из- за их расхода на дыхание, то суммарное количество азотистых соединений практически остается постоянным.