VII. Дихання рослин

У живому організмі поряд із процесами асиміляції відбуваються процеси дисиміляції, тобто розщеплення речовин, яке супроводжується вивільненням зв’язаної енергії. Первинна органічна речовина, синтезована у процесі фотосинтезу, стає потенційним джерелом енергії, за допомогою якої здійснюються усі життєво важливі функції рослинного організму.

7.1. Загальна характеристика дихання як фізіологічного процесу

і його значення у житті рослини

Дихання можна визначити як розпад метаболітів через гліколітичний і (або) окислювальний пентозофосфатний шлях з наступним окисленням продуктів у циклі трикарбонових кислот та використання відновлених піридиннуклеотидів для синтезу АТР у процесі окислювального фосфорилювання. Дихання – це контрольоване розщеплення або окислення молекул органічної речовини.

У більшості випадків основним джерелом енергії і відновлюючої сили для метаболічної активності рослин є вуглеводи. Проміжні сполуки, які утворюються під час окислення, використовуються як вихідний матеріал для ряду синтетичних реакцій. Відщеплені у процесі окислення органічної речовини електрони використовуються для відновлення НАДФ, а потім надходять до електронтранспортного ланцюга, поступово передаються по системі цитохромів а, в, і с, де на кожному новому етапі переходять на все більш низький енергетичний рівень і нарешті приєднуються до кисню, який при цьому окислюється до води.

Субстратами дихання у вищих рослин можуть бути білки, амінокислоти, ліпіди.

Виділена енергія використовується рослиною для утворення складних органічних речовин у процесах метаболізму. Саме дихання є джерелом енергії для росту рослин, різних синтетичних реакцій, поглинання елементів мінерального живлення, транспорту асимілятів. Значення дихання полягає у тому, що цей складний окисно-відновний процес є джерелом енергії і лабільних сполук, необхідних для процесів життєдіяльності рослинного організму. Тобто, завдяки диханню відбувається перетворення синтезованих у процесі фотосинтезу органічних сполук і використання їх для побудови тіла рослин.

Дисиміляція вуглеводів

Головним субстратом дихання є вуглеводи. У тканинах рослин під час фотосинтезу утворюються не лише прості цукри типу глюкози, але й більш складні вуглеводи: сахароза, крохмаль, клітковина. Вуглеводи – це дуже рухомі сполуки, які здатні до взаємних перетворень.

На перших етапах розщеплення цукрів відбувається без участі кисню. Якщо дихальним субстратом є глюкоза, то першою стадією її перетворення буде реакція фосфорилювання під дією ферменту гексокінази за участю АТР. При цьому утворюється глюкозо-6-фосфат:

Якщо ж дихальним субстратом слугує крохмаль, то він спочатку піддається гідролізу (деполімеризації) до простих цукрів, потім перетворюються у глюкозо-1-фосфат, який ізомеризується до глюкозо-6-фосфату.

Деполімеризації, тобто розщепленню, піддаються також білки та жири (рис. 50). Основні форми дисиміляції – це дихання і бродіння.

Розщеплення вуглеводів при диханні включає два послідовні процеси:

1. Анаеробне окислення цукрів за участю оксидоредуктаз, коферменти яких є акцепторами водню:

2. Поступове окислення зв’язаного з коферментами водню до води:

Рис. 50. Загальна схема процесу дихання

При анаеробному окисленні молекули глюкози утворюються дві молекули піровиноградної кислоти (ПВК), яка потім за наявності кисню (аеробне дихання) поступово окислюється у циклі Кребса до кінцевих неорганічних продуктів (вуглекислого газу і води) з виділенням великої кількості енергії:

За відсутності кисню розпад піровиноградної кислоти неповний: виникають продукти неповного окислення (етиловий спирт, молочна кислота та ін.) і виділяється незначна кількість енергії.

Окисно-відновному перетворенню дихального субстрату нерідко передує попередня підготовка матеріалу. Суть такої підготовки полягає у активації молекули субстрату, унаслідок якої вона стає доступною для безпосередньої дії агентів окисно-відновної системи. Попередня підготовка субстрату вміщує такі категорії реакцій: а) утворення фосфорних ефірів; б) зміна внутрішньої структури молекули (ізомеризація); в) зміна довжини ланцюга (карбоксилювання, декарбоксилювання); г) перенесення різних груп (метильних, амінних, груп з макроергічними фосфатними зв’язками).

Генерація енергії

Розщеплення органічної речовини супроводжується виділенням енергії. Найбільша кількість енергії утворюється при повному окисленні органічного матеріалу до бідних на енергію неорганічних сполук (СО₂ і Н₂О). Перетворення органічної речовини при бродінні завершується накопиченням продуктів неповного окислення, які багаті енергією (етиловий спирт, молочна кислота та ін.), і тому вихід вільної енергії при цьому невеликий.

Енергія, яка вивільнюється, частково перетворюється у теплову і йде на нагрівання або розсіюється. Проте близько половини трансформується у процесі окислювального фосфорилювання й акумулюється у макроергічних зв’язках (АТР, НАДР_*Н₂, ФАД_*Н₂), яка потім використовується клітиною в реакціях метаболізму.

Біологія процесів дисиміляції

Зовнішнім проявом процесу дихання є газообмін між організмом і середовищем, можлива також і зміна температурних параметрів.

Дихання належить до характерних і невід’ємних ознак живого організму. Воно властиве кожному органу, тканині, клітині протягом усього їхнього життя. У зв’язку з цим проблемі дихання належить центральне місце у розвитку знань і досліджень фізіології організму. Такі дослідження мали значні успіхи при вивченні фізіології тварин і мали велике значення при розробці загальнотеоретичного уявлення про дихання. У його основі лежать роботи Лавуазьє про хімічну природу процесу горіння і дихання тварин, Інгенгауза і Соссюра про газообмін у зелених рослин в умовах різного освітлення. Починаючи з 20-х р. ХХ ст., досягнення у пізнанні механізмів дихання пов’язані з іменами Д.Кейліна, Г.Ембдена, О.Мейєргофа, Х.Кребса, А.Сент-Дьєрді, В.Христіана, Д.Гріна та багатьох інших дослідників. Значним є внесок російських та вітчизняних учених І.П.Бородіна, О.М.Баха, С.П.Костичева, В.І.Палладіна, які сприяли формуванню уявлення про хімічну природу дихання не лише рослин, а взагалі усіх організмів.

Згідно із сучасними уявленими, кисневе дихання виникло лише після появи кисню у навколоземній атмосфері.

Перехід від анаеробного процесу до аеробного дозволив організмам більш повно та ефективно використовувати енергію окислюваного продукту.

Можливість такого переходу була пов’язана з виникненням у процесі еволюції ферментних систем, які забезпечують поступове окислення органічної речовини з вивільненням накопиченої у ній енергії.

Теорія біологічного окислення і відновлення

Те, що перетворення органічної речовини у живому організмі супроводжується, з одного боку, поглинанням О₂, а з другого – виділенням СО₂, довгий час було підставою для порівняння цього процесу з горінням. Водночас здійснення перетворення органічних сполук у тілі організму за звичайних температур в умовах водного середовища (у складі тканин близько 70-90% води) свідчить про наявність у живих системах особливих механізмів, які стимулюють цей процес.

У 1845 р. швейцарський хімік Х.Ф.Шейнбайн запропонував теорію окислювальних процесів, згідно з якою рослинні клітини вміщують сполуки, що здатні легко окислюватися за навності О₂ і тим самим активувати молекулярний кисень. Але він помилково вважав, що активація кисню відбувається шляхом утворення озону.

Продовжені О.М. Бахом дослідження у цьому напрямі дали можливість створити у 1897 р. теорію біологічного окислення, яка отримала назву перекисної теорії Баха. Її суть полягає в тому, що молекулярний кисень повітря (О == О) після взаємодії з ненасиченими органічними сполуками активується: (— О — О —). Цей активований кисень сполучається з окислювальною речовиною (А), утворюючи перекис (АО₂). Такий перекис взаємодіє з другою сполукою (В) і окислює її спочатку одним атомом кисню. Реакція може повторюватися, і тоді другий атом кисню окислить другу молекулу речовини В. Схема цього процесу така:

Вихідна речовина – акцептор кисню (А) – повністю відновлюється, а субстрат окислюється.

На сьогодні відомо, що шлях включення кисню в органічну сполуку, згідно з перекисною теорією біологічного окислення Баха, не має відношення до дихання, але ця теорія відіграла значну роль у сучасному розумінні механізмів активації кисню. Визначенню ролі кисню при окисленні субстрату сприяли дослідження німецького біохіміка О.І.Варбурга та англійського І.Д.Кейлі, які у 20-х р. встановили наявність зв’язку між поглинанням кисню і функціонуванням цитохромної системи.

Ще О.М. Бах, поряд із перекисною теорією, висловив і другу гіпотезу, згідно з якою біологічне окислення може здійснюватися шляхом відщеплення від субстрату попередньо активованого водню. У такому випадку роль кисню полягає в регенерації первинного акцептора водню – хінону. Послідовність цих реакцій така (рис 51):

Рис. 51. Регенерація акцептора водню – хінону.

Окислення гідрохінону забезпечується оксидазами, які активують молекулярний кисень.

Ця гіпотеза постулює наявність у клітині специфічних сполук (хінонів і хіноноподібних речовин), які виконують роль переносників водню дихального субстрату. Вона отримала подальший розвиток у теорії хімізму дихання В.І Палладіна (1912), який припустив наявність специфічних посередників дихання і назвав їх дихальними хромогенами. Віддаючи водень, хромоген окислюється і перетворюється у пігмент, який здатний до зворотного відновлення за рахунок водню субстрату. В.І.Палладін уявляв процес дихання з двох етапів – анаеробного та аеробного:

де, R – забарвлений дихальний пігмент, здатний віднімати водень від субстрату; RН₂ – безбарвний дихальний хромоген.

За В.І. Палладіним, дихальний субстрат окислюється за участю води, яка виконує роль донора водню для відновлення дихального пігменту до хромогена. У процесі відновлення пігменту бере участь і водень субстрату, що окислюється. Кисень води йде на окислення вуглецю субстрату. Отже, вуглекислий газ дихання утворюється анаеробним шляхом. Кисень, який поглинається під час дихання, згідно з теорією В. Палладіна, використовується на окислення хромогенів до пігментів. Роботи О.А.Курсанова і Б.Б.Вартапетяна довели, що поглинутий кисень йде на утворення води.

Згідно із сучасними уявленями, дихання, як окисно-відновний процес, здійснюється такими шляхами:

1) безпосереднє відщеплення водню від субстрату (на прикладі реакції окислення гідрохінону):

2) втрата електрона, тобто збільшення позитивного заряду:

3) безпосереднє приєднання кисню до субстрату, який окислюється:

4) попередня гідратація речовини, яка окислюється, з наступною втратою електрона:

Вказані шляхи окислення взаємопов’язані. При цьому в усіх випадках у основі окислення лежить втрата електрона, яка звичайно поєднується з одночасною втратою іонів водню. У біологічних системах окислення будь-якої речовини обов’язково пов’язане з відновленням якоїсь іншої сполуки. Універсальним окислювачем у живій клітині є кисень, а роль донора належить молекулам різних органічних речовин. Сполучення окислювальних і відновних реакцій забезпечується наявністю окисно-відновних ланцюгів, які складаються з компонентів, здатних до зворотного окислення та відновлення і які виконують функції донорів і акцепторів електронів. Ланками такого ланцюга є специфічні ферментативні системи, що забезпечують послідовне ступінчасте просування електронів у порядку зростання окисних потенціалів.

Сучасні уявлення про механізм окислення і відновлення

Під хімічним окисленням розуміють віддачу електронів (наприклад,

), під відновленням – прийняття електрона (наприклад,

).

Біологічне окислення органічної речовини відрізняється від хімічного окислення за низкою ознак: 1) біологічне окислення каталізують ферменти; 2) біологічне окислення є системою взаємопов’язаних реакцій; 3) звільнення енергії відбувається при окисленні водню до води, а не вуглецю до СО₂. Процес виділення вуглекислого газу з карбоксильних груп каталізують декарбоксилази. Окислення субстрату супроводжується відщепленням водню парами з одночасною втратою електронів (2Н⁺ + 2е^¾), наприклад:

Бурштинова кислота Фумарова кислота

Якщо ж у групі, яка піддається окисленню, нема атомів водню, то спочатку відбувається гідрування, а потім відщеплення атомів водню. Наприклад:

Оцтовий Оцтова

альдегід кислота

Система, яка має високий позитивний потенціал і взаємодіє із системою з меншим потенціалом, є окислювачем. У цьому випадку система з меншим позитивним потенціалом буде відновлювачем. Будь-яка окисно-відновна система, залежно від співвідношення величини її власного потенціалу з потенціалом системи, з якою вона вступає у взаємодію, може функціонувати як окислювач або відновлювач.

У рослинній клітині роль системи з максимальною величиною позитивного потенціалу належить кисню – універсальному окислювачу. Молекулярний кисень досить інертний і набуває здатності до окислення лише після попереднього активування за участю специфічних ферментів – оксидаз.

Водень окислювального субстрату також повинен перебувати в активованому стані, який забезпечують специфічні ферменти – дегідрогенази.

Донорами електронів є молекули різних органічних сполук. Передача електронів на кисень здійснюється не безпосередньо, а складним шляхом через ряд окислювально-відновних систем, які розташовані у порядку зростання окисних потенціалів і утворюють електронтранспортний ланцюг (ЕТЛ).

7.1.6. Термінальні оксидази

Термінальні оксидази – це група ферментів, які каталізують перенесення електронів або водню безпосередньо на кисень. Тому їх ще називають аеробними дегідрогеназами. До оксидаз належать цитохромоксидази, поліфенолоксидази, пероксидази, каталази та інші ферменти. За будовою це двокомпонентні ферменти, до складу простетичної групи яких входять атоми заліза або міді.

Залізопротеїди (Fе-протеїди) – це двокомпонентні каталітичні сполуки, простетичною групою яких є Fе-порфірин. Залізо ферменту сполучається з киснем, утворюючи оксиди:

.

Окислена сполука XFeO₂ передає свій кисень субстрату дихання:

.

Відновлене залізо знову здатне виконувати роль акцептора.

Цитохромоксидази разом із цитохромом утворюють цитохромну систему. Включаючись у певній послідовності у процес перенесення електронів, система забезпечує передачу їх на молекулярний кисень. Каталітична роль системи полягає у здатності заліза окислюватися і відновлюватися шляхом приєднання і відщеплення електрона.

Цитохроми а, b, с і d виконують роль переносників електронів, а цитохромоксидаза є останньою ланкою, яка сприяє перенесенню останніх на кисень.

Інгібування активності цитохромоксидази отрутами, наприклад ціанідом, викликає зниження дихання на 90%. Це вказує на значну роль цитохромної системи у процесі дихання.

Каталаза і пероксидаза за допомогою Н₂О₂ каталізують дегідрування субстратів поза мітохондріями. Залізо, що входить до складу молекул пероксидази і каталази, забезпечує утворення проміжних перекисних сполук, але при цьому не змінює свою валентність. Каталаза каталізує реакцію розщеплення перекису водню на воду і молекулярний кисень:

На відміну від каталази, пероксидаза розкладає перекис водню з вивільненням активного атомарного кисню:

Поліфенолоксидаза каталізує перенесення електронів і протонів від фенолів на молекулярний кисень:

Окислення фенолів та їхніх похідних у наявності молекулярного кисню можна часто спостерігати на пошкоджених тканинах - потемніння зрізів картоплі, фруктів, грибів. Поліфеноли є, по суті, однією з форм дихальних хромогенів, які постулюються згідно з теорією В.Палладіна. В окисленому стані вони відіграють роль акцептора водню (електронів).

Аскорбатоксидаза каталізує окислення аскорбінової кислоти до дегідроаскорбінової і має чітку специфічність. Окислена аскорбінова кислота здатна приєднувати водень, який переносять до неї дегідрогенази.

Оксигенази. Оксигенази активують молекулярний кисень, роблять його здатним безпосередньо приєднуватися до органічних сполук. Ці ферменти каталізують пряме приєднання кисню до молекули дихального субстрату з утворенням органічних перекисів.

Пряме включення кисню у молекулу органічної речовини – один із поширених механізмів біологічного окислення. Воно відіграє важливу роль у метаболізмі ароматичних сполук. Саме за допомогою оксидаз молекулярний кисень використовується для розриву ароматичного кільця.

Цитохроми. Цитохроми – це двокомпонентні ферменти, які складаються зі специфічного білка і простетичної групи, близької за хімічною структурою до геміну. Вони дуже поширені у природі. Система цитохромів складається з чотирьох головних груп: цитохроми груп а, b, c і d. Між собою ці групи відрізняються природою гему.

Залізо цитохромів здатне до зворотного окислення і відновлення, віддаючи або приєднуючи електрон. У електронтранспортному ланцюзі цитохроми розміщені у певній послідовності й можуть передавати електрони один одному:

Спроможність передавати електрони безпосередньо кисню у цій системі належить лише цитохромоксидазі (цитохром а₃).

Залізопорфіринове ядро простетичної групи цитохромоксидази має будову, подібну до порфіринового ядра хлорофілу і барвної речовини крові – гемоглобіну. Механізм каталітичної функції цитохромоксидази полягає у зворотній зміні валентності заліза, яке знаходиться у складі простетичної групи. Цитохромоксидази легко окислюються молекулярним киснем. Вони є активним учасником електронтранспортного ланцюга дихання, фотосинтезу і хемосинтезу. На рис. 52 показано розміщення цитохромів у ланцюзі перенесення електронів.

Рис. 52. Участь цитохромів у електронтранспортному ланцюзі дихання;

Фс – флавінова сукцинатдегідрогеназа; Фд - флавінова НАД^.Н – дегідрогеназа.

7.1.7. Дегідрогенази

Дегідрогенази активують атоми водню субстрату, надаючи їм здатність переходити на відповідні акцептори. Процес активування і відщеплення водню від субстрату називається дегідруванням. Реакція дегідрування лежить у основі низки процесів біологічного окислення.

Для проявлення активності більшість дегідрогеназ потребують наявності коферментів. Усі дегідрогенази – це двокомпонентні ферменти, які мають високий ступінь специфічності відносно до субстрату. Залежно від типу акцепторів водню, дегідрогенази класифікують на дві основні групи. До першої належать дегідрогенази, які здатні передавати активований водень безпосередньо на кисень. Ця група ферментів називається аеробними дегідрогеназами. Другу групу ферментів складають ті, котрі передають водень певному проміжному переноснику, це - група анаеробних дегідрогеназ. Вона більш чисельна, ніж перша, і поділяється на дві підгрупи: а) дегідрогенази однієї підгрупи передають водень акцептору, який входить до складу цитохромної системи; б) дегідрогенази другої підгрупи віддають водень коферментам піридиннуклеотидів.

Коферментами піридинових дегідрогеназ є НАД або НАДР, структура у яких подібна, а різниця зумовлена наявністю залишків фосфорної кислоти (у першій їх два, у другої – два або три). Дія піридинових дегідрогеназ забезпечується здатністю до зворотного дегідрування.

Звичайно дегідруванню передує гідратація субстрату (приєднання води) або фосфорилювання.

Флавінові дегідрогенази – це аеробні дегідрогенази, які передають водень від субстрату на кисень повітря або оксидазам – поліфенолоксидазній і цитохромній системам.

Специфічні флавопротеїди (нітратредуктази) передають електрони від НАДР×Н₂ на нітрат, який при цьому відновлюється до нітриту (і далі – до аміаку).

7.1.8. Структура дихального ланцюга

Основними органоїдами дихання у клітині прийнято вважати мітохондрії. Саме в них зосереджена велика кількість ферментів, які каталізують окисно-відновні процеси дихання. Мітохондрії, як і хлоропласти, мають мембранну структуру. На мембранах мітохондрій знаходяться ферментні системи, які забезпечують спряженість процесів окислення речовин і виділення енергії з процесами трансформації її в енергію макроергічних зв’язків. Такі мембрани з ферментами переносу електронів і сполученого з ним фосфорилювання називають спряженими. У них енергія, яка вивільнилася при окисленні субстрату, за допомогою окисно-відновних ферментів акумулюється шляхом фосфорилювання в молекулах АТР. Уся поверхня внутрішньої мітохондріальної мембрани вкрита мікросферами, кожна з яких має 15–20 різних видів електронних носіїв, об’єднаних для забезпечення необхідного переносу електронів. Одна мітохондрія може мати близько 100 тисяч таких мікросфер. Звичайно ці мікросфери, які називають дихальними ланцюжками, вміщують набір різних молекул. Серед них найбільш відомі флавіни та геми.

Багатоступінчастий дихальний ланцюг забезпечує розподіл великої порції енергії на менші, які біологічно легко реалізуються. Таке подрібнення енергії вкрай важливе тому, що жива клітина використовує енергію тим ефективніше і з тим більшим коефіцієнтом корисної дії, чим менше відрізняються дві поряд розташовані системи своїми потенціалами і, отже, чим менша кількість енергії виділяється під час переходу від однієї системи до другої. Крім того, це запобігає можливості одночасного виділення великої кількості тепла, що було б згубним для протоплазми. Енергія може бути використаною не лише для синтезу АТР, але й безпосередньо для ендергонічних функцій мітохондрій (зворотний транспорт електронів, активний транспорт іонів, конформаційні зміни мітохондрій та ін.).

7.1.9. Макроергічні сполуки

Усі процеси розпаду речовин у живій клітині можна умовно поділити на три основні фази. У першій фазі відбувається розпад великих молекул органічних сполук на менші. Так, складні вуглеводи розпадаються на більш прості, наприклад, цукор – на глюкозу і фруктозу; білок – на амінокислоти; жири – на гліцерин і жирні кислоти. При такому розщепленні виділяється незначна кількість енергії, яка не перевищує, як правило, одного відсотка потенційної хімічної енергії цих сполук. У другій фазі порівняно невеликі молекули вуглеводів, амінокислот, ряду жирних кислот і гліцерину окислюються з утворенням трьох основних сполук: ацетил-коферменту А, a-кетоглутарової і щавлевооцтової кислот. Серед цих сполук найбільше значення має ацетил-кофермент А, або активований ацетат, який є сполукою коферменту-А із залишком оцтової кислоти: СН₃ ~С ~ S-К₀А.. Він утворюється із гексоз, гліцерину, деяких амінокислот і жирних кислот. Всі три продукти цієї фази тісно пов’язані між собою в процесі обміну речовин і надалі через цикл ди- і трикарбонових кислот (цикл Кребса) окиснюються до СО₂ і Н₂О під час третьої фази окиснення.

Тепло, що виділяється у другій і третій фазах окиснення, розподіляється таким чином: у другій фазі – близько третини, у третій – близько двох третин від загальної кількості енергії органічних сполук. 40-50% енергії, що вивільнюється у другій і третій фазах, розсіюється у формі тепла, а решта (50-60%) – накопичується організмом і використовується у наступних процесах біосинтезу.

Універсальним способом накопичення енергії дихання є синтез багатих на енергію сполук із макроергічними зв’язками, які позначають знаком ~Р. До таких сполук належить система АТР. Молекула АТР складається з азотистої основи аденіну, цукру рибози і трьох залишків фосфорної кислоти. Віддаючи один або два фосфорних залишки різним акцепторам, вона відповідно перетворюється в АДР і АМР. Фосфорні зв’язки молекули АТР мають нерівнозначний енергетичний рівень. Зв’язок фосфорної кислоти з рибозою становить близько 2–3 ккал. Два інші залишки фосфорної кислоти з’єднані макроергічними зв’язками, кожен з яких має запас енергії 8–10 ккал (рис.53).

Накопичена в АТР енергія може за допомогою специфічних каталізаторів переноситися на інші сполуки. Використання енергії АТР у процесах життєдіяльності організму можливе за умов постійного її новоутворення. Для синтезу АТР і АДР, як і для будь-якого іншого синтезу, необхідна енергія, джерелом якої є окисно-відновні перетворення дихального субстрату.

Рис. 53. Зв’язок фосфорної кислоти з рибозою.

Крім АТР і АДР, відомі й інші аналогічні макроергічні фосфатні сполуки: ГДР і ГТР (гуанозинди– і гуанозинтрифосфат), ЦДР і ЦТР (цитозинди- і цитозинтрифосфат), УДР і УТР (уридинди- і уридинтрифосфат). Усі ці нуклеозидфосфати беруть участь у процесах біосинтезу, що відбувається у рослинному організмі: АТР – у синтезі жирних кислот і білків, ЦТР – у синтезі фосфоліпідів, УТР – у синтезі глікогену, ГТР – у синтезі вуглеводів і білків. Але саме АТР поставляє усю енергію, необхідну для синтетичних процесів, оскільки при гліколізі, а також фотосинтетичному й окислювальному фосфорилюванні ніякі інші, окрім АТР, нуклеозидфосфати не утворюються. Від АТР енергія надходить до інших, “енергоємних” сполук.

Крім макроергічних сполук, енергія у живих клітинах також запасається у вигляді похідних коферменту А. Сам кофермент А належить до проміжних переносників водню і його молекула не має макроергічного зв’язку. Такий зв’язок є у молекулі ацетил-КоА.

Кофермент А у рослинному організмі розподілений нерівномірно. Його багато в мітохондріях і хлоропластах, найбільше міститься в зародках. КоА має високу каталітичну активність, яка зумовлена наявністю SН-групи (сульфогідрильної групи). У дихальному ланцюзі він знаходиться між цитохромами b і с. Основна функція КоА – утворення багатих на енергію сполук при взаємодії із залишками органічних кислот.

7.2. Гліколіз

На початку ХІХ ст. М.Соссюр зробив важливе спостереження: при вирощуванні в атмосфері без кисню зелені рослини виділяють СО₂. Подальше вивчення цього явища дало змогу Л.Пастеру встановити, що у анаеробних умовах рослини не тільки виділяють вуглекислий газ, але й накопичують спирт та інші продукти спиртового бродіння.

Фундаментальну роль у визначенні хімізму перетворення цукрів мало відкриття Л.О.Івановим явища анаеробного розщеплення не інертної молекули глюкози, а її фосфорного ефіру, який має високу реакційну здатність. Джерелом фосфорної кислоти є АТР. Перенесення залишку фосфорної кислоти на молекулу глюкози каталізує фермент гексокіназа (рис. 54). Подальше активування гексози відбувається шляхом ізомеризації: глюкозо-6-фосфат перетворюється у фрукотозо-6-фосфат. Процес ізомеризації проходить за участю фосфогексоізомерази. Наступний етап супроводжується приєднанням ще одного залишку фосфорної кислоти від молекули АТР – утворюється фруктозо-1,6-дифосфат за участю ферменту фосфогексокінази. Далі молекула фруктозо-1,6-дифосфату під дією ферменту альдолази розщеплюється на дві фосфотріози: фосфодіоксиацетон і 3-фосфогліцериновий альдегід. Це перша стадія гліколітичного розщеплення глюкози (гліколізу) – рисунок 54.

Рис. 54. Етапи гліколізу: 1 – гексокіназа; 2 – фосфогексоізомераза;

3 – фосфофруктокіназа; 4 – альдолаза; 5 – тріозофосфатізомераза; 6 – дегідрогеназа (SН-фермент); 7 – фосфогліцерокіназа; 8 – фосфогліцеромутаза; 9 – енолаза;

10 – піруваткіназа; 11 – фосфорилаза; 12 – фосфоглюкомутаза; Г-6-Ф - глюкозо-6-фосфат; Ф-6-Ф - фруктозо-6-фосфат; Ф-1,6-ДФ - фруктозо-1,6-дифосфат;

ФГА – фосфогліцериновий альдегід; ДОАФ – діоксиацетонфосфат; 1,3-ДФГК – 1,3-дифосфогліцеринова кислота; 3-ФГК – 3-фосфогліцеринова кислота; ФЕП –фосфоенолпіровиноградна кислота; ЕПВК – енолпіровиноградна кислота; ПВК – піровиноградна кислота.

Завдяки наявності в клітинах специфічного ферменту фосфотріозоізомерази відбувається перетворення фосфодіоксиацетону у фосфогліцериновий альдегід.

На наступній стадії гліколізу фосфогліцериновий альдегід через ряд реакцій перетворюється у фосфогліцеринову кислоту. Спочатку до фосфогліцеринового альдегіду приєднується ще один залишок фосфорної кислоти від АТР. Утворений 1,3-дифосфогліцериновий альдегід за допомогою специфічної дегідрогенази окислюється до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти. Енергія, яка вивільняється при цьому, спочатку зосереджується в одному із фосфатних зв’язків дифосфогліцеринової кислоти, а потім переноситься за участю трансфосфорилази на АДР і таким чином утворюється молекула АТР і молекула 3-фосфогліцеринової кислоти. Далі фермент фосфогліцеромутаза ізомеризує 3-фосфогліцеринову кислоту до 2-фосфогліцеринової, від якої потім під дією енолази відщеплюється молекула води. Ця реакція супроводжується перерозподілом енергії в молекулі, внаслідок чого утворюється фосфоенолпіровиноградна кислота, молекула якої має макроергічний зв’язок. Цей фосфат за участю піруваткінази передається на АДР (утворюється АТР), а енолпіровиноградна кислота внаслідок своєї нестійкості самовільно перетворюється у піровиноградну кислоту – кінцевий продукт гліколізу. Процес відбувається у цитоплазмі.

7.2.1. Енергетичний баланс гліколізу

Гліколіз – це перший з вивчених метаболічних процесів. Термін “метаболізм” походить з грецької мови і означає “зміна” або ж “акт розкидання”. Цим словом визначають сукупність хімічних процесів, які відбуваються у живих організмах.

При окисленні однієї молекули глюкози у процесі гліколізу виділяється дві пари електронів і 4 протони, утворюються дві молекули піровиноградної кислоти:

Перетворення піровиноградної кислоти під час першого і другого субстратного фосфорилювання супроводжується утворенням чотирьох молекул АТР. Але для активування глюкози на першій стадії були витрачені дві молекули АТР. Тому чистий вихід гліколітичного субстратного фосфорилювання становить дві молекули АТР.

На другій стадії гліколізу відновлюється по одній молекулі НАД_*Н₂ на кожну з двох молекул фосфотріоз. Окислення ж однієї молекули НАД_*Н₂ у електронтранспортному ланцюзі мітохондрій за наявності кисню сполучене із синтезом трьох молекул АТР. Отже, у розрахунку на одну молекулу глюкози синтезуються шість молекул АТР. Усього у процесі гліколізу утворюється вісім молекул АТР. Вільна енергія гідролізу однієї молекули АТР становить близько 42 кДж/моль (10 ккал). Тому повний енергетичний баланс гліколізу дорівнює 42 × 8 = 336 кДж/моль, або 80 ккал.

Регуляція гліколізу

Більшість реакцій гліколітичного перетворення глюкози каталізується зворотніми ферментами. Залучення глюкози у процес гліколізу регулюється ферментом гексокіназою за типом зворотного зв’язку: надлишок утвореного глюкозо-6-фосфату знижує активність ферменту. Друга ділянка регуляції швидкості гліколізу знаходиться на рівні фосфофруктокінази, яка каталізує фосфорилювання фруктозо-6-фосфату. Фермент інгібується високою концентрацією АТР.

Надлишок АТР також стримує активність піруваткінази, яка бере участь у перенесенні фосфату з високоенергетичним зв’язком від фосфоенолпірувату на АДР.

Цикл ди– і трикарбонових кислот

Кінцевий продукт гідролітичного розщеплення глюкози – піровиноградна кислота (СН₃СОСООН) – у аеробних умовах зазнає подальших перетворень і окислюється до вуглекислого газу і води у дихальному циклі Кребса (цикл ди- і трикарбонових кислот, або лимоннокислий цикл).

Суть цих перетворень полягає у послідовному ступінчастому декарбоксилюванні й дегідруванні піровиноградної кислоти. Це окислення, як встановив англійський біохімік Г. Кребс, супроводжується утворенням ди- і трикарбонових кислот і наступним їх окисленням до СО₂ за рахунок відщеплення водню (рис. 55).

Згідно з теорією окислення В. Палладіна, кисень води, яка бере участь у цих перетвореннях, використовується для окислення вуглецю піровиноградної кислоти, а водень разом із воднем ПВК за участі дегідрогеназ спрямовується до активованого оксидазами кисню повітря. Важливим компонентом циклу окислення є щавлевооцтова кислота, яка сприяє повному окисленню піровиноградної.

Безпосереднього окислення зазнає не сама піровиноградна кислота (ПВК), а її похідна – ацетил-коензим А (ацетил-СоА), який утворюється шляхом окислювального декарбоксилювання ПВК за участі коензиму А (СоА) і НАД⁺:

Подальше окислення ацетил-СоА відбувається у циклічному процесі. Ацетил-СоА конденсується з щавлевооцтовою кислотою і водою. При цьому утворюється лимонна кислота і два електрони, які починають свій шлях до кисню, регенерується молекула СоА. Лимонна кислота через послідовні перетворення (цис-аконітова, ізолимонна, щавлевобурштинова, a-кетоглутарова, сукциніл-СоА, бурштинова, фумарова і яблучна кислоти)

Рис. 55. Цикл ди– і трикарбонових кислот (цикл Кребса).

дає щавлевооцтову кислоту (регенерація) і завершує цикл. Цей цикл вміщує 13 основних реакцій, у п’яти з яких вивільнюється енергія і фіксується у вигляді пірофосфатних зв’язків аденозинтрифосфату (АТР). Це такі окисно-відновні реакції: утворення ацетил-СоА, окислення лимонної кислоти та ізолимонної кислоти через цис-аконітову до щавлевобурштинової кислоти; a-кетоглутарової – до сукциніл СоА, бурштинової – до фумарової, яблучної – до щавлевооцтової.

Усі реакції циклу можна поділити на три етапи:

1. Декарбоксилювання піровиноградної кислоти й активування з утворенням ацетил-коензиму А.

2. Окислення піровиноградної кислоти.

3. Регенерація щавлевооцтової кислоти.

З кожним обертом циклу зникає одна молекула піровиноградної кислоти, від різних компонентів циклу відщеплюються три молекули СО₂ і п’ять пар атомів водню (електронів), включаються три молекули води. Через систему переносників електрони взаємодіють із системою цитохромів або інших оксидаз (наприклад, поліфенолоксидази) і зрештою з киснем. Енергія електронів використовується на утворення 12 молекул АТР. Відтворена щавлевооцтова кислота знову вступає у ланцюг названих вище процесів.

Рослина постійно містить майже усі органічні кислоти, які входять до циклу ди- і трикарбонових кислот, а також усі ферментні системи, що беруть участь у перетворенні цих сполук. Місцем локалізації ферментів слугує матрикс мірохондрій. У ньому ж знаходяться і ферменти окислення жирних кислот та інші.

Особливість регуляції циклу Кребса полягає у залежності активності дегідрогеназ від співвідношення НАД×Н₂ і НАД⁺. При високих концентраціях АТР активність дихального ланцюга знижується, і окислення субстрату відбувається альтернативним шляхом без утворення АТР, з низьким рівнем співвідношення

Модифікацією циклу Кребса є гліоксилатний шлях окислення органічних сполук.

Гліоксилатний цикл

Гліоксилатний цикл локалізований не у мітохондріях, як цикл Кребса, а у спеціалізованих мікротілах-гліоксисомах. На відміну від циклу Кребса, у гліоксилатному циклі бере участь не одна, а дві молекули ацетил-СоА. При цьому ацетил-СоА використовується не для окислення, а для синтезу бурштинової кислоти (рис. 56).

Рис. 56. Гліоксилатний цикл.

З щавлевооцтової кислоти і ацетил-СоА синтезується лимонна кислота, потім утворюються цис-аконітова та ізолимонна, як і у циклі Кребса.

Потім ізолимонна кислота за участі ферменту ізоцитратліази розпадається на гліоксилеву і бурштинову кислоти. Гліоксилева кислота під дією малатсинтетази взаємодіє з другою молекулою ацетил-СоА, що призводить до утворення яблучної кислоти, яка потім перетворюється у фосфоенолпіровиноградну кислоту, а остання – у вуглеводи.

Цей цикл активно функціонує у проростаючому насінні олійних рослин та інших органах, де запасні жири перетворюються у цукри.

Гліоксилатний цикл дає можливість використання запасних жирів, унаслідок розпаду яких утворюються молекули ацетил-СоА. Крім того, на кожні дві молекули ацетил-СоА у гліоксилатному циклі відновлюється одна молекула НАД×Н₂, енергія якої може бути використана на синтез АТР у мітохондріях або в інших процесах.

Пентозофосфатний цикл

У рослинній клітині поряд з розпадом глюкози шляхом гліколізу і у циклі Кребса, який є головним постачальником енергії, відбувається і другий важливий спосіб її перетворення – пентозофосфатний цикл (рис. 57).

У цьому випадку розщепленню глюкози передує утворення її монофосфорного ефіру, а потім нібито відсічення першого вуглецю у ланцюзі. Відповідно до цього пентозофосфатний цикл часто називають апотомічним окисленням на відміну від гліколітичного циклу, який називають дихотомічним за утворення у ньому двох тріоз.

Окислення глюкози пентозофосфатним шляхом відбувається у цитоплазмі клітини, а також у пластидах. Особливо висока активність пентозофосфатного шляху дихання у клітинах і тканинах з активними синтетичними процесами. Розщеплення глюкози, як і при гліколізі, розпочинається з її фосфорилювання. За допомогою ферменту гексокінази та АТР утворюються глюкозо-6-фосфат і АДР. У реакціях пентозофосфатного циклу беруть участь шість молекул глюкози, п’ять із яких регенеруються, а одна окислюється відповідно до рівняння:

У цьому циклі можна виділити два етапи: а) окислення глюкози; б) регенерація вихідного субстрату.

Рис. 57. Пентозофосфатний цикл.

Реакції першого етапу каталізує дегідрогеназно-карбоксилювальна система з трьох ферментів. Спочатку відбувається дегідрування глюкозо-6-фосфату за участю ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, у активній групі якого є НАДФ – акцептор електронів. Утворена 6-фосфоглюконова кислота зазнає окислювального декарбоксилювання і дегідрування до рибулозо-5-фосфату.

Другий етап циклу пов’язаний із регенерацією глюкозо-6-фосфату. Із рибулозо-5-фосфату під дією ізомераз утворюється рибозо-3-фосфат. Потім із двох фосфопентоз шляхом рекомбінації при послідовній участі ферментів транскаталази і трансальдолази утворюється спочатку семивуглецевий цукор седогептулоза і фосфогліцериновий альдегід, потім – еритрозофосфат і фруктозо-6-фосфат. Унаслідок ізомеризації фруктозо-6-фосфат переходить у глюкозо-6-фосфат.

Для кожного оберту підсумкове рівняння пентозофосфатного циклу має вигляд:

Як випливає з цього рівняння, при повному окисленні однієї молекули глюкозо-6-фосфату утворюється 12 молекул НАДФ×Н₂. Окислення 12 пар протонів від НАДФ×Н₂ у процесі окислювального фосфорилювання забезпечує синтез 36 молекул АТР, що становить 41,87кДж × 36 = 1507кДж/моль і практично не поступається енергетичному виходу гліколітичного шляху дихання.

Окислення глюкози пентозофосфатним шляхом виявлено в різних органах рослини. Воно є головним джерелом утворення пентоз, які використовуються клітиною для синтезу нуклеїнових кислот. Цей цикл також постачає рибозу, яка у формі рибулозодифосфату слугує акцептором вуглекислого газу у темновій фазі фотосинтезу. Сполуки з різною кількістю атомів вуглецю використовуються для багатьох біосинтезів. Так, еритрозо-4-фосфат, крім того, що може сполучатися із ксилулозо-5-фосфатом, утворюючи фруктозо-6-фосфат і фосфогліцериновий альдегід, також може приєднувати фосфоенолпіровиноградну кислоту і давати шикимову кислоту – циклічну сполуку (рис. 58), яка є попередником для синтезу ряду ароматичних сполук (поліфеноли, дубильні речовини, амінокислоти, глікозиди), що відіграють важливу роль у обміні речовин. Одна із циклічних амінокислот – триптофан – є попередником гетероауксину.

Рис. 58. Участь шикимової кислоти у метаболізмі рослинного організму.

Перетворення глюкози пентозофосфатним шляхом регулюється концентрацією НАДР⁺, яка залежить від синтетичних процесів, де використовується НАДФ×Н₂ (синтез амінокислот, білків).

Між гліколізом і пентозофосфатним шляхом перетворення глюкози існує тісний зв’язок, оскільки у них є багато спільних ферментів і проміжних продуктів. Ці два метаболічні шляхи майже в усіх випадках функціонують одночасно і продукти пентозофосфатного перетворення у певних умовах піддаються подальшому використанню в реакціях гліколітичного шляху.

Співвідношення між пентозофосфатним шляхом перетворення глюкози і гліколізом залежить від наявності проміжних сполук (неорганічного фосфату, еритрозо-4-фосфату і 6-фосфоглюконової кислоти).

Біологія бродіння

Бродіння – це дисиміляційний процес з утворенням продуктів неповного окислення. Залежно від кінцевого продукту, розрізняють бродіння спиртове, молочнокисле, оцтовокисле, маслянокисле та ін. Процеси бродіння властиві здебільшого нижчим гетеротрофним організмам (дріжджі, інші гриби, бактерії). У тканинах вищих рослин без наявності кисню також може відбуватися спиртове і молочнокисле бродіння. Продукти бродіння містять значну кількість енергії. Тому енергетичний вихід при бродінні значно нижчий, ніж при аеробному диханні:

.

Таке окислення субстрату за рахунок зв’язаного кисню також називають інтрамолекулярним диханням. Накопичення етилового спирту у тканинах може бути причиною отруєння і загибелі рослин. Крім того, при анаеробному диханні (бродінні) рослина не отримує проміжних продуктів, які звичайно утворюються при аеробному окисленні.

Між диханням і бродінням існує достатньо тісний зв’язок, про що свідчить спільність першого анаеробного етапу (фази) перетворення глюкози (рис. 59).

Перший етап бродіння і дихання – це гліколітичне розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти (ПВК). Наступний етап – аеробний. Піровиноградна кислота піддається розщепленню з утворенням кінцевих продуктів СО₂ і Н₂О при диханні. В анаеробних умовах вона зазнає неповного окислення – бродіння.

Рис. 59. Загальна схема процесів дихання і бродіння

Про єдність цих процесів свідчить і те, що у рослин виявлені ферменти, які каталізують спиртове бродіння. Крім того, серед проміжних продуктів аеробної фази дихання і бродіння є однакові, наприклад: яблучна, лимонна та інші органічні кислоти.

7.7. Механізми фосфорилювання

Трансформація енергії, яка вивільнюється у процесах дисиміляції, відбувається двома шляхами: 1) фосфорилювання на рівні субстрату при окисленні дегідрогеназами; 2) окислювальне фосфорилювання у субмітохондріальних системах.

Фосфорилювання на рівні субстрату. При цьому типі фосфорилювання вільна енергія біологічного окислення уловлюється у формі багатих на енергію зв’язків між субстратом і фосфатом. Найбільш вивченим прикладом фосфорилювання на рівні субстрату є одна з реакцій гліколізу:

Процес відбувається у два етапи з утворенням проміжного продукту – дифосфогліцеринової кислоти, у молекулі якої є багатий на енергію ацилфосфатний зв’язок. На другому етапі залишок фосфорної кислоти з макроергічними зв’язками переноситься на АДР із збереженням енергії.

Окислювальне фосфорилювання у субмітохондріальних системах. Енергія, яка вивільнюється при розщепленні органічних речовин, перетворюється в енергію фосфатних зв’язків АТР. Утворення АТР відбувається за схемою: АДР + Рнеорг. ¾® АТР. Фосфорилювання АДР з утворенням АТР відбувається лише у процесі окислення речовин. Цей процес має назву окислювального фосфорилювання.

Окислювальне фосфорилювання у дихальному ланцюзі відбувається за рахунок поступового руху електронів між переносниками ЕТЛ. Якщо ж синтез АТР з якихось причин (дефіцит АДР) неможливий, то рух електрона по ЕТЛ зупиняється. Це явище має велике значення у регулюванні окисного обміну і називається дихальним спряженням. Згідно з гіпотезою хімічного спряження, у процесі фосфорилювання, тобто під час руху електрона по ЕТЛ, виникають проміжні, багаті на енергію сполуки, так звані фактори спряження.

7.8. Фактори спряження.

Теорія хеміосмотичного і хімічного спряження

Різноманітні біохімічні реакції, що відбуваються в організмі, повинні бути узгоджені між собою, а сувора впорядкованість може бути забезпечена лише ефективною регуляцією.

Завдяки наявності механізмів регуляції живі системи характеризуються цілеспрямованістю і здатні певним чином відповідати на несприятливі зовнішні впливи, наприклад, підтримкою постійного рівня АТР у клітині за умов надлишку дихального субстрату, що надходить ззовні. Такий тип саморегуляції зумовлений наявністю принципу зворотного зв’язку. Ключова роль у регуляції обміну речовин належить ферментам.

Утворення і концентрація будь-якого продукту обміну у клітині зумовлюються такою причинною залежністю:

Нуклеїнова кислота запускає певним чином синтез ферментів, а ферменти, у свою чергу, каталізують утворення і перетворення продуктів. У цю причинну залежність обов’язково включається кожний регулюючий внутрішній (наприклад, продукт обміну речовин) або зовнішній (наприклад, поживні речовини) фактор. Завдяки наявності механізму зворотного зв’язку розвивається саморегуляція, коли продукт реакції впливає на весь взаємопов’язаний ланцюг реакцій.

Прикладом метаболічної регуляції за принципом зворотного зв’язку може бути залежність інтенсивності дихання від концентрації АДР (рис. 60).

Рис. 60. Дихальний контроль (за Ліббертом Е., 1976).

Схема зображує сферу регуляції: регулюючий фактор – концентрація АТР, яка постійно підтримується; АДР – фактор зворотного зв’язку.

Внаслідок використання АТР в ендергонічних реакціях (різні синтези, поглинання і транспорт речовин, ріст та ін.) концентрація її зменшується, а концентрація АДР збільшується (АТР ¾® АДР + Рн.). Оскільки дія дихального ланцюга обов’язково пов’язана із фосфорилюванням і лімітується кількістю АДР, накопичення АДР при енергоспоживаючих процесах сприяє прискоренню його діяльності. У цьому випадку відбувається виключно економічна форма регуляції кількості доступної енергії шляхом “запиту” на неї.

Подібним чином за принципом зворотного зв’язку концентрацією НАДР⁺ регулюється пентозофосфатний цикл (рис. 61). Відновлюючі синтези, які потребують наявності НАДР×Н₂, сприяють збільшенню концентрації НАДР⁺ і тому стимулюють пентозофосфатний цикл:

Рис. 61. Регулювання дихання за принципом зворотного зв’язку.

НАДР⁺ – фактор зв’язку

За принципом зворотного зв’язку здійснюється метаболічна регуляція циклу Кребса. При малій енергетичній потребі у клітині дихальною спряженістю гальмуються дихальний ланцюг і окисно-відновні реакції циклу, а отже – і утворення щавлевооцтової кислоти. Через неї шляхом зворотного зв’язку у циклі Кребса знижується утворення лимонної кислоти, а ацетил-КоА включається в інші системи реакцій, в основному біосинтезу (рис. 62).

Рис. 62. Метаболічна регуляція циклу Кребса.

Існують три теорії механізму окислювального фосфорилювання – хімічна, механохімічна і хеміосмотична.

Згідно за хімічною теоріэю механізму окислювального фосфорилювання, у мітохондріях існують проміжні посередники (інтермедіатори) білкової природи, які здатні утворювати комплекси з відновленими переносниками. Однак ця теорія не знайшла підтвердження: не вдалося виділити або довести існування високоенергетичного проміжного посередника (інтермедіатора).

Механохімічна гіпотеза механізму окислювального фосфорилювання грунтується на здатності мітохондріальних мембран до певних змін відповідно до ступеня насичення їх енергією. Згідно за припущенням П.Д. Бойєра (1965), при накопиченні енергії (утворення АТР) відбувається її перетворення у механічну, яка викликає конформаційні зміни мембран (скорочення білків) з наступною передачею цієї енергії на АДР, яка супроводжується розслабленням і синтезом АТР. Однак ця гіпотеза, подібно до хімічної, не може пояснити здатність мітохондрій підкислювати навколишнє середовище.

Найбільше визнання на сьоггодні отримала теорія Мітчела, яку він запропонував у 1961 р. Суть її полягає у тому, що потік електронів через систему молекул-переносників по ЕТЛ супроводжується транспортом іонів Н⁺ через внутрішню мембрану. Активне перенесення позитивного заряду (іонів Н⁺) супроводжується зростанням мембранного потенціалу, енергія якого використовується на синтез АТР, транспорт іонів (антипорт, симпорт) та інші процеси, що відбуваються за участю мембран. При хеміосмотичному спряженні дихальний ланцюг функціонує як протонний насос: потік електронів викликає активне переміщення протонів (Н⁺) з внутрішньої поверхні мембрани мітохондрії на зовнішню, яка, можливо, є малопроникною для пасивної дифузії іонів Н⁺ і ОН^-. Внаслідок такого перерозподілу зарядів на мембрані створюється електрохімічний потенціал іонів Н⁺, який стає основною рушійною силою фосфорилювання за рахунок обертання транспорту іонів Н⁺ за участю Н⁺-АТР-ази крізь протонний канал.

Теорія хеміосмотичного спряження виходить з того, що переносники перешнуровують мембрану і при цьому розташовуються таким чином, щоб забезпечити перенесення електронів і протонів у один бік, а у інший – лише електронів. На поверхні мітохондріальної мембрани, внаслідок спрямованого перенесення іонів Н⁺ проти градієнта концентрації, виникає електрохімічний потенціал.

Гіпотеза Мітчела передбачає, що дихальний ланцюг локалізується на внутрішній мітохондріальній мембрані. Субстрат, який надходить до мітохондрій, окислюється так, що два іони Н⁺ залишаються зовні, а на внутрішню мембрану переноситься пара електронів, де вони приєднуються до кисню. При цьому кисень отримує здатність зв’язувати іони, які містяться у мітохондріях. Електрони надають внутрішній поверхні мембрани мітохондрій від’ємний заряд. Іони Н⁺ залишаються на зовнішній поверхні мембрани і зумовлюють її позитивний заряд. Внаслідок цього між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мітохондрій виникає різниця електричних потенціалів, яка забезпечує спряження фосфорилювання і окислення. Роз’єднання окислення і фосфорилювання при руйнуванні мембранних структур або при обробці ядами призводить до неможливості розподілу зарядів між поверхнями мембрани і відповідно – до неможливості створення потенціалу.

7.9. Комплексна ферментна регуляція процесу дихання

Гальмування ферментних реакцій може бути наслідком накопичення продуктів реакції. У такому випадку кінцеві метаболіти виступають у ролі інгібіторів, тобто регулювання відбувається за типом зворотного зв’язку. Завдяки механізму дихального контролю і регуляції метаболітами, дихання є одним із найбільш тонко регульованих процесів, у якому співвідношення

має вирішальну роль.

В умовах високої інтенсивності реакцій із використанням енергії утворюється фосфат, який активує процес гліколізу і одночасно стримує пентозофосфатний шлях перетворення глюкози. Навпаки, якщо має місце нестача фосфату, то пригнічується гліколіз і активується пентозофосфатний шлях. Цим забезпечується накопичення НАДР×Н₂ і пентоз, які необхідні для процесів відновлення і витрати енергії. Велика кількість АТР (надлишок енергії) гальмує гліколіз і цикл Кребса, сприяє синтетичним процесам.

Рівень вмісту кисню у тканинах впливає на швидкість перетворення глюкози. Стримування розпаду цукрів і більш ефективне їх використання у аеробних (наявність О₂) умовах одержало назву “ефекту Пастера”. Суть цього явища у тому, що кисень активує процеси окислювального фосфорилювання і тим знижує кількість молекул АТР, необхідних для субстратного фосфорилювання під час гліколізу. Без кисню не може функціонувати цикл Кребса і пентозофосфатний цикл, тому клітини не отримують відповідних проміжних продуктів, які необхідні для синтетичних процесів.

Перетворення глюкози у дихальних циклах (гліоксилатний, пентозофосфатний, гліколіз) є системою взаємопов’язаних процесів (рис. 63).

Гліколітичне розщеплення глюкози (гліколіз) і її перетворення пентозофосфатним шляхом відбуваються у цитоплазмі. В анаеробних умовах переважає гліколіз. Активність пентозофосфатного циклу зростає за несприятливих умов: нестачі вологи, дефіциті калію, низькій освітленості, засоленні, старінні тканини.

Рис. 63. Взаємозв’язок дихальних циклів.

Баланс енергії при аеробному диханні

Відповідно до схеми гліколізу, при анаеробному розщепленні глюкози до піровиноградної кислоти синтезуються 4 молекули АТР. Але гліколізу передує дворазове фосфорилювання молекул глюкози. Тому з чотирьох утворених при гліколізі молекул АТР дві покривають витрати на активування глюкози. У результаті накопичення енергії під час гліколізу становить два макроергічних зв’язки.

Подальше перетворення піровиноградної кислоти, за умов наявності кисню відбувається шляхом послідовного відщеплення атомів водню одночасно з електронами, а також СО₂, яке здійснюють відповідно дегідрогеназа і декарбоксилаза. Приєднуючи водень субстрату, дегідрогенази передають його через проміжні системи кисню. Ці перетворення мають циклічний характер (циклу Кребса). У них велике значення мають органічні карбонові кислоти, які є вихідними компонентами для різних синтетичних процесів. За повний оборот циклу Кребса відбувається окислення п’яти пар атомів водню. З них дві пари беруться від молекули піровиноградної кислоти, а інші три пари атомів водню – від води, яка приєднується до кислот протягом циклу.

Перетворення піровиноградної кислоти у циклі Кребса супроводжується вивільненням енергії. Переміщення електронів по ланцюзі супроводжується фосфорилюванням. Утворені при окисленні кожної молекули піровиноградної кислоти п’ять пар електронів викликають синтез у середньому 36 молекул АТР. Трансформована під час аеробної фази енергія становить: 10 ккал × 36 = 360 ккал. У одному молі глюкози вміщено 674 ккал енергії. Отже, енергетична ефективність цього процесу становить близько 52%.

Дихання й обмін у рослинній клітині

Дихання знаходиться в центрі обміну речовин рослинного організму. Частково окислені продукти циклу ди- і трикарбонових кислот (цикл Кребса) можуть бути субстратами для різних біосинтетичних реакцій. Наприклад, ацетил-КоА є попередником для багатьох речовин (стероїди, ізопреноїди, тригліцериди). Щавлевооцтова і a-кетоглутарова кислоти можуть перетворюватися в амінокислоти. Сукциніл-КоА – це субстрат для утворення порфіринів, а значить – і для синтезу цитохромів і хлорофілів.

Енергія, зосереджена у макроергічних сполуках, широко використовується різними процесами обміну, і перш за все – на синтез полімерних речовин (білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди та їх похідні). Вона також використовується іншими ендергонічними процесами: наприклад, на поглинання води і мінеральних речовин із грунту, їх переробку і транспортування по тканинах рослин, різні види рухів та ін.

7.11.1. Перенесення іонів

Поглинання елементів мінерального живлення тісно пов’язане з використанням енергії, яку постачає дихання. Між диханням і поглинальною діяльністю коренів існує тісний взаємозв’язок. Поглинальна діяльність коренів значною мірою залежить від подальшого перетворення поглинутих елементів.

Більшість іонів проникають у клітину активним шляхом завдяки дії іонних насосів. За типом дії розрізняють іонні насоси двох типів: електронейтральні та електрогенні. Електронейтральні мають постійний заряд на мембрані. Серед них найбільш вивчені калій-натрієвий насос, магній- залежна АТР-аза. Діють ці електронейтральні насоси у, так званих, аварійних ситуаціях, наприклад, при засоленні.

Робота такої системи здійснюється за схемою:

1) у білковій глобулі, яка знаходиться у цитоплазматичній мембрані і має іон Nа⁺ і АТР, відбувається гідроліз останньої;

2) вивільнена енергія забезпечує поворот білка із одночасним винесенням іона Nа⁺ назовні, а на його місце надходить іон К⁺;

3) потім глобула знову повертається, іон К⁺ покидає її, а приєднується молекула АТР.

Для клітин універсальним є електронний насос (протонна помпа, водневий насос). Мембрани мають механізм, який здатний за рахунок гідролізу АТР виштовхувати водень із цитоплазми. Потім на мембрані створюється електричний градієнт (DЕ). При цьому мембрана отримує не лише заряд, але й градієнт іонів Н⁺. У цьому випадку енергія фосфатних зв’язків трансформується у два види енергії. Сили, які виникли, примушують рухатися електрони, зумовлюють надходження іонів, наприклад К⁺. Катіони водню, відповідно до хімічного градієнта, при участі білків-переносників знову надходять до цитоплазми. Це переміщення може поєднуватися з рухом інших часток. Замість водню можуть виходити інші катіони – антипорт. Одночасно з воднем може рухатися від’ємний іон – симпорт. При відтіканні протонів у зворотному потоці разом із переносником у клітину можуть потрапляти органічні сполуки (вуглеводи) – контранспорт. Фактично активним у такому випадку буде лише відкачування протонів (при гідролізі АТР), а усі інші переміщення відбуваються пасивно. Це вторинний активний транспорт. Таким чином, активне перенесення іонів забезпечується енергією АТР, яка акумулюється у процесі дихання.

7.11.2. Окислювальний розпад жирних кислот та амінокислот

Рослинна клітина має каталітичні механізми, які дають їй змогу використовувати велику кількість органічних сполук різної хімічної природи. Крім вуглеводів, субстратом дихання можуть бути численні їх похідні, наприклад, глюкозиди, пектинові речовини. Окислювальному перетворенню таких сполук передує гідролітичне розщеплення. Використання як дихального матеріалу жирів починається з гідролізу за участі ферменту ліпази на їх складові – жирні кислоти та гліцерин.

Утворений гліцерин може зазнавати різних перетворень. Одним із таких шляхів є фосфорилювання гліцерину з наступним окисленням до фосфогліцеринового альдегіду, перетворення якого може відбуватися двома шляхами. З одного боку, фосфогліцериновий альдегід і його ізомер діоксиацетон-фосфат під дією альдолази дають фруктозодифосфат, який здатний потім перетворюватися у різні вуглеводи, що використовуються для побудови клітини і тканини рослини. Фосфогліцериновий альдегід, з іншого боку, через синтез вуглеводів може далі окислюватися до СО₂ і Н₂О у циклі ди- і трикарбованих кислот. Внаслідок таких перетворень при окисленні гліцерину вивільнюється значна кількість енергії.

Жирні кислоти окислюються шляхом послідовного відщеплення двовуглецевих ацетильних залишків у формі ацетил-СоА, який може зазнавати різних перетворень. Основним шляхом його перетворення є повне окислення до СО₂ і Н₂О у циклі ди- і трикарбонових кислот з виділенням великої кількості енергії. Окислення однієї молекули ацетил-СоА забезпечує утворення трьох молекул НАД×Н, однієї молекули ФАД×Н2 і однієї молекули АТР. Утворена у циклі Кребса яблучна кислота перетворюється у щавлевооцтову, а потім за участі фосфоенолпіруват-карбоксилази дає фосфоенопіровиноградну кислоту (ФЕП). Фосфогліцериновий альдегід і ФЕП є вихідним матеріалом для синтезу глюкози, фруктози і сахарози (рис. 64).

Рис 64. Перетворення жирних кислот у вуглеводи

Розщеплення жирів відбувається у сферосомах – жирових краплях, а окислення жирних кислот – у глікосисомах. Загальна схема перетворення жирів (рис. 65):

Рис. 65. Схема перетворення жирів при диханні

Як субстрат дихання, клітина використовує і білкові сполуки. Запасні білки під дією гідролітичних ферментів розпадаються на амінокислоти, які потім окислюються до кетокислот або ацетил-СоА і включаються у цикл Кребса.

Дата добавления: 2015-07-17