Механизмы дыхания растений
Механизмы дыхания растений
1. Дыхание. Определение. Уравнение.
Значение дыхания в жизни растительного организма. Специфика дыхания у растений
Образующиеся
в ходе фотосинтеза сахара и другие органические соединения используются
клетками растительного организма в качестве питательных веществ. Клетки
незеленых частей и все клетки растения в темноте питаются веществами углеводной
природы гетеротрофно и в этом принципиально не отличаются от животных клеток.
Важнейшим этапом питания органическими веществами на клеточном уровне является
процесс дыхания.
Клеточное
дыхание — это
окислительный, с участием кислорода распад органических питательных веществ,
сопровождающийся образованием химически активных метаболитов и освобождением
энергии, которые используются клетками для процессов жизнедеятельности.
Научные
основы учения о роли кислорода в дыхании были заложены трудами A. Л. Лавуазье. В 1774 г. кислород
независимо открыли Пристли и Шееле, а Лавуазье дал название этому элементу.
Изучая одновременно процесс дыхания животных и горение, Лавуазье в 1773 — 1783
гг. пришел к выводу. что при дыхании, как и при горении, поглощается 02
и образуется С02, причем в том и другом случаях выделяется теплота.
На основании своих опытов он заключил, что процесс горения состоит в
присоединении кислорода к субстрату и что дыхание есть медленно текущее горение
питательных веществ в живом организме.
Я. Ингенхауз в 1778—1780 гг. показал,
что зеленые растения в темноте, а незеленые части растений и в темноте, и на
свету поглощают кислород и выделяют С02 так же, как животные.
Основателем учения о дыхании растений считают Н. Т. Соссюра. В 1797—1804 гг.,
впервые широко использовав количественный анализ, он установил, что в темноте
растения поглощают столько же кислорода, сколько выделяется С02,
т.е. соотношение С02/02, как правило, равно 1. При этом
одновременно с С02 образуется и вода. Мнение Соссюра о том. что
описанный им газообмен у растений является процессом дыхания и что этот процесс
обеспечивает растительный организм энергией, долгое время не признавалось.
Утверждалось, что в ночное время растения выделяют тот С02, который
не был использован при фотосинтезе, и что этот С02 не имеет
отношения к дыханию.
Однако
постепенно накапливалось все больше данных о том, что дыхание животных и
растений протекает однотипно, несмотря на отсутствие у растений специальных
дыхательных органов, причем основным субстратом дыхания служат сахара. И. П.
Бородин (1876) в серии точных опытов установил, что интенсивность дыхания
листоносных побегов в темноте в первую очередь зависит от количества углеводов,
накопленных ими на свету.
Во
второй половине XIX в. в результате изучения дыхания у растительных и животных
объектов общее уравнение этого процесса приняло следующий вид:
С6Н12О6
+ 602 ► 6С02 + 6Н20 + энергия (2875
кДж/моль)
ЗНАЧЕНИЕ
ДЫХАНИЯ В ЖИЗНИ РАСТЕНИЯ
Дыхание
— один из центральных процессов обмена веществ растительного организма.
Выделяющаяся при дыхании энергия тратится как на процессы роста, так и нa 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
процесc, 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, НАДФ-Н), так и
метаболитов. Как видно из суммарного уравнения, в процессе дыхания образуется
также вода. Эта вода в крайних условиях обезвоживания может быть использована
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.
2.Основные этапы
становления учения о дыхании растений
Если, по Лавуазье,
дыхание имеет сходство с процессом горения, то каким же образом органические
вещества могут «гореть» при обычной температуре тела организма, да еще в водной
среде, (ведь на 70 — 90% масса живых организмов состоит из воды)? Возникло
предположение о том, что в живых клетках существуют механизмы, активирующие
кислород. Швейцарский химик X. Ф. Шейнбайн, открывший озон, изучал причины
быстрого потемнения пораненной поверхности растительных тканей, таких, как
ткани яблок, картофеля, плодовых тел грибов. В 1845 г. он выступил со своей
теорией окислительных процессов, согласно которой в живых клетках имеются
соединения, способные легко окисляться в присутствии 02 и таким образом
активировать молекулярный кислород. Если ткань прокипятить, то потемнения не
происходит. Следовательно, потемнение тканей — каталитический окислительный
процесс. Шейнбайн ошибочно полагал, что активация кислорода — это образование
озона.
Исследования, начатые
Шейнбайном, продолжил А. Н. Бах, который в 1897 г. разработал перекисную теорию
биологического окисления, приложив ее к процессам дыхания. Несколько позже, в
том же 1897 г., аналогичные взгляды высказал немецкий исследователь К. Энглер.
Суть перекисной теории
биологического окисления Баха заключается в следующем. Молекулярный кислород
имеет двойную связь и для того чтобы его активировать, необходимо эту двойную
связь расщепить. Легко окисляющееся соединение А взаимодействует с
кислородом и, разрывая двойную связь, образует пероксид А02
Таким образом, по мысли Баха, активация кислорода есть образование пероксида. В
свою очередь пероксидное соединение, взаимодействуя с соединением В,
окисляет его; затем эта реакция повторяется со вторым атомом кислорода и второй
молекулой соединения В. Получается полностью восстановленное исходное
соединение — акцептор кислорода А и полностью окисленное вещество В:
Во
второй и третьей реакциях, по Баху, участвует пероксидаза. Соединение А,
которое активирует кислород, Бах назвал «оксигеназой», рассматривая его вначале
как фермент. В дальнейшем он пришел к заключению, что это те соединения,
которые темнеют на воздухе при поранении тканей, что именно такого рода легко
окисляющиеся вещества способны присоединять кислород и образовывать пероксиды.
Много
позднее, в 1955 г., две группы исследователей — О. Хаяиши с сотр. в Японии и Г.
С. Мэзон с сотр. в США, используя современные методы, проанализировали
возможность включения кислорода в органические соединения. Применив тяжелый
изотоп кислорода, Хаяиши изучил процесс окисления пирокатехина до пирокатеховой
кислоты под действием пирокатехазы:
Кислород
в пирокатеховой кислоте оказался меченым. Таким образом, в точном эксперименте
было доказано, что молекулярный кислород действительно может включаться в органические
соединения.
В
настоящее время известно, что путь включения кислорода в органические
соединения в соответствии с перекисной теорией биологического окисления Баха и
Энглера не имеет отношения к дыханию, однако работы этих исследователей сыграли
большую роль в изучении химизма дыхания, заложив основы современного понимания
механизмов активации кислорода.
Какую же
роль играет кислород в процессах дыхания? В 1921 г. немецкий биохимик О. Г.
Варбург, изучая влияние ингибиторов на дыхание различных объектов, обнаружил,
что поглощение кислорода резко ингибируется оксидом углерода и синильной
кислотой, взаимодействующими в клетках с железосодержащим веществом
порфириновой природы (с цитохромоксидазой). Английский биохимик Д. Кейлин в
1925 г. окончательно доказал присутствие в клетках цитохромоксидазы, ускоряющей
поглощение ими кислорода, и открыл другие цитохромы. Затем цитохромы были
обнаружены у всех аэробов и было показано, что у этих организмов на завершающем
этапе процесса дыхания осуществляется перенос на кислород электронов и
протонов, в результате чего образуется Н20 (или Н202).
Органические
соединения могут окисляться и другим способом благодаря отнятию водорода. Еще
Бах, сделав упор на перекисную теорию, выдвинул и вторую гипотезу, согласно
которой биологическое окисление связано с отнятием от субстрата электронов и
протонов. Роль же кислорода состоит в этом случае в регенерации окисленного
состояния первичного акцептора водорода. По Баху, последовательность реакций в
процессе могла бы выглядеть следующим образом:
Эта вторая гипотеза Баха
в дальнейшем была развита В. И. Палладиным в стройную теорию химизма дыхания.
Занимаясь с 1903 по 1916 г. дыхательными пигментами (темнеющими на воздухе
веществами тканей), Палладин нашел удачную искусственную модель, которая
помогла расшифровать химизм дыхания. Это был известный краситель метиленовый
синий. Если в пробирку с раствором метиленового синего поместить несколько
прорастающих зародышей пшеницы и выкачать воздух (удалить кислород), то через
некоторое время этот краситель полностью обесцветится. Если затем открыть
пробирку и встряхнуть содержимое (т. е. дать кислород), то краситель снова
синеет. Таким образом, при контакте с кислородом краситель окисляется,
приобретая синий цвет, а живая ткань способна восстанавливать краситель,
обёсцве чивая его. Причем окисление метиленового синего связано не с
присоединением кислорода, а с отнятием водорода. Краситель восстанавливается за
счет присоединения электронов и протонов.
На основании этих и
других опытов Палладин в 1912 г. в статье «Значение дыхательных пигментов в
окислительных процессах растений и животных» представил общую теорию химизма
дыхания, разделив основное уравнение дыхания на анаэробную (1) и аэробную (2)
части:
где R — это окрашенный дыхательный пигмент,
способный отнимать водород от субстрата, a RH2 —
бесцветный дыхательный хромоген. На первом, анаэробном, этапе дыхания глюкоза
окисляется за счет отнятия водорода, который с помощью фермента (редуктазы)
передается на дыхательный пигмент R (активация водорода!). По Палладину, дыхательный субстрат
окисляется с участием воды, от которой тоже отнимается водород. Согласно
первому уравнению весь С02 дыхания анаэробного происхождения. На
втором, аэробном, этапе дыхательный хромоген (RН2) регенерирует в окисленную форму. Кислород, по
Палладину, необходим не для включения в дыхательный субстрат, а для отнятия
электронов и протонов от RН2,
в результате чего образуется вода. В дальнейшем теория Палладина об анаэробной
и аэробной фазах дыхания и о роли воды в дыхательном процессе полностью
подтвердилась.
В том же
1912 г. появилась работа немецкого биохимика Г. Виланда, который также пришел к
заключению о том, что биологическое окисление связано с отнятием водорода. Этот
вывод он сделал, исходя из результатов модельных опытов. В качестве субстрата
использовался этиловый спирт СН3СН2ОН, а в качестве
окислителя — палладий в губчатой форме (так называемая палладиевая чернь).
Происходило отнятие электронов и протонов и образовывался альдегид СН3СНО.
Чтобы регенерировать восстановленный палладий и сделать реакцию долгоидущей,
Виланд вводил хинон:
Эта
реакция проводилась в небиологической системе и не предусматривала участие
кислорода и воды.
Экспериментальные
доказательства участия воды в окислении субстрата дыхания и роли 02
как конечного акцептора водорода были получены лишь в 1955 г. в работе Б. Б.
Вартапетяна и A. Л. Курсанова. Опыты ставились с
этиолированными проростками пшеницы, которым давали 180 в составе 02
или Н20, а через 2 ч анализировали содержание 180 в С02
дыхания
В состав
С02 при дыхании тяжелый изотоп кислорода входил из меченой воды, но
не из молекулярного кислорода.
Из всех
приведенных выше данных следует, что окисление органических веществ в ходе
дыхания связано с отнятием водорода и что теория Лавуазье о сходстве дыхания и
горения не соответствует действительности.
3.Каталитические
системы дыхания
Окисление
дыхательных субстратов в ходе дыхания осуществляется с участием ферментов. Ферменты
как белковые катализаторы, помимо свойств, присущих неорганическим
катализаторам, обладают рядом особенностей: высокой актианостью, высокой
специфичностью по отношению к субстратам и высокой лабильностью. Их
пространственная организации зависящая от нее активность изменяются под
действием внешних и внутренних факторов. Эти свойства обеспечивают возможность
тонкой регуляции обмена веществ на уровне ферментов.
Типы
окислительно-восстановительных реакций. Существуют четыре способа окисления, и все они связаны с
отнятием электронов:
1) непосредственная
отдача электронов, например:
3) присоединение
кислорода
4)
образование промежуточного гидратированного соединения с последующим отнятием
двух электронов и протонов:
Оксидоредуктазы.
Поскольку
окисление одного вещества (донора электронов и протонов) сопряжено с
восстановлением другого соединения (их акцептора), ферменты, катализирующие эти
реакции, называют оксидоредуктазами. Все они относятся к I классу
ферментов:
Донор
(Д) отдает электроны и протоны, акцептор (А) принимает их, а энзим (Е)
осуществляет реакцию переноса. Существуют три группы оксидоредуктаз:
а) анаэробные
дегидрогеназы передают электроны различным промежуточным акцепторам, но не
кислороду;
б) аэробные
дегидрогеназы передают электроны различным акцепторам, в том числе кислороду;
в) оксидазы
способны передавать электроны только кислороду.
Анаэробные
дегидрогеназы. Это
двухкомпонентные ферменты, коферментом которых может быть NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид):
При
окислении субстрата NAD+ превращается в восстановленную форму NADH, а второй протон субстрата диссоциирует в среду (NADH + Н + ). К анаэробным NAD-зависимым дегидрогеназам относятся такие ферменты,
как алкогольдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа и др.
Коферментом анаэробных дегидрогеназ может быть также NADP+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), содержащий на одну фосфатную
группировку больше, чем NAD + . NADP- зависимыми дегидрогеназами являются изоцитратдегидрогеназа,
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, 6-фосфоглюконатдегидрогеназа и др.
Субстратная
специфичность фермента зависит от его белковой части. Многие NAD- и NADP-зависимые
дегидрогеназы нуждаются в присутствии ионов двухвалентных металлов. Например,
алкогольдегидрогеназа содержит ионы цинка.
Окисленные
и восстановленные формы коферментов анаэробных дегидрогеназ могут
взаимопревращаться в реакции, катализируемой ферментом NAD(Р)-трансгидрогеназой:
NADPH + NAD+ =
NADP+ + NADH
Анаэробные дегидрогеназы
передают водород, т. е. электроны и протоны, различным промежуточным
переносчикам и аэробным дегидрогеназам.
Аэробные
дегидрогеназы. Это
также двухкомнонентные ферменты, получившие название флавиновых
(флавопротеины).
Помимо
белков, в их состав входит прочно связанная с ними простетическая группа —
рибофлавин (витамин В2).
Различают
два кофермента этой группы: флавинмононуклеотид (FMN), или желтый дыхательный фермент
Варбурга, и флавинадениндинуклеотид (FAD).
FMN (рибофлавин-5-фосфат) содержит
гетероциклическое азотистое основание — диметилизоаллоксазин, спирт рибит
(производное рибозы) и фосфат:
В FAD кроме FMN имеется еще один нуклеотид — аденозинмонофосфата:
Активной группой в
реакции присоединения и отдачи электронов и протонов в FMN и FAD служит изоаллоксазин. Взаимодействие
с восстановленным переносчиком, например NADH, происходит следующим образом:
Примером дегидрогеназы, в
состав которой входит FAD, является сукцинатдегидрогеназа.
Доноры электронов для аэробных дегидрогеназ — анаэробные дегидрогеназы, а
акцепторы — хиноны, цитохромы, кислород.
Цитохромная система. Среди оксидаз очень важную роль
играют железосодержащие ферменты и переносчики, относящиеся к цитохромной
системе. В нее входят цитохромы " и цитохромоксидаза. Включаясь в
определенной последовательности в процесс переноса электронов, они передают их
от флавопротеинов на молекулярный кислород.
Все компоненты
цитохромной системы содержат железопорфириновую простетическую группу.
При переносе электронов
цитохромами железо обратимо окисляется и восстанавливается, отдавая или
приобретая электрон и изменяя таким образом свою валентность. В дыхательной
цепи направление транспорта электронов определяется величиной
окислительно-восстановительного потенциала цитохромов.
В этой
системе передавать электроны непосредственно на кислород способна только
цитохромоксидаза (цит. а + а3). Из всех известных оксидаз она имеет наибольшее
сродство к кислороду. Ингибиторами цитохромоксидазы являются СО, цианид, азид.
Б растительных митохондриях кроме цитохромоксидазы функционирует оксидаза, не
подавляемая цианидом и названная альтернативной оксидазой. Например, в
митохондриях початков ароидных активность цианидустойчивой оксидазы в 10 раз
превышает активность цитохромоксидазы.
Пероксидаза и
каталаза. К
пероксидазам относят целую группу ферментов, использующих в качестве
окислителя пероксид водорода: классическую пероксидазу, NAD-пероксидазу, NADP-пероксидазу, пероксидазу жирных
кислот, глутатионпероксидазу, цитохромпероксидазу и др. Все они работают по
следующей схеме, где А — субстраты:
В
последние 2 — 3 десятилетия показана полифункциональность пероксидаз. Помимо
пероксидазной, у них имеется оксидазная функция, т. е. способность переносить
электроны в отсутствие пероксидного кислорода на молекулярный кислород.
Пероксидаза может также функционировать как анаэробная дегидрогеназа, например NADH-дегидрогеназа, передающая электроны
от восстановленных пиридиновых нуклеотидов на разные акцепторы.
Пероксид
водорода, помимо пероксидазы, расщепляется также каталазой, в результате
чего образуется молекулярный кислород. В реакции участвуют две молекулы
пероксида, одна из которых функционирует как донор, а другая — как акцептор
электронов (см. выше).
Простетической
группой пероксидазы и каталазы служит гем, в состав которого входит атом
железа.
Оксигеназы.
Наряду с оксидазами, которые используют молекулярный кислород как акцептор
электронов, в клетках широко представлены оксигеназы, активирующие кислород, в
результате чего он может присоединяться к органическим соединениям. Ферменты,
внедряющие в субстрат два атома кислорода, называют диоксигеназами, а
присоединяющие один атом кислорода — монооксигеназами или
гидроксилазами. В качестве доноров электронов оксигеназы используют NAD(P)H, FADH2 и др.
Оксигеназы
присутствуют во всех типах клеток. Они участвуют в гидроксилировании многих
эндогенных соединений в частности аминокислот, фенолов, стеринов и др., а также
в детоксикации чужеродных токсических веществ (ксенобиотиков).
4.Основные пути
диссимиляции углерода
Страницы: 1, 2, 3, 4
|