Physofplants.info - Фізіологія рослин

Утворені в результаті фотосинтезу цукри та інші органічні речовини використовуються клітинами рослинного організму у якості поживних речовин. Найважливішим етапом живлення органічними речовинами на клітинному рівні виступає процес дихання.

Клітинне дихання - це окислюючий розпад органічних поживних речовин, що супроводжується утворенням хімічно активних метаболітів і звільненням енергії, які використовуються клітиною для процесів життєдіяльності.

Загальне рівняння дихання

Наукові основи про роль О₂ в диханні були закладені  працями А.Лавуазьє, Я.Інгенхауза, І.Бородіна, О.Баха, К.Енглера. У другій половині 19 ст. загальне рівняння цього процесу прийняло наступний вигляд:

                              С₆Н₁₂О₆+6О₂=6СО₂+6Н₂О+Е

О.М.Бах вважав, що біологічне окислення пов'язане з відніманням від субстрату електронів чи протонів. Ця гіпотеза О.М.Баха надалі була розвинута В. І. Палладіним у струнку теорію хімізму дихання. Положення його теорії про анаеробну й аеробну фази дихання та про роль води у цих процесах повністю підтвердилися.

   Завдяки роботам Костичева, Нейберга стало очевидно, що дихання і всі види бродіння пов'язані між собою через піровиноградну кислоту і що існує генетичний зв'язок між диханням та бродінням.

·       Основні шляхи окислення дихальних субстратів

Окислення субстратів (S) у ході дихання здійснюється ферментами (ф). Ферменти, як біокаталізатори, мають ряд особливостей: високу активність, специфічність та лабільність. Ці властивості забезпечують можливість тонкої регуляції обміну речовин на рівні ферментів.

Існує 4 способи окислення:

1.     віднімання е^- ;

2.     віднімання водню;

3.     приєднання О₂;

4.     утворення проміжної гідратованої сполуки з подальшим відніманням двох електронів і протонів.

Оксидоредуктази

Оскільки окислення однієї речовини – Д (донора е^- чи Н⁺) пов'язано з відновленням іншої сполуки – А (їх акцептора), то ферменти, які каталізують ці реакції, називають оксидоредуктазами. Усі вони відносяться до першого класу ферментів і поділяються на 17 підкласів:

Існує декілька груп оксидоредуктаз.

Анаеробні дегідрогенази - передають  електрони різним проміжним акцепторам, аеробним дегідрогеназам, але не О₂. Це двокомпонентні ферменти, коферментом яких може бути НАД⁺ (алкоголь-, лактат-, малатдегідрогенази) або НАДФ⁺ (ізоцитрат-, глюкозофосфатдегідрогенази). При окисленні субстрату НАД⁺ (НАДФ⁺) перетворюється у відновлену форму НАДН (НАДФН), а другий протон субстрату дисоціює у середовище.

Аеробні дегідрогенази - передають е^- різним акцепторам, в тому числі й О₂. Це також двокомпонентні ферменти – флавопротеїни. Крім білку до їх складу входить міцно зв'язана простетична група - рибофлавін (вітамін В₂).

Розрізняють два коферменти цієї групи: флавінмононуклеотид (ФМН) і флавінаденіндинуклеотид (ФАД.

Оксидази - здатні передавати е^- лише кисню. При цьому утворюється:

вода - на О₂ переноситься 4 е^-,

пероксид водню - на О₂ переноситься 2 е^-,

супероксидний аніон кисню (О^-₂) – на О₂ переноситься 1 е^-.

Н₂О₂ і О^-₂-токсичні і в клітинах швидко трансформуються на воду й кисень.

Серед оксидаз важливу роль відіграють залізовмісні ферменти й переносники, які відносяться до цитохромної системи. До неї входять цитохроми (в, с₁, с) і цитохромоксидаза (цит. а+а₃). Уся система передає е^- від флавопротеїнів на молекулу кисню. В ланцюгу дихання напрям передачі е^- визначається величиною окисно-відновного потенціалу цитохромів:

               цит. в®цит. с₁®цит. с®цит. а+а₃®О₂.

Усі компоненти цитохромної системи містять залізопорфіринову простетичну групу. Інгібіторами цитохромоксидази є СО, ціанід, азид. У рослинних мітохондріях існує оксидаза, яка не пригнічується цими речовинами  і називається альтернативною оксидазою.

    Рослинні тканини містять також немітохондріальні оксидази:

поліфенолоксидазу, аскорбатоксидазу, групу пероксидаз, каталазу.

 Оксигенази - активують кисень, в результаті чого він приєднується до органічних сполук:

-       диоксигенази - приєднують 2 атоми кисню;

-       гідроксилази - приєднують  1 атом кисню (монооксигенази).

В якості донора е^- оксигенази використовують НАД(Ф)Н, ФАДН₂ та ін.. Беруть участь у гідроксилюванні багатьох ендогенних сполук (амінокислот, фенолів, стеринів), а також у детоксикації чужорідних токсичних речовин.

Гліколіз

Гліколіз - процес анаеробного розпаду глюкози, що проходить із вивільненням Е, кінцевим продуктом якого є піровиноградна к-та (ПВК). Гліколіз - загальний спільний етап аеробного дихання і всіх видів бродіння.

Реакції гліколізу протікають у розчинній частині цитоплазми і в хлоро-пластах. В цитозолі гліколітичні ферменти  організовані в мультиензимні комплекси на активних філаментах цитоскелету.

Етапи гліколізу (біохімія процесу).

Ланцюг реакцій гліколізу можна розбити на три етапи.

1. Підготовчий етап - фосфорилювання гексози і її  розщеплення на дві фосфотріози.  Глюкоза (піранозна форма молекули) фосфорилюється АТФ з участю гексокінази, перетворюючись у глюкозо-6-фосфат, який ізомеризується глюкозофосфатізомеразою у фруктозо-6-фосфат. Цей перехід необхідний для утворення більш лабільної фуранозної форми молекули гексози. Фруктозо-6-фосфат фосфорилюється за участю АТФ фосфофруктокіназою. В результаті утворюється фруктозо-1,6-дифосфат.

 Фруктозо-1,6-дифосфат – лабільна форма із симетрично розміщеними фосфатними групами, що несуть від'ємний заряд і відштовхуються один від одного електростатично. Така структура легко розщеплюється альдолазою на 3фосфогліцериновий альдегід (3ФГА) і фосфодіоксіацетон (ФДА), які легко перетворюються один в одного (тріозофосфатізомераза).

2. Перше субстратне фосфорилювання, яке починається з 3ФГА і закінчується 3-фосфогліцериновою кислотою (3ФГК).

Фермент дегідрогеназа фосфогліцеринового альдегіду (НАД-залежний SН-фермент) утворює з 3ФГА фермент-субстратний комплекс, в якому відбувається окислення субстрату та передача е^- і Н⁺ на НАД⁺.  При цьому утворюється АТФ.

Таким чином,  в результаті 2 етапу гліколізу утворюються на кожну тріозу 1 мол АТФ і відновлений НАДН.

3. Друге субстратне фосфорилювання.

3ФГК з допомогою фосфогліцератмутази перетворюється в 2ФГК. Дальше енолаза каталізує відщеплення молекули води від 2ФГК і утворюється  фосфоенолпіруват – сполука, яка містить високоенергетичний фосфатний зв'язок. Цей фосфат при участі піруваткінази передається на АДФ, а енолпіруват переходить у більш стабільну форму – піруват.

Енергетичний вихід гліколізу

На 2 і 3 етапах утворюється 4 мол. АТФ і 2 мол. НАДН, на першому етапі витрачається 2 мол. АТФ. Окислення 1 мол.  НАДН = синтезу 3-х мол. АТФ. Таким чином,  у процесі гліколізу утворюється 8 мол. АТФ.

Вільна Е гідролізу 1 мол АТФ = 41, 87 кДж/моль (10 ккал), 8 мол. АТФ дають 335 кДж/моль (80 ккал)

Функції гліколізу в клітині:

-       здійснює зв'язок між субстратами дихання й циклом Кребса;

-        постачає на потреби клітини АТФ і НАДН (в умовах аноксії - основне джерело АТФ);

-       продукує інтермедіати, необхідні для синтетичних процесів у клітині;

-       у хлоропластах – дає АТФ; метаболізує крохмаль у тріози, які експортуються з хлоропластів.

Цикл Кребса  

У 1937 р.   англійським біохіміком Г.А.Кребсом була запропонована схема окислення ди- і трикарбонових кислот до СО₂  через ”цикл лимонної кислоти” за рахунок віднімання водню. Таким чином на тваринних об'єктах був відкритий цикл Кребса, а в 1939 р. англійським дослідником А.Чібнелом  була доказана його наявність у рослин.

В циклі Кребса при наявності кисню піруват повністю окислюється до СО₂ і Н₂О.  Усі ділянки цього процесу локалізовані в матриксі або на внутрішній поверхні мітохондрій. Виділяють 8 етапів.

1)     Безпосередньо в циклі окислюється не сам піруват, а його похідне – ацетил-СоА. Тому перший етап – це утворення активного ацетилу в ході окисного декарбоксилювання. Цей процес здійснюється при участі піруватдегідрогеназного мультиферментного комплексу (входять 3 ферменти і 5 коферментів). В ході складних перетворень через проміжні сполуки з коферментами з ПВК утворюються ацетил-СоА (із високоенергетичним тіоефірним зв'язком), СО₂ і НАДН.

2)     Цикл Кребса  починається із взаємодії ацетил-СоА з енольною формою щавлево-оцтової кислоти, які при дії цитратсинтази перетворюються в лимонну к-ту. При цьому витрачається енергія тіоефірного зв'язку.

3)     Наступний етап циклу включає дві реакції і каталізується ферментом аконітатгідратазою - в результаті синтезується ізолимонна кислота.

4)     Ізолимонна к-та під дією НАД-залежної ізоцитратдегідрогенази окислюється в нестійку сполуку – щавлевоянтарну к-ту, яка декарбоксилюється з утворенням a-кетоглутарової кислоти.

5)     a-кетоглутарат піддається реакції окислювального декарбокси-лювання → a-кетоглутарат-дегідрогеназний мультиферментний комплекс — в результаті чого виділяється СО₂, утворюється НАДН і сукциніл-СоА – високоенергетичний тіоефір.

5^/) При участі сукциніл-СоА-синтетази із сукцинілу-СоА, АДФ і Н₃РО₄ утворюється янтарна к-та, АТФ (субстратне фосфорилювання), регенерує молекула СоА.

6)     Далі янтарна к-та (сукцинат) окислюється до фумарової.

7)     Фумарова к-т, приєднуючи Н₂О, перетворюється в яблучну (малат).

8)     Яблучна з допомогою малатдегідрогенази окислюється в щавлевооцтову, яка самочинно переходить в енольну форму, реагуючи з черговою молекулою ацетил-СоА і цикл повторюється.

На протязі одного обороту циклу при окисленні пірувату виділяється 3 молекули СО₂, відбувається  включення 3-х молекул Н₂О і видалення 5-ти пар атомів водню.

Значення та енергетичний вихід

Цикл Кребса відіграє дуже важливу роль в обміні речовин рослинного організму. Він служить кінцевим етапом окислення не лише вуглеводів, але й білків, жирів та ін.. сполук. В ході реакцій циклу звільняється основна кількість енергії, яка міститься в субстраті, і більша її частина утилізується у високоенергетичних фосфатний зв’язках.

В ході окислення пірувату утворюються 3НАДН [1, 5, 8], НАДФН [4] і ФАДН₂ [6] (=2АТФ), +1 мол. АТФ при субстратному фосфорилюванні (5^/)®всього 15 молекул АТФ, а для 2-х молекул ПВК=30 молекул АТФ.

Отже,  при окисленні глюкози в процесі дихання при функціонуванні гліколізу й циклу Кребса  утворюється  38 молекул АТФ, що складає 380 ккал/моль. Це становить 55, 4% від усієї енергії глюкози.

Значення ц. Кр. цим не вичерпується. Багато проміжних продуктів циклу використовується для синтезу різноманітних сполук (амінокислот, жирів, вуглеводів, поліізопренів і т. д. )

Цикл Кребса займає центральне положення в метаболізмі клітини. Через нього встановлюється зв'язок між обміном трьох найважливіших груп сполук  - білків, жирів і вуглеводів.

Гліоксилатний цикл.

Вперше описаний в 1957 р. Г. Корнбергом, Г. Кребсом. Відсутній у тварин. Гліоксилатний цикл можна розглядати як модифікацію циклу Кребса. Функціонує в проростаючому насінні олійних культур і в тих об'єктах, де запасні жири перетворюються в цукри (глюконеогенез).

Гліоксил. ц.  локалізований у спеціальних мікротілах – гліоксисомах.

Схема циклу:

 В циклі беруть участь 2 молекули ацетил-СоА і перша використовується для синтезу янтарної к-ти. Янтарна кислота виходить з гліоксисом, перетворюється на ЩОК і бере участь в глюконеогенезі (зворотній гліколіз) та ін..  біохімічних процесах. Цикл містить, як мінімум, 6 реакцій.

 Гліоксилатний цикл дозволяє утилізувати запасні жири, при розпаді яких утворюється велика кількість молекул ацетил-СоА. Крім цього, на кожні 2 молекули ацетил-СоА в  гліоксилатному циклі відновлюється 1 мол-а НАДН.

Пентозофосфатний шлях окислення глюкози (ПФШ).

В рослинних клітинах існує ще один спосіб метаболізму гексоз – пентозофосфатний шлях (ПФШ), або апотомічне окислення.

Усі реакції протікають у розчинній частині цитоплазми клітини, у пропластидах і хлоропластах. Цей шлях особливо активний у тих клітинах, де інтенсивно проходять синтетичні процеси. При ПФШ АТФ не утворюється.

Етапи ПФШ

І.  Окислення глюкози - каталізується дегідрогеназнодекарбоксилюючою системою, яка складається з трьох ферментів. В результаті їх діяльності відбувається окислення (дегідрування) глюкозо-6-фосфату по 1-му атому С. При цьому утворюється рибульозо-5-фосфат і два  НАДФН.

ІІ.  Рекомбінація сахарів для регенерації вихідного субстрату.

З рибульозо-5-фосфату під дією епімерази утворюється ксилульозо-5-фосфат, а під дією ізомерази - рибозо-5-фосфат.

Рекомбінація цукрів з участю транскетолази і трансальдолази приводить до появи 3-ФГА і седогептульозо-7-фосфату, потім еритрозо-4-фосфату й фруктозо-6-фосфату. З них утворюються фруктозо-6-фосфати, які ізомеризуються (гексозофосфатізомераза) у глюкозо-6-фосфат.

В кінці з 6 молекул глюкозо-6-фосфату регенерує 5 молекул глюкозо-6-фосфату. Сумарне рівняння ПФШ має такий вигляд:

6Глюкозо6Ф +12 НАДФ⁺+7Н₂О®5Глюкозо6Ф+6СО₂+12НАДФН+12Н⁺+Н₃РО₄

Енергетичний вихід ПФШ і його значення

 При апотомічному окисленні глюкозо-6-Ф утворюється НАДФН, який окислюється повільніше, чим НАДН. Звичайно атоми водню передаються з НАДФН на НАД⁺, а лише потім на електронтранспортний ланцюг.

Енергетичний вихід ПФШ = 12НАДФН = 12·3 АТФ = 36 АТФ. Однак головне значення ПФШ не в енергетичному, а в пластичному обміні. Тут можна виділити декілька аспектів:

1)  ПФШ служить головним немітохондріальним джерелом НАДФН, який використовується переважно в синтетичних реакціях (синтез жирів, ізопреноїдів, відновлення SН-сполук).

2)  В ході ПФ циклу синтезуються пентози, які входять до складу нуклеотидів, АТФ, коферментів НАД⁺, ФАД, коферменту А та ін. сполук.

3)  ПФШ є джерелом вуглеводів із різним числом вуглецевих атомів – від С₃ до С₇, які є попередниками ароматичних амінокислот, вітамінів, дубильних, ростових та ін.. речовин.

4)  Компоненти ПФШ приймають участь у темновій фіксації СО₂. ПФШ є, по-суті, зворотнім циклом Кальвіна

5)  У хлоропластах ПФШ в темноті постачає НАДФН і, т.ч., АТФ, 3ФГК, підтримуючи їх кількість на певному рівні.

Окислення глюкози по ПФШ йде 12-ма реакціями, а дихотомічний (гліколітичний) шлях через ПВК включає більше 30 реакцій. Усі ці цикли й шляхи між собою пов'язані.

·       Дихальний електронтранспортний ланцюг (ДЕЛ)

Цикл Кребса, гліоксилатний і ПФ шляхи функціонують лише в умовах достатньої кількості кисню. В той же час О₂ безпосередньо не бере участі в реакціях цих циклів. Кисень необхідний для кінцевого етапу дихання, зв'язаного з окисленням відновлених коферментів НАДН і ФАДН₂ у дихальному ланцюгу (ДЕЛ) мітохондрій. З переносом е^- по ДЕЛ спряжений і синтез АТФ.

Електронтранспортний ланцюг мітохондрій (ЕЛМ). 

Б. Чанс та ін.., (США), 50-ті рр.

ДЕЛ локалізований на внутрішній мембрані мітохондрій, служить для передачі е^- від відновлених субстратів на кисень, що супроводжується трансмембранним переносом іонів Н⁺. Таким чином, ЕЛМ (як і тилакоїдів) виконує функцію окисно-відновної помпи.

Компоненти ЕЛМ можна розкласти в слідуючому порядку:

Пара е^- від НАДН або сукцинату передається по електронтранспортному ланцюзі до кисню, який, відновлюючись, утворює воду.

Згідно сучасних даних ЕЛМ включає в себе чотири мультиензимні комплекси і два невеликі за молекулярною масою компоненти – убихінон і цитохром с.

Комплекс І здійснює перенос е^- від НАДН до убихінону Q. До складу комплексу входить флавінова (ФМН-залежна) НАДН: убихінон-оксидоредуктаза, яка містить 3 залізосірчані центри (FeS_{N 1-3}). У штучній фосфоліпідній мембрані комплекс функціонує як протонна помпа.

Комплекс ІІ каталізує окислення сукцината убихіноном. Цю функцію здійснює флавінова (ФАД-залежна) сукцинат: убихінон-оксидоредуктаза, до складу якої також входять три залізосірчані центри (FeS_{S 1-3})

Комплекс ІІІ переносить е^- від відновленого убихінону до цитохрому с, тобто функціонує як убихінол: цитохром с -оксидоредуктаза. У своєму складі він містить цитохроми в₅₅₆ і в₅₆₀, цитохром с₁  і залізосірчаний білок Ріске. У присутності убихінону комплекс ІІІ здійснює активний трансмембранний перенос Н⁺.

В термінальному комплексі IV е^- переносяться від цитохрому с до кисню, тобто цей комплекс є цитохром с: кисень-оксидоредуктазою (цитохром-оксидазою). До його складу входять чотири редокскомпоненти: цитохроми а₁, а₃ і два атоми міді. Цитохром а₃ і Сu_B здатні до взаємодії з киснем, на який передаються е^- з цитохрому а-Сu_A. Транспорт е^- через четвертий комплекс спряжений з активним транспортом іонів Н⁺. Функція цитохрому а₃-Сu_B пригнічується ціанідом, азидом і СО.

Показано, що комплекси I, III і IV перешнуровують мембрану. На внутрішній стороні мембрани з матриксу 2 е^- і 2Н⁺ із НАДН поступають на ФМН комплексу І. Електрони передаються на FeS-центри, звідти - на убихінон, який приймає і 2Н⁺, і дифундує до комплексу ІІІ, приймаючи по дорозі ще 2 електрони і протони.  Тут віддає 2 е^- цит в₅₅₆ і 2 е^- FeS_R-цит. с₁. В результаті 4Н⁺ звільняються в міжмембранний простір мітохондрії.

Окислені молекули убихінону знову дифундують до компексу І і готові приймати від нього  (чи від комп. ІІ) е^- і Н⁺.

Водорозчинний цит. с на зовнішній стороні мембрани, отримавши 2 е^- від FeS_R-цит с₁, передає їх на цит. а-Сu_А комп. IV. Цит а₃ -Сu_B, зв’язуючи кисень, переносить на нього ці 2 е^-, в результаті чого з участю двох Н⁺ утвор-ся вода.

Таким чином, із матриксу мітохондрій при транспорті кожної пари е^- від НАДН до 1\2 О₂ в трьох ділянках ЕТЛ через мембрану переносяться щонайменше 6Н⁺.

Передача 2 е^- від сукцинату на убихінон у комплексі II не супроводжується трансмембранним переносом протонів.

Відмінністю рослинних мітохондрій від тваринних є здатність окислювати екзогенний НАДН. Вони містять спеціальні НАДН-дегідрогенази, локалізовані на зовнішніх частинах обох мембран. Друга відмінність полягає у тому, що на внутрішній  мембрані крім основного (цитохромного) шляху переносу е^- є альтернативний, стійкий до дії ціаніду.

Окислювальне фосфорилювання

Перенос е^- від НАДН до молекулярного кисню через ЕТЛ міт-й супроводжується втратою вільної Е. При цьому утворюється АТФ. Це було встановлено працями В. Енгельгарда, В. Беліцера (СРСР), Г. Калькара (США). Процес фосфорилювання АДФ з утворенням АТФ, спряжений з переносом  е^- по ЕТЛ мітохондрій, отримав назву окислювального фосфорилювання.

Хеміосмотична теорія

Потік е^- через систему молекул-переносників супроводжується транспортом іонів Н⁺ через внутр-і мембрани мітохондрій. В результаті на мембрані створюється електрохімічний потенціал іонів Н⁺, який включає осмотичний (хімічний) і електричний градієнти (мембранний потенціал). Електрохімічний трансмембранний потенціал іонів Н⁺ і виступає джерелом енергії для синтезу АТФ за рахунок зворотного транспорту іонів Н⁺ через протонний канал мембранної Н⁺-АТФази.

Теорія Мітчела виходить із того, що переносники перешнуровують мембрану, чергуючись таким чином, що в одну сторону можливий перенос е^- і Н⁺, а у зворотну - лише е^-. В результаті іони Н⁺ накопичуються на одній стороні мембрани. Створений таким чином запас Е використовується для синтезу АТФ  як результат розрядки мембрани при зворотному (по градієнту концентрації) транспорті протонів через АТФазу, яка працює в даному випадку як АТФ-синтетаза.

Спряження дифузії протонів із синтезом АТФ здійснюється за допомогою АТФазного комплексу, який називається фактором спряження F₁.

F₁- водорозчинний білок, який складається з дев’яти субодиниць. Білок F₁ є АТФ-азою і пов'язаний з мембраною через інший білковий комплекс F₀, який перешнуровує мембрану.  F₀ не має каталітичної активності і служить каналом для транспорту іонів Н⁺ через мембрану до F₁.

За останні роки хеміосмотична гіпотеза Мітчелла отримала цілий ряд експериментальних підтверджень.

Різноманітність шляхів переносу е^- і Н⁺.

Завершальний етап багатьох процесів окислення полягає в переносі е^- на кисень. Він каталізується термінальними оксидазами. Оксидазні системи такого роду локалізовані в мітохондріях, в ЕР, плазмалемі, цитоплазмі.

Головна редокс-система клітини – дихальний ланцюг внутрішньої мембрани мітохондрій. Її термінальні оксидази – цитохромоксидаза й альтернативна оксидаза.

В цитоплазмі функціонують 3 редокс-системи. Їх термінальні оксидази: аскорбатоксидаза; поліфенолоксидаза, флавопротеїнові оксидази, котрі окислюють різні субстрати.

В мембранах ЕР локалізовано два редокс-ланцюги. В одному з них при окислені НАДН з участю флавопротеїнів і цит. в₅ відбувається оксигеназна реакція, що приводить до утворення ненасичених зв’язків у жирних кислот. У другому субстратом виступає НАДФН, а завершує ланцюг цит. Р-450, який, використовуючи кисень, гідроксилює багато різних сполук.

Кінцеві оксидази мають різні характеристики і по-різному реагують на зміну умов у клітині.

Субстрати дихання і дихальний коефіцієнт.

В якості головного субстрату дихання рослини використовують вуглеводи, і в першу чергу - вільні цукри. Коли їх немає в достатній кількості, субстратом окислення можуть бути запасні полімерні речовини.

Функцію запасних вуглеводів виконують крохмаль (картопля, злаки), інулін (жоржини, топінамбур), геміцелюлози. Деякі рослини окислюють багатоатомні спирти: сорбіт (груша), манніт (заразиха, маслини, ясен); орг. к-ти.

Запасні жири використовуються на дихання проростків, які розвиваються з насіння, багате на жири. Використання жирів починається з їх розщеплення ліпазою на гліцерин і жирні кислоти (сферосоми). Далі гліцерин перетворюється на ФГА. Жирні кислоти окислюються по механізму b-окислення, в результаті якого послідовно відщеплюються двовуглецеві залишки у формі ацетил-СоА. Цей процес відбувається в гліоксисомах. Далі ацетил-СоА включається в гліоксилатний цикл, із кінцевого продукту якого – сукцинату –у мітохондріях синтезується малат, який у цитозолі перетворюється в оксалоацетат і далі у ФЕП.

ФЕП – вихідний матеріал для синтезу глюкози, фруктози.

Процес утворення глюкози з не вуглеводних попередників називається глюконеогенезом. У цьому процесі взаємодіють сферосоми, гліоксисоми, мітохондрії, пластиди і ферментні системи цитозоля.

Запасні білки використовуються для дихання після гідролізу до амінокислот  і подальшої окислювальної деградації до ацетил-СоА, або кетокислот, які поступають потім у цикл Кребса.

При окисленні всіх субстратів виділяється Е:

-       при гідролізі біополімерів виділяється 1 % Е цукрів;

-       гліколіз  дає  20 % Е цукрів;

-       цикл Кребса та ЕТЛ ® 80 % Е цукрів;

-       при цьому в АТФ запасається лише до 55% Е цукрів.

Відношення кількості молей виділеного при диханні СО₂ до кількості молей поглинутого О₂ називається дихальним коефіцієнтом (ДК).

Кількість кисню, необхідного для окислення субстрату в процесі дихання знаходиться в оберненій залежності від його вмісту в молекулі субстрату: чим менша к-ть О₂ в молекулі субстрату, тим більше його тратиться на окислення. Для гексоз ДК =1; для жирних кислот < 1; для органічних кислот > 1 (»3-4).

Величина ДК визначається як кількістю О₂, що міститься в субстраті, так і постачанням киснем рослинних тканин.

При нестачі О₂ посилюється бродіння і ДК  зростає. В цілому величина ДК відображає особливості процесу дихання даної тканини, органу при певних зовнішніх умовах.

·                  Регуляція процесів дихання

Ендогенні механізми регуляції дихання у рослин

Регуляція процесів дихання здійснюється на різних рівнях.

Це субстратний контроль дихання (доступність, кількість і склад дихальних субстратів); регуляція активності ферментів (оксидоредуктаз); взаємозв’язок різних ланок дихання (дихальних циклів, ЕТЛ мітохондрій, оксидоредуктаз мітохондрій, цитоплазми й інших органоїдів); зміна фізико-хімічних умов у клітині, дія гормонів, геномний контроль і т.д.

Ефект Пастера

Рівень О₂ в тканинах впливає на інтенсивність дихання і на величину витрати дихальних субстратів на синтетичні процеси.

Гальмування розкладу цукрів і більш ефективне їх використання в присутності кисню називають ефектом Пастера.

В присутності О₂ всі цикли (і синтетичні) працюють. А збільшення к-ті АТФ в результаті дихання ще більше сприяє синтезу.

Дихальний контроль

В рослинному організмі існує механізм дихального контролю (акцепторний механізм дихання). Дихальним контролем називають залежність швидкості споживання кисню мітохондріями від концентрації АДФ.

Залежність інтенсивності дихального процесу (ІД) від відношення діючих мас АТФ-системи можна записати так :

Етапи ПФШ

І.  Окислення глюкози - каталізується дегідрогеназнодекарбоксилюючою системою, яка складається з трьох ферментів. В результаті їх діяльності відбувається окислення (дегідрування) глюкозо-6-фосфату по 1-му атому С. При цьому утворюється рибульозо-5-фосфат і два  НАДФН.

ІІ.  Рекомбінація сахарів для регенерації вихідного субстрату.

З рибульозо-5-фосфату під дією епімерази утворюється ксилульозо-5-фосфат, а під дією ізомерази - рибозо-5-фосфат.

Рекомбінація цукрів з участю транскетолази і трансальдолази приводить до появи 3-ФГА і седогептульозо-7-фосфату, потім еритрозо-4-фосфату й фруктозо-6-фосфату. З них утворюються фруктозо-6-фосфати, які ізомеризуються (гексозофосфатізомераза) у глюкозо-6-фосфат.

В кінці з 6 молекул глюкозо-6-фосфату регенерує 5 молекул глюкозо-6-фосфату. Сумарне рівняння ПФШ має такий вигляд:

6Глюкозо6Ф +12 НАДФ⁺+7Н₂О®5Глюкозо6Ф+6СО₂+12НАДФН+12Н⁺+Н₃РО₄

Енергетичний вихід ПФШ і його значення

 При апотомічному окисленні глюкозо-6-Ф утворюється НАДФН, який окислюється повільніше, чим НАДН. Звичайно атоми водню передаються з НАДФН на НАД⁺, а лише потім на електронтранспортний ланцюг.

Енергетичний вихід ПФШ = 12НАДФН = 12·3 АТФ = 36 АТФ. Однак головне значення ПФШ не в енергетичному, а в пластичному обміні. Тут можна виділити декілька аспектів:

1)  ПФШ служить головним немітохондріальним джерелом НАДФН, який використовується переважно в синтетичних реакціях (синтез жирів, ізопреноїдів, відновлення SН-сполук).

2)  В ході ПФ циклу синтезуються пентози, які входять до складу нуклеотидів, АТФ, коферментів НАД⁺, ФАД, коферменту А та ін. сполук.

3)  ПФШ є джерелом вуглеводів із різним числом вуглецевих атомів – від С₃ до С₇, які є попередниками ароматичних амінокислот, вітамінів, дубильних, ростових та ін.. речовин.

4)  Компоненти ПФШ приймають участь у темновій фіксації СО₂. ПФШ є, по-суті, зворотнім циклом Кальвіна

5)  У хлоропластах ПФШ в темноті постачає НАДФН і, т.ч., АТФ, 3ФГК, підтримуючи їх кількість на певному рівні.

Окислення глюкози по ПФШ йде 12-ма реакціями, а дихотомічний (гліколітичний) шлях через ПВК включає більше 30 реакцій. Усі ці цикли й шляхи між собою пов'язані.

·       Дихальний електронтранспортний ланцюг (ДЕЛ)

Цикл Кребса, гліоксилатний і ПФ шляхи функціонують лише в умовах достатньої кількості кисню. В той же час О₂ безпосередньо не бере участі в реакціях цих циклів. Кисень необхідний для кінцевого етапу дихання, зв'язаного з окисленням відновлених коферментів НАДН і ФАДН₂ у дихальному ланцюгу (ДЕЛ) мітохондрій. З переносом е^- по ДЕЛ спряжений і синтез АТФ.

Електронтранспортний ланцюг мітохондрій (ЕЛМ). 

Б. Чанс та ін.., (США), 50-ті рр.

ДЕЛ локалізований на внутрішній мембрані мітохондрій, служить для передачі е^- від відновлених субстратів на кисень, що супроводжується трансмембранним переносом іонів Н⁺. Таким чином, ЕЛМ (як і тилакоїдів) виконує функцію окисно-відновної помпи.

Компоненти ЕЛМ можна розкласти в слідуючому порядку:

Пара е^- від НАДН або сукцинату передається по електронтранспортному ланцюзі до кисню, який, відновлюючись, утворює воду.

Згідно сучасних даних ЕЛМ включає в себе чотири мультиензимні комплекси і два невеликі за молекулярною масою компоненти – убихінон і цитохром с.

Комплекс І здійснює перенос е^- від НАДН до убихінону Q. До складу комплексу входить флавінова (ФМН-залежна) НАДН: убихінон-оксидоредуктаза, яка містить 3 залізосірчані центри (FeS_{N 1-3}). У штучній фосфоліпідній мембрані комплекс функціонує як протонна помпа.

Комплекс ІІ каталізує окислення сукцината убихіноном. Цю функцію здійснює флавінова (ФАД-залежна) сукцинат: убихінон-оксидоредуктаза, до складу якої також входять три залізосірчані центри (FeS_{S 1-3})

Комплекс ІІІ переносить е^- від відновленого убихінону до цитохрому с, тобто функціонує як убихінол: цитохром с -оксидоредуктаза. У своєму складі він містить цитохроми в₅₅₆ і в₅₆₀, цитохром с₁  і залізосірчаний білок Ріске. У присутності убихінону комплекс ІІІ здійснює активний трансмембранний перенос Н⁺.

В термінальному комплексі IV е^- переносяться від цитохрому с до кисню, тобто цей комплекс є цитохром с: кисень-оксидоредуктазою (цитохром-оксидазою). До його складу входять чотири редокскомпоненти: цитохроми а₁, а₃ і два атоми міді. Цитохром а₃ і Сu_B здатні до взаємодії з киснем, на який передаються е^- з цитохрому а-Сu_A. Транспорт е^- через четвертий комплекс спряжений з активним транспортом іонів Н⁺. Функція цитохрому а₃-Сu_B пригнічується ціанідом, азидом і СО.

Показано, що комплекси I, III і IV перешнуровують мембрану. На внутрішній стороні мембрани з матриксу 2 е^- і 2Н⁺ із НАДН поступають на ФМН комплексу І. Електрони передаються на FeS-центри, звідти - на убихінон, який приймає і 2Н⁺, і дифундує до комплексу ІІІ, приймаючи по дорозі ще 2 електрони і протони.  Тут віддає 2 е^- цит в₅₅₆ і 2 е^- FeS_R-цит. с₁. В результаті 4Н⁺ звільняються в міжмембранний простір мітохондрії.

Окислені молекули убихінону знову дифундують до компексу І і готові приймати від нього  (чи від комп. ІІ) е^- і Н⁺.

Водорозчинний цит. с на зовнішній стороні мембрани, отримавши 2 е^- від FeS_R-цит с₁, передає їх на цит. а-Сu_А комп. IV. Цит а₃ -Сu_B, зв’язуючи кисень, переносить на нього ці 2 е^-, в результаті чого з участю двох Н⁺ утвор-ся вода.

Таким чином, із матриксу мітохондрій при транспорті кожної пари е^- від НАДН до 1\2 О₂ в трьох ділянках ЕТЛ через мембрану переносяться щонайменше 6Н⁺.

Передача 2 е^- від сукцинату на убихінон у комплексі II не супроводжується трансмембранним переносом протонів.

Відмінністю рослинних мітохондрій від тваринних є здатність окислювати екзогенний НАДН. Вони містять спеціальні НАДН-дегідрогенази, локалізовані на зовнішніх частинах обох мембран. Друга відмінність полягає у тому, що на внутрішній  мембрані крім основного (цитохромного) шляху переносу е^- є альтернативний, стійкий до дії ціаніду.

Окислювальне фосфорилювання

Перенос е^- від НАДН до молекулярного кисню через ЕТЛ міт-й супроводжується втратою вільної Е. При цьому утворюється АТФ. Це було встановлено працями В. Енгельгарда, В. Беліцера (СРСР), Г. Калькара (США). Процес фосфорилювання АДФ з утворенням АТФ, спряжений з переносом  е^- по ЕТЛ мітохондрій, отримав назву окислювального фосфорилювання.

Хеміосмотична теорія

Потік е^- через систему молекул-переносників супроводжується транспортом іонів Н⁺ через внутр-і мембрани мітохондрій. В результаті на мембрані створюється електрохімічний потенціал іонів Н⁺, який включає осмотичний (хімічний) і електричний градієнти (мембранний потенціал). Електрохімічний трансмембранний потенціал іонів Н⁺ і виступає джерелом енергії для синтезу АТФ за рахунок зворотного транспорту іонів Н⁺ через протонний канал мембранної Н⁺-АТФази.

Теорія Мітчела виходить із того, що переносники перешнуровують мембрану, чергуючись таким чином, що в одну сторону можливий перенос е^- і Н⁺, а у зворотну - лише е^-. В результаті іони Н⁺ накопичуються на одній стороні мембрани. Створений таким чином запас Е використовується для синтезу АТФ  як результат розрядки мембрани при зворотному (по градієнту концентрації) транспорті протонів через АТФазу, яка працює в даному випадку як АТФ-синтетаза.

Спряження дифузії протонів із синтезом АТФ здійснюється за допомогою АТФазного комплексу, який називається фактором спряження F₁.

F₁- водорозчинний білок, який складається з дев’яти субодиниць. Білок F₁ є АТФ-азою і пов'язаний з мембраною через інший білковий комплекс F₀, який перешнуровує мембрану.  F₀ не має каталітичної активності і служить каналом для транспорту іонів Н⁺ через мембрану до F₁.

За останні роки хеміосмотична гіпотеза Мітчелла отримала цілий ряд експериментальних підтверджень.

Різноманітність шляхів переносу е^- і Н⁺.

Завершальний етап багатьох процесів окислення полягає в переносі е^- на кисень. Він каталізується термінальними оксидазами. Оксидазні системи такого роду локалізовані в мітохондріях, в ЕР, плазмалемі, цитоплазмі.

Головна редокс-система клітини – дихальний ланцюг внутрішньої мембрани мітохондрій. Її термінальні оксидази – цитохромоксидаза й альтернативна оксидаза.

В цитоплазмі функціонують 3 редокс-системи. Їх термінальні оксидази: аскорбатоксидаза; поліфенолоксидаза, флавопротеїнові оксидази, котрі окислюють різні субстрати.

В мембранах ЕР локалізовано два редокс-ланцюги. В одному з них при окислені НАДН з участю флавопротеїнів і цит. в₅ відбувається оксигеназна реакція, що приводить до утворення ненасичених зв’язків у жирних кислот. У другому субстратом виступає НАДФН, а завершує ланцюг цит. Р-450, який, використовуючи кисень, гідроксилює багато різних сполук.

Кінцеві оксидази мають різні характеристики і по-різному реагують на зміну умов у клітині.

Субстрати дихання і дихальний коефіцієнт.

В якості головного субстрату дихання рослини використовують вуглеводи, і в першу чергу - вільні цукри. Коли їх немає в достатній кількості, субстратом окислення можуть бути запасні полімерні речовини.

Функцію запасних вуглеводів виконують крохмаль (картопля, злаки), інулін (жоржини, топінамбур), геміцелюлози. Деякі рослини окислюють багатоатомні спирти: сорбіт (груша), манніт (заразиха, маслини, ясен); орг. к-ти.

Запасні жири використовуються на дихання проростків, які розвиваються з насіння, багате на жири. Використання жирів починається з їх розщеплення ліпазою на гліцерин і жирні кислоти (сферосоми). Далі гліцерин перетворюється на ФГА. Жирні кислоти окислюються по механізму b-окислення, в результаті якого послідовно відщеплюються двовуглецеві залишки у формі ацетил-СоА. Цей процес відбувається в гліоксисомах. Далі ацетил-СоА включається в гліоксилатний цикл, із кінцевого продукту якого – сукцинату –у мітохондріях синтезується малат, який у цитозолі перетворюється в оксалоацетат і далі у ФЕП.

ФЕП – вихідний матеріал для синтезу глюкози, фруктози.

Процес утворення глюкози з не вуглеводних попередників називається глюконеогенезом. У цьому процесі взаємодіють сферосоми, гліоксисоми, мітохондрії, пластиди і ферментні системи цитозоля.

Запасні білки використовуються для дихання після гідролізу до амінокислот  і подальшої окислювальної деградації до ацетил-СоА, або кетокислот, які поступають потім у цикл Кребса.

При окисленні всіх субстратів виділяється Е:

-       при гідролізі біополімерів виділяється 1 % Е цукрів;

-       гліколіз  дає  20 % Е цукрів;

-       цикл Кребса та ЕТЛ ® 80 % Е цукрів;

-       при цьому в АТФ запасається лише до 55% Е цукрів.

Відношення кількості молей виділеного при диханні СО₂ до кількості молей поглинутого О₂ називається дихальним коефіцієнтом (ДК).

Кількість кисню, необхідного для окислення субстрату в процесі дихання знаходиться в оберненій залежності від його вмісту в молекулі субстрату: чим менша к-ть О₂ в молекулі субстрату, тим більше його тратиться на окислення. Для гексоз ДК =1; для жирних кислот < 1; для органічних кислот > 1 (»3-4).

Величина ДК визначається як кількістю О₂, що міститься в субстраті, так і постачанням киснем рослинних тканин.

При нестачі О₂ посилюється бродіння і ДК  зростає. В цілому величина ДК відображає особливості процесу дихання даної тканини, органу при певних зовнішніх умовах.

·                  Регуляція процесів дихання

Ендогенні механізми регуляції дихання у рослин

Регуляція процесів дихання здійснюється на різних рівнях.

Це субстратний контроль дихання (доступність, кількість і склад дихальних субстратів); регуляція активності ферментів (оксидоредуктаз); взаємозв’язок різних ланок дихання (дихальних циклів, ЕТЛ мітохондрій, оксидоредуктаз мітохондрій, цитоплазми й інших органоїдів); зміна фізико-хімічних умов у клітині, дія гормонів, геномний контроль і т.д.

Ефект Пастера

Рівень О₂ в тканинах впливає на інтенсивність дихання і на величину витрати дихальних субстратів на синтетичні процеси.

Гальмування розкладу цукрів і більш ефективне їх використання в присутності кисню називають ефектом Пастера.

В присутності О₂ всі цикли (і синтетичні) працюють. А збільшення к-ті АТФ в результаті дихання ще більше сприяє синтезу.

Дихальний контроль

В рослинному організмі існує механізм дихального контролю (акцепторний механізм дихання). Дихальним контролем називають залежність швидкості споживання кисню мітохондріями від концентрації АДФ.

Залежність інтенсивності дихального процесу (ІД) від відношення діючих мас АТФ-системи можна записати так :

  , причому, конц. АДФ є обмежуючим фактором.

При зростанні функціональної активності клітин АТФ витрачається, а АДФ збільшується, а це у свою чергу приводить до зростання швидкості дихання, переносу е^- і збільшення інтенсивності окисного фосфорилювання.

Регуляція гліколізу.

Інтенсивність гліколізу контролюється на декількох ділянках.

Захоплення глюкози в процес регулюється на рівні ферменту гексокінази по типу зворотного зв'язку: надлишок продукту реакції (глюкозо-6-фосфату) аллостерично пригнічує діяльність ферменту.

Інші ділянки регуляції швидкості гліколізу знаходяться на рівні фосфофруктокінази, піруваткінази та піруватдегідрогеназного комплексу.

Регуляція циклу Кребса (ЦТК).

Використання клітинного ацетил-СоА залежить від енергетичного стану клітини. При малій енергетичній потребі ц. Кр.  гальмується й ацетил-СоА більше використовується на синтетичні процеси. Особливістю регуляції ЦТК є залежність всіх чотирьох дегідрогеназ від співвідношення [НАДН]/ [НАД⁺]. Крім того вони гальмуються чи активуються багатьма метаболітами циклу.

Регулюючу роль може відігравати альтернативний шлях транспорту е^- в мітохондріях.

Екологічні та онтогенетичні аспекти дихання

Вплив факторів зовнішнього середовища

Концентрація кисню. Процес дихання пов'язаний із споживанням кисню. Однак зниження парціального тиску кисню з 21% до 9% змінювала інтенсивність дихання незначно. Очевидно, у процесі еволюції дихальні системи рослин формувалися в низько кисневих умовах. Крім того, це дає можливість рослинам володіти широкою адаптацією до низьких конц. О₂ (елемент надійності). Це важливо, бо газовий склад всередині тканин сильно відрізняється від атмосферного. Вміст О₂ в паренхімі на протязі доби може коливатися від 7 до 17%.

Диоксид вуглецю. Підвищення конц. СО₂, як кінцевого продукту дихання, приводить до зниження інтенсивності дихання. Гальмуються реакції декарбоксилювання й активність сукцинатдегідрогенази, зменшується ДК. При цьому спостерігається закислення тканин – ацидоз, що приводить до шкідливих наслідків. Збільшення конц. СО₂ викликає закривання продихів, тормозіння проростання насіння.

Температура. Дихання, як ферментативний процес, залежить від температури. В інтервалі температур від 0⁰С до 20⁰С Q₁₀ дихання ≈ 2-3. При вищих темп.  Q₁₀ понижується. Одна з причин – зниження розчинності О₂ в рідинах при зростанні температури.

Дихання у зимуючих рослин спостерігається при дуже низьких температурах  (-20⁰С ¸ -25⁰С). Температурний оптимум для видів помірних широт лежить у межах 35-40⁰С. Максимальні температури (45 ¸ 55⁰С) визначаються здатністю білків до денатурації.

Водний режим. Зміна оводненості тканин рослин відбивається на інтенсивності дихання. Швидка тимчасова втрата води посилює дихання - реакція на подразнення. Тривалий водний дефіцит викликає поступове зниження дихання, причому це відбувається повільніше, чим падіння інтенсивності фотосинтезу.

Дихання повітряно-сухого насіння (10-11% Н₂О) дуже незначне. При зростанні вологості насіння до 15% дихання зростає у 4-5 раз, а при дальшому зростанні оводненості до 35% дихання збільшується в 1000 раз і більше.

Різке зростання дихання при набряканні насіння супроводжується виділенням тепла, що може привести до перегріву (”самозгорання”) при зберіганні.

Зміна інтенсивності дихання при втраті води залежить також від віку та фізіологічного стану рослини.

Мінеральні речовини. Розчин солей звичайно посилює дихання коренів проростків - ефект “сольового дихання”. Вважається, що дія солей на дихання побічна. Деякі катіони металів (магній, калій) підвищують активність окисних ферментів, а їх недостача зменшує дихання. Катіони важких металів пригнічують дихання.

 Світло. Дію світла на дихання зелених органів рослин вивчено недостатньо. Освітленість, при якій інтенсивність фотосинтезу = інтенсивності дихання називають компенсаційним пунктом. Дихання не припиняється на світлі, в нормі його інтенсивність і розпад орг. речовин повинні бути значно меншими за інтенсивність фотосинтезу.

   Дихання (поглинання кисню і виділення вуглекислого газу) незелених тканин активізується світлом короткохвильової частини спектру – ультрафіолетом (380 нм), синіми й зеленими променями (400-500 нм)

Пошкодження. Механічні впливи викликають короткочасне посилення поглинання кисню. При цьому натискання і згинання впливають мало, а зрізання й порізи - дуже сильно. В останньому випадку різні субстрати з'єднуються з оксидазами, а також активізуються процеси відновлення.

Зміна інтенсивності дихання в онтогенезі

Молоді органи й тканини рослин, які знаходяться в стані активного росту, мають найвищу інтенсивність дихання. Поки молодий листок росте й розвивається, інтенсивність дихання зростає. Потім дихання знижується до рівня половини максимального і лише перед пожовтінням спостерігається короткочасний підйом.