9.3.5. Энергетический выход реакций дыхания

Основные биоэнергетические продукты реакций дыхания – молекулы АТФ, образующиеся в процессах субстратного фосфорилирования, а также восстановленные формы динуклеотидов НАДН и ФАДН₂, при окислении которых в митохондриях в результате окислительного фосфорилирования осуществляется синтез АТФ. Таким образом, для оценки энергетического эффекта дыхания необходимо определить возможный суммарный выход АТФ и сопоставить его с изменением свободной энергии полного окисления глюкозы или фруктозы до СО₂и Н₂О. Полезный энергетический выход определяется как изменение свободной энергии в ходе гидролиза АТФ, которое при стандартных условиях составляет –30,6 кДжмоль^-1.

Как было показано ранее, в процессе гликолиза сначала происходит фосфорилирование фруктозы с участием двух молекул АТФ и образование фруктозо-1,6-дифосфата, а затем фруктозо-1,6-дифосфат образует две молекулы триозы, каждая из которых окисляется до пировиноградной кислоты. В ходе окисления каждой из триоз дважды осуществляется синтез АТФ в результате реакций субстратного фосфорилирования и синтез НАДН при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту. Учитывая, что превращению в пировиноградную кислоту подвергаются две молекулы триозы, в итоге синтезируются две молекулы НАДН и четыре молекулы АТФ. При окислении в митохондриях одной молекулы НАДН в результате реакций окислительного фосфорилирования образуются 3 молекулы АТФ, а при окислении двух молекул НАДН возможен синтез шести молекул АТФ. Следовательно, суммарный выход АТФ в реакциях гликолиза складывается из 4 молекул АТФ, образованных в ходе субстратного фосфорилирования в цитоплазме и 6 молекул АТФ, синтезирующихся путем окислительного фосфорилирования в митохондриях, всего получается 10 молекул АТФ, но 2 из них затрачиваются на фосфорилирование гексозы, поэтому фактический выход АТФ при окислении одной молекулы гексозы до пировиноградной кислоты составляет 8 молекул АТФ. Изменение свободной энергии при гидролизе 8 молей АТФ в стандартных условиях составляет –30,68= –245 кДж.

Исходя из того, что при полном окислении глюкозы в стандартных условиях выделяется 2872 кДжмоль^-1 энергии, а при окислении пировиноградной кислоты 1144 кДжмоль^-1, общее изменение свободной энергии в ходе окисления 1 моля глюкозы до пировиноградной кислоты в стандартных условиях равно (–2872) – (–11442) = –584 кДж. На основе этих данных, коэффициент полезного использования энергии, освобождающейся в процессе гликолиза, будет равен:

245∙100

Кисп. = ———— = 42%

584

В ходе окисления одной молекулы пировиноградной кислоты в реакциях цикла Кребса образуются четыре молекулы восстановленных динуклеотидов НАДН, 1 молекула ФАДН₂ и в результате субстратного фосфорилирования синтезируется 1 молекула АТФ. Восстановленные динуклеотиды НАДН образуются при окислительном декарбоксилировании пировиноградой и -кетоглуторовой кислот, а также в реакциях окисления изолимонной и яблочной кислот. А при окислении янтарной кислоты возникает 1 молекула ФАДН₂. За счёт реакций окислительного фосфорилирования при окислении 4 молекул НАДН могут синтезироваться 3х4 = 12 молекул АТФ, а при окислении ФАДН₂ – 2 молекулы АТФ, то есть всего за счёт окислительного фосфорилирования образуется 14 молекул АТФ. Учитывая, что ещё одна молекула АТФ синтезируется путём субстратного фосфорилирования, всего при окислении 1 молекулы пировиноградной

кислоты в реакциях цикла Кребса может образоваться 15 молекул АТФ. При их гидролизе в стандартных условиях высвобождается –30,615=–459 кДж свободной энергии в расчёте на 1 моль окисленной пировиноградной кислоты. Общее же изменение свободной энергии при окислении 1 моля пировиноградной кислоты до СО₂ и Н₂О в стандартных условиях равно –1144 кДж. Коэффициент полезного использования энергии в этом процессе составляет:

459∙100

Кисп. = ——— = 40%

1

144

В целом в результате дыхательного окисления одной молекулы глюкозы может синтезироваться 38 молекул АТФ, включая 8 молекул АТФ за счёт гликолиза и 30 молекул АТФ в результате окисления восстановленных динуклеотидов, которые образуются в цикле Кребса в ходе превращения двух молекул пировиноградной кислоты, возникающих при гликолизе из одной молекулы глюкозы. В стандартных условиях суммарное изменение свободной энергии при гидролизе 38 молей АТФ составляет –30,638 = –1153 кДж. Общее изменение свободной энергии при окислении одного моля глюкозы до СО₂ и Н₂О в стандартных условиях равно –2872 кДж. Коэффициент полезного действия реакций аэробного окисления глюкозы будет равен:

1153100

КПД = ———— = 40%.

2872

Следует отметить, что в физиологической среде живых клеток концентрация АТФ значительно меньше, чем принято для стандартных условий (1 моль/л), поэтому изменение свободной энергии при гидролизе АТФ будет не –30,6 кДж/моль, а более отрицательной величиной –40-42 кДжмоль^-1. Поэтому коэффициент использования энергии при реакциях дыхания в физиологической среде фактически имеет более высокие значения –53-56 %.

Остальная энергия, высвобождающаяся в дыхательном процессе, в основном выделяется в виде тепла, которое затрачивается на испарение воды и повышение температуры физиологической среды. Для живых функционирующих клеток это может быть полезным, так как при повышении температуры возрастает скорость биохимических превращений, что ускоряет биосинтетические процессы. Однако повышение температуры за счёт дыхательных процессов при хранении растительных продуктов является нежелательным явлением, так как становится причиной порчи и потерь сохраняемой продукции.

На активность функционирования электронтранспортной цепи митохондрий и ферментного комплекса, катализирующего окислительное фосфорилирование, очень сильное влияние оказывает обеспеченность клеток кислородом. Однако для нормального осуществления дыхания нужна невысокая концентрация кислорода в атмосфере, вполне достаточно 6-9 %. Последнее объясняется тем, что первичное формирование живых систем на Земле происходило при низких концентрациях кислорода в атмосфере. Но даже при достаточной обеспеченности клеток кислородом, скорость его потребления в митохондриях зависит от концентрации АДФ, которая определяется соотношением:

[АТФ]

————

[АДФ]∙[Рн]

При этом содержание неорганического фосфата, как правило, не является ограничивающим фактором дыхания, за исключением тех условий, когда наблюдается сильный дефицит фосфорного питания. Поэтому чаще всего на активность дыхания в митохондриях влияет соотношение АТФ : АДФ. Если в клетках организма активизируются биосинтетические процессы, связанные с потреблением АТФ, то возрастание концентрации АДФ по принципу смещения химического равновесия ускоряет синтез АТФ и интенсивность переноса электронов по электронтранспортной цепи митохондрий.

Ингибирование дыхания происходит при высоких концентрациях СО₂, как конечного продукта дыхательных реакций. Кроме того, в листьях растений под влиянием повышенной концентрации СО₂ могут закрываться устьица, вследствие чего уменьшается поступление кислорода.

Скорость дыхательных реакций возрастает при повышении температуры. Оптимальная температура для дыхания растений 35-40°С, она на 5-10° выше оптимальной температуры для фотосинтеза. В пределах достижения оптимальной температуры температурные коэффициенты (Q_1О) скорости дыхательных реакций для различных биологических объектов находятся в пределах 2-3. При температурах свыше 45-50°С начинаются процессы тепловой денатурации ферментных и других функционально активных белков, поэтому интенсивность дыхания быстро понижается.

В связи с тем, что многие дыхательные ферменты локализованы в жидкой фазе клеток, степень оводнения тканей заметно влияет не интенсивность дыхания. Так, например, при влажности семян не более 10-11 % интенсивность дыхательных процессов находится на низком уровне, а при увеличении влажности на 5-6 % интенсивность дыхания возрастает в несколько раз, что может привести к перегреву и порче семян при хранении. Это объясняется тем, что в сухих семенах вся вода находится в связанном состоянии и не может служить растворителем для физиологической среды. А при повышении влажности тканей выше критической появляется свободная вода, которая инициирует ферментативные процессы, происходящие в жидкой фазе клеток, в том числе и реакции дыхания.

Усиление дыхания наблюдается при облучении нефотосинтезирующих клеток растений коротковолновым светом (380-500 нм), что очевидно связано с активацией компонентов электронтранспортной цепи митохондрий, имеющих хромофорные (светочувствительные) группировки.

Наиболее слабое дыхание имеют семена растений, находящиеся в состоянии покоя и не содержащие свободной воды. Наиболее интенсивно дышат вегетативные органы растений, а также сочные растительные продукты – картофель, корнеплоды, плоды и овощи. Ещё более интенсивное дыхание имеют микроорганизмы, особенно плесневые грибы. Появление плесени на хранящихся растительных объектах вследствие усиления дыхания и выделения тепла быстро приводит к порче указанных растительных продуктов. Очень активно проходят процессы дыхания в молодых и растущих органах. Чем активней в растительных тканях осуществляются биосинтетические процессы, тем интенсивней они дышат.