Физиология растений, химизм дыхания

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Фотосинтез, возбуждение хлорофилла. Фотосинтез как окислительно-восстановительный процесс

Каротиноиды, их физиологическая роль

Фотосинтез в различных лучах спектра. Спектры поглощения хлорофиллов, каротиноидов, хлоропластов листа

Суточные и возрастные изменения фотосинтеза

Современное учение о химизме дыхания. Суть анаэробной фазы дыхания

Химизм аэробной фазы дыхания. Заслуга Г. Кребса

Список используемой литературы

Фотосинтез, возбуждение хлорофилла. Фотосинтез как окислительно-восстановительный процесс

фотосинтез химизм аэробная фаза дыхание

Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света и передающим ее на молекулы Н2О и СО2.

Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света атомом или молекулой какого-либо вещества электрон переходит на другую более удаленную орбиталь, т. е. на более высокий энергетический уровень. Чем ближе электрон к ядру, тем меньше его энергия. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света.

В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Именно с этим связано и то, что он имеет две основные линии поглощения. Первый уровень возбуждения связан с переходом на более высокий энергетический уровень электрона в системе сопряженных двойных связей, а второй -- с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. При поглощении света электроны переходят в колебательное движение. Наиболее подвижными в молекуле являются делокализованные электроны, орбитали которых как бы размазаны, обобщены между двумя ядрами. Особенно легко возбуждаются электроны сопряженных двойных связей. Электрон, кроме того, что он находится на определенной орбитали и вращается вокруг ядра, обладает еще спином -- характеристикой, которую можно трактовать как направление вращения электрона вокруг своей оси. Спин электрона может принимать два значения. Спины двух электронов, находящихся на одной орбитали, различны. Когда в молекуле все электроны расположены попарно, их суммарный спин равен нулю. Это основное синглетное состояние (S0). В основном энергетическом состоянии S0 молекула находится в тепловом равновесии со средой, все электроны попарно занимают орбитали с наименьшей энергией. При поглощении света электроны переходят на следующую орбиталь с более высоким энергетическим уровнем. При этом имеются две возможности: если электрон не меняет спина, то это приводит к возникновению первого и второго синглетного состояния (S1*, S2*). Если же один из электронов меняет спин, то такое состояние называют триплетным (Т1*).

Наиболее высокий энергетический уровень -- это второй синглетный S2*. Электрон переходит на него под влиянием сине-фиолетовых лучей, кванты которых содержат больше энергии. В первое синглетное (возбужденное) состояние S1* электрон может переходить под воздействием квантов с меньшей энергией (красного света).

Различные возбужденные состояния электронов характеризуются разным временем жизни. Время жизни на S2* уровне составляет 10-12С. Это время настолько мало, что на его протяжении энергия электронного возбуждения не может быть использована. Через этот короткий промежуток времени электрон возвращается в первое синглетное состояние S1* (без изменения направления спина). Переход из второго синглетного состояния S2* в первое S1* сопровождается некоторой потерей энергии в виде тепла. Время жизни в первом синглетном состоянии немного больше 10-9С. Наибольшим временем жизни 10-4--10-2 С обладает триплетное состояние Т1*. Переход на триплетный уровень происходит с изменением спина электрона.

Из возбужденного состояния молекула хлорофилла может переходить в основное. При этом потеря энергии может происходить путем флюоресценции, без излучательного рассеивания энергии в виде тепла, переноса энергии на другие молекулы, потери возбужденного электрона -- химического взаимодействия.

В настоящее время показано, что в первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглощением молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы передачи энергии. Исследования показали, что не каждая молекула хлорофилла принимает участие в последующих фотохимических реакциях. Непосредственную связь с реакционным центром осуществляли примерно одна из 200-- 250 молекул хлорофилла. Остальные молекулы хлорофилла воспринимают энергию и передают ее молекуле-ловушке. Эта молекула-ловушка со всеми вспомогательными молекулами пигментов, которые передают ей энергию, представляет собой фотосинтетическую единицу. Улавливать и передавать энергию на молекулу хлорофилла-ловушки могут не только молекулы хлорофилла а и хлорофилла б, но и каротиноиды, фикобилины.

Передача энергии между молекулами пигментов идет главным образом резонансным путем без разделения зарядов с большой скоростью, 2 х 10-12С, а от молекулы каротиноидов к хлорофиллу - 4 х 10-10С. Таким образом, время переноса энергии значительно меньше времени жизни возбужденной молекулы (10-9С). Такой перенос энергии возможен только при близком расстоянии между молекулами пигментов. В этой связи становится понятной необходимость весьма плотной упаковки молекулы хлорофилла в молекулах хлоропластов. Расчеты показали, что в одном хлоропласте до 1 млрд. молекул хлорофилла. Расстояние между молекулами хлорофилла в мембранах составляет 1 нм.

Перенос энергии происходит только от пигментов, поглощающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, поглощающим свет с большей длиной волны. Хотя передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хлорофилла б к хлорофиллу а -- 90%, от каротиноидов к хлорофиллу -- 40%), однако часть энергии теряется. Обратный перенос энергии невозможен.

Таким образом, фотофизический этап фотосинтеза заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на хлорофилл-ловушку, связанную с реакционным центром, где она и используется в фотохимических реакциях.

Изучение продуктов фотосинтеза с помощью меченых атомов показало, что углерод углекислого газа очень быстро переходит в растениях в разнообразные вещества. Одним из первых улавливаемых продуктов фотосинтеза является фосфоглицериновая кислота, но ей, по-видимому, предшествуют еще более простые соединения.

Установлено, что СО4 вступает в цикл с образованием фосфоглицериновой кислоты (ФГК.) путем карбоксилирования рибулезодифосфата (РДФ). Реакция карбоксилирования проходит с окислением С3 рибулезы до уровня карбоксила с помощью фермента карбоксидисмутазы, который выделен из неразрушенных хлоропластов шпината.

Таким образом, первым этапом фотосинтетического превращения углерода является карбоксилирование фосфорного эфира пятнуглеродного сахара рибулезодифосфата (РДФ) с образованием двух молекул фосфоглицериновой кислоты (ФГК).

Перед карбоксилированием происходит активация молекулы рибулезо-5-фосфата АТФ, которая используется для этерификации гидроксильной группы первого атома углерода, в результате чего и образуется рибулезо-1,5-дифосфат:

Рибулезо-1,5-дифосфат является достаточно высокореакционным соединением, чтобы произошло карбокснлирование его двуокисью углерода:



На следующем этапе 3-фосфоглицериновая кислота фосфорилируется с помощью АТФ и образует 1,3-дифосфоглицериновую кислоту:

Продукт химической реакции (3) -- 1,3-дифосфоглицериновая кислота имеет большую реакционную способность, чем 3-фосфоглицери-новая кислота. Таким образом, химическая энергия, образовавшаяся в виде энергии связей АТФ, используется в реакциях (1) и (3), которые имеют решающее значение для функционирования фотосинтетического цикла восстановления углерода. Что же касается НАДФН2, то он необходим для восстановления 1,3-Дифосфоглицериновой кислоты до глицероальдегид-3-фосфата (4). Эта реакция катализируется ферментом триозофосфатдегидрогеназой:

Следовательно, реакции (1) и (3), где происходит утилизация АТФ, и реакция (4), в которой используется НАДФН2, являются тем механизмом, с помощью которого химическая энергия, накопленная в фохимических реакциях фотосинтеза, используется для восстановления СO2 до фосфорных эфиров сахаров.

Каждая из реакций была осуществлена изолированно в растворах, за исключением первой, где принимает участие СО2. В процессе фотосинтеза восстановление фосфоглицериновой кислоты осуществляётся за Счет энергии света, которая предварительно превращается в энергию макроэргических фосфатных связей аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и никотинамидаденин-динуклеотид-фосфата восстановленного (НАДФН2). Перенос водорода осуществляется ферментами дегидрогеназами. Под влиянием фермента фосфотриозоизомеразы фосфоглицернновый альдегид образует фосфодиоксиацетон:

молекула которого, подвергаясь альдольной конденсации с молекулой фоефоглицеринового альдегида, дает фруктозо-1,6-дифосфат. Последний является исходным материалом для образования сахарозы и полисахаридов. Наряду с этим предполагается, что фруктозе-1,6-дифосфат и фосфоглицериновый альдегид, взаимодействуя между собой, дают начало цепи четырех-, пяти- и семиуглеродного сахара; рибулеза и фосфорный эфир рибулезодифосфат являются акцепторами СО2.

Таким образом, процесс превращения углерода при фотосинтезе имеет циклический характер и сопровождается образованием устойчивых продуктов. Этот процесс заканчивается образованием рибулезодифосфата, который, присоединив СО2, снова возвращается в цикл. Однако назначение цикла не ограничивается только регенерацией акцептора СО2. Углеродные соединения в форме ФГК и фосфатов сахаров используются на синтез запасных веществ и на создание компонентов хлоропласта.

Фиксация СО2 растением, кроме фотосинтеза, осуществляется и при карбокснлировании монокарбоновых кислот с образованием дикарбоновых кислот. Таким образом, карбоксилирование пировиноградной и фосфоенолпировиноградной кислот -- распространенное в природе явление.

При карбоксилировании пировиноградной кислоты, которая катализируется ферментом пируваткарбоксилазой при участии АТФ и ионов Mg2+, образуется щавелевоуксусная кислота:

Образование и превращение в клетке яблочной, янтарной и щавелевоянтарной кислот также зависят от процессов карбоксилирования и декарбоксилирования. Кроме того, в так называемом орнитнновом цикле, в котором из аргинина образуются мочевина, орнитин, цитруллин и фумаровая кислота, также происходит процесс карбоксилирования, к орнитину присоединяется аммиак и СО2, и образуется цитруллин. Реакции карбоксилирования находятся в определенной связи с фотосинтетическим циклом превращения углерода.

При низких концентрациях СО2 приближающихся к атмосферным (0,03%), в хлоропласте под действием фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы образуется значительное количество фосфогликолевой кислоты. Вероятным механизмом образования гликолевой кислоты (HOCH2COOH) является окисление молекулярным кислородом рибулезодифосфата (акцептора СО2) с помощью фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы с образованием фосфоглицериновой кислоты и фосфогликолата:

На рисунке приведены цикл восстановления углерода и структурные формулы реагирующих соединений.



Фотосинтез с образованием гликолевой кислоты можно представить следующим образом:



При выходе из хлоропластов фосфогликолат дефосфорилизуется мембранно-связанной фосфогликолатфосфатазой и окисляется в глиоксилевую кислоту (НОССООН), которая вновь может проникать в другие хлоропласты и при участии НАДФН2 восстанавливаться в гликолевую кислоту.

Продукты фотосинтеза. Схема I.



Продукты фотосинтеза. Схема II

Одно из наиболее распространенных объяснений роли гликолат-ного пути в метаболизме фотосинтезирующих клеток заключается в том, что с помощью гликолатного метаболизма происходит «сжигание» избытка НАДФН2, образующегося в хлоропластах в условиях повышенной освещенности и низкой концентрации СО2. Кроме того, гликолат может быть необходим для нейтрализации щелочной реакции, возникающей в строме хлоропластов. При подщелачивании происходит снижение концентрации растворенного СО2 что способствует образованию бикарбонатных соединений, не вступающих в реакцию с рибулезодифосфатом. Гликолевая кислота диффундирует из хлоропластов и окисляется в глиоксилевую кислоту (НОССООН), которая вновь может проникать в другие хлоропласты и при участии НАДФН2 восстанавливаться в гликолевую кислоту. Отмечено, что глиоксилатный путь усвоения углерода при фотосинтезе с образованием НОСИ, СООН может преобладать при изменении условий фотосинтеза (освещение растений синим светом, увеличение парциального давления кислорода и др.).

Установлено, что, кроме углеродов, в процессе фотосинтеза образуются белки и другие продукты. Они также относятся к продуктам фотосинтеза.

До сих пор считали, что образование белков в растении осуществляется энзиматическим путем после восстановления нитратов за счет промежуточных продуктов и освобождающейся энергии окисления углеводов. Исследованиями Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева АН СССР доказана связь между восстановлением нитратов и фотосинтезом. Она заключается в участии каких-то активных первичных продуктов восстановления СО2. Процесс восстановления нитратов в живом листе происходит так: сначала восстанавливается углекислый газ с образованием активных промежуточных продуктов, затем нитраты, а возможно, и другие окислители (сульфаты, органические кислоты). Это дает возможность сделать вывод, что наиболее интенсивный синтез белков осуществляется в условиях, которые обеспечивают полный фотосинтез. Процесс восстановления нитратов также тесно связан с фотосинтезом и осуществляется с участием его промежуточных продуктов.

Первичные продукты восстановления СО2 прежде всего используются на синтез белков. Углеводы образуются по мере удовлетворения потребности в синтезе белков. Накопление углеводов происходит в тем больших количествах, чем меньше снабжение азотом, интенсивнее освещение и продолжительней фотосинтез.

Каротиноиды, их физиологическая роль

Это большая группа пигментов желтого,- оранжевого и красного цвета. Каротиноиды широко распространены в природе: их обнаружено больше трехсот. Однако в фотосинтезе участвуют лишь некоторые из них.

Термин «каротиноиды» ввел в науку М.С. Цвет для желтых спутников хлорофилла, т. е. веществ, сопровождающих хлорофилл в пластидах. В пыльце растений, околоцветников каротиноиды находятся во внепластидном состоянии. Каротиноидов в хлоропластах обычно в три раза меньше, чем хлорофиллов (отношение хлорофиллов к каротиноидам равно 3).

Основная часть молекул всех каротиноидов -- восемь соединенных между собой остатков изопрена, образующих цепь. Каротиноиды (рис. 3.8) делятся на соединения с открытой цепью -- ациклические (например, ликопин) и содержащие в своей молекуле один или два цикла (б-, в-каротин). Кроме того, по химическому строению каротиноиды делятся на бескислородные, содержащие только углерод и водород, имеющие элементарную формулу С40Н56 каротины, а также окисленные, которые кроме углерода и водорода содержат еще кислород -- ксантофиллы.

Структура в -каротина

Каротиноиды растворимы в органических растворителях, такие, как сероуглерод и ацетон, но нерастворимы в воде (кроме кроцина). Многие каротиноиды растворимы в спирте, петролейном эфире, хлороформе, они хорошо растворяются в жирах.

В химическом отношении молекулы каротиноидов характеризуются большим числом сопряженных двойных связей, являющихся хромофорными группами. Каротиноиды поглощают свет в сине-фиолетовой области спектра и имеют три максимума, положение которых определяется главным образом количеством двойных связей. Флюоресцируют каротиноиды от слабо желтой до зеленой окраски. В месте нахождения двойных связей может легко происходить присоединение кислорода, в результате чего образуются перекиси и окраска исчезает. К группе бескислородных каротиноидов относятся каротины: ликопин, содержащийся в плодах томатов. К окисленным каротиноидам относятся ксантофиллы: лютеин, криптоксантин, содержащийся в желтых зернах кукурузы, кожуре мандаринов и др.

Каротиноиды имеют большое количество конъюгированных двойных связей, поэтому они способны к окислительно-восстановительным реакциям.

Поглощение света каротиноидами, а, следовательно, их окраска обусловлены наличием конъюгированных двойных связей, в-каротин имеет два максимума поглощения, соответствующие длинам волн 482 и 452 нм. Красные лучи, поглощаемые хлорофиллами, каротиноидами не поглощаются. Каротиноиды в отличие их от хлорофилла не обладают способностью к флюоресценции. Подобно хлорофиллу, каротиноиды в хлоропластах вступают во взаимодействие с белками.

Уже сам тот факт, что каротиноиды всегда присутствуют в хлоропластах, позволяет считать, что они принимают участие в процессе фотосинтеза, но их роль вспомогательная. Они поглощают определенные участки спектра света и передают энергию на хлорофилл, одновременно защищая молекулу хлорофилла от необратимого фотоокисления. Возможно, каротиноиды принимают участие в кислородном обмене при фотосинтезе. У высших растений, мхов, зеленых и бурых водорослей осуществляется светозависимое взаимопревращение ксантофиллов. Примером может служить виолаксантиновый цикл.

Значение виолаксантинового цикла остается невыясненным. Возможно, он служит для устранения излишков кислорода.

Производные каротиноидов -- витамин А, ксантоксин, действующий подобно АБК. Хромопротеин родопсин, обнаруженный у некоторых галофитных бактерий, поглощая свет, функционирует в качестве Н+-помпы. Хромофорной группой бактериородопсина является ретиональ-альдегидная форма витамина А.

Фотосинтез в различных лучах спектра. Спектры поглощения хлорофиллов, каротиноидов, хлоропластов листа

Современные научные представления о фотохимических реакциях, входящих в процесс фотосинтеза, основываются на квантовой теории света. Согласно этой теории, каждая молекула вещества при фотохимических реакциях, т. е. при превращении вещества под влиянием света, поглощает частицу его -- фотон, или квант, который имеет достаточный запас энергии для того, чтобы вызвать в молекуле соответствующие изменения. Основное действие света определяется энергией как отдельных фотонов, так и световых потоков.

Если квант меньше, чем необходимо энергии для данной реакции, то превращения молекулы не произойдет; а если он слишком велик, то превращение осуществляется, но расход энергии будет непродуктивным. В процессе фотосинтеза есть ряд промежуточных реакций, которые осуществляются до момента образования углевода. На каждую из этих реакций также расходуется определенное количество энергии. Продуктивность фотохимического процесса определяется количеством квантов, а не величиной отдельного кванта.

Энергия света Е, переносимая фотоном или квантом hv, равна:

Е=hv=hc/л

где h -- световая константа Планка, равняется 6,626*10-47 эрг/с, или 6,26196*10-84 Дж/с; v -- частота колебаний данной световой волны; л -- длина волны; с -- скорость света в вакууме (примерно 3*108 м/c).

Согласно приведенному уравнению, квант света обладает энергией, пропорциональной его частоте и обратно пропорциональной длине волны.

Характеристика отдельных участков спектра



Свет	Типичная длина волны, нм	Частота, гц	Энергия
			эв на 1 квант	кДж на 1 моль квантов
Ультрафиолетовый	259	11,8*1014	4,88	470
Фиолетовый	410	7,31*1014	3,02	290
Синий	460	6,52*1014	2,70	260
Зеленый	520	5,77*1014	2,39	230
Желтый	580	5,17*1014	2,14	206
Оранжевый	620	4,94*1014	2,00	193
Красный	680	4,41*1014	1,82	176
Инфракрасный	1400	2,14*1014	0,88	85

В фотохимии употребляется единица количества света -- эйнштейн (е). Она равна 6,023> 1023 квантов монохроматического света. При поглощёнии -системой, способной к фотохимическим превращениям, одного е происходит фотохимическое превращение 6,023*1023 молекул, или одного моля вещества. Энергия одного е равна 6,023*1023 hv квантов или фотонов, и называют ее «молем» квантов.

В таблице приведены характеристики для ультрафиолетовых (видимых) и инфракрасных лучей.

Как установлено О. Варбургом и другими учеными, квантовый выход фотосинтеза, т. е. количество молекул реагирующего углекислого газа на квант света, который поглощается при фотосинтезе, равен приблизительно 0,25. Следовательно, на восстановление одной молекулы CО2 расходуется 4 кванта красного света:

ц - квантовый выход <1

Однако многочисленные экспериментальные определения квантовых выходов фотосинтеза показали, что при восстановлении одной молекулы СО2 поглощается 8--12 квантов света. Поглощение 4 квантов красных лучей может дать достаточное и даже избыточное количество энергии, а именно: 4 кванта красного света дают 502--669 кДж/моль, а для восстановления 1 моля, СО2 необходимо 470 кДж.

Очевидно, из 12 квантов энергия 4 квантов превращается в химическую энергию и связывается в продуктах фотосинтеза, энергия остальных 8 квантов используется на образование каких-то неустойчивых, высокоэнергетических продуктов, которые в дальнейшем, подвергаясь экзэргоническцм превращениям, отдают энергию на поддержание необходимых для фотосинтеза градиентов потенциалов; потом эта энергия деградирует в тепло.

Обратная квантовому выходу величина -- квантовые расходы

показывает, сколько квантов света должно быть поглощено растением для поглощения и превращения одной молекулы СО2 или выделения молекулы О2. При очень низкой интенсивности света расходы на фотосинтез не превышают 4 квантов. При увеличении интенсивности света количество Квантов на восстановление одной молекулы СО2 резко возрастает. При 12 квантах коэффициент полезного действия энергии активного света, который поглощается фотосинтетически, может составлять 19%, или 8--10% энергии общей радиации солнца, падающей на лист. Считают, что листья зеленых растений поглощают обычно 80--1 85% энергии видимой части солнечного спектра, пропускают 5--10%. и отражают около 10%.

Суточные и возрастные изменения фотосинтеза

Фотосинтез в зависимости от возраста листа

По мере роста листьев интенсивность фотосинтеза повышается. Наибольшая интенсивность характерна для вполне сформировавшихся листьев. По мере дальнейшего увеличения возраста листьев интенсивность фотосинтеза падает. На интенсивность фотосинтеза оказывает влияние возраст всего растения. У большинства однолетних растений интенсивность фотосинтеза возрастает в процессе онтогенеза и достигает максимума в фазу бутонизации, цветения. После цветения интенсивность фотосинтеза в листьях снижается.

О ходе фотосинтеза на протяжении дня

Интенсивность фотосинтеза на протяжении дня неодинакова, его максимумы перемещаются в зависимости от интенсивности света и температуры. Фотосинтез может быть изображен кривыми двух основных типов: первая -- с максимумом в полуденные часы и вторая -- с двумя максимумами, которые приходятся на до- и послеполуденные часы. Первая кривая характерна для условий умеренного климата средних широт, а вторая -- для более жаркого климата. Падение кривой интенсивности фотосинтеза в полуденные часы свойственно многим видам растений. При значительном повышении интенсивности солнечной радиации и при увеличении водного дефицита в полуденные часы в летние жаркие дни в умеренных широтах наблюдается перемещение максимума фотосинтеза на утренние и послеполуденные часы. Одной из причин этого является фототаксис («тактические» реакции) хлоропластов, который впервые был открыт в 1856 г. Бемом.

Каждый хлоропласт в клетке передвигается независимо от потока цитоплазмы. При умеренном освещении хлоропласты собираются на освещенных передних стенках так, чтобы подставить свету свое наибольшее сечение (анти-, эпи- и диастрофия).

На интенсивном прямом свету хлоропласты поворачивают свои оси параллельно световому потоку и выстраиваются вдоль боковых стенок клетки (парастрофия). Ночью хлоропласты принимают характерное «ночное положение», собираясь возле ядра, и распределяются по всей цитоплазме или возле внутренних стенок (апострофия). Исследования показали, что фототаксис хлоропластов под действием света неодинакового спектрального состава проявляется по-разному и что под действием света соответствующей интенсивности могут изменяться также и размеры хлоропластов. Например у шпината средний объем хлоропластов после освещения уменьшается до 51--78%.

Таким образом, «тактические» реакции хлоропластов в клетках могут существенно влиять на оптические свойства листьев и степень поглощения света хлоропластами и листом в целом, а следовательно, на интенсивность и продуктивность фотосинтеза.

В лаборатории фотосинтеза УСХА установлено, что одним из основных факторов повышения коэффициента поглощения фотосинтетически активной радиации (ФАР) в посевах кукурузы в пасмурную погоду может быть изменение оптических свойств листа под влиянием «тактических» реакций хлоропластов.

Современное учение о химизме дыхания. Суть анаэробной фазы дыхания

Суммарное уравнение процесса дыхания не дает даже отдаленного представления о сложной цепи и промежуточных реакциях, из которых сострит этот процесс. Окисление органических веществ в процессе дыхания осуществляется ступенчато, постепенно. Живые клетки приспособлены к использованию небольших количеств энергии. Энергия дыхания, которая не используется полностью растительным организмом в химических реакциях, превращается в тепловую и рассеивается.

Активированный кислород, соединяясь с, окисляемым веществом, образует, перекись, за счет которой может окисляться другое вещество. При окислении на ряду с активированием кислорода происходит и активирование водорода субстрата. Доказано, что биологическое окисление основывается в одинаковой мере на процессах активирования как кислорода, так и водорода. Начальный этап биологического окисления органического вещества при дыхании заключается в ферментативном отщеплении и переносе водорода на акцептор.

Исследованиями химической природы окислительно-восстановитeльных процессов в живых организмах установлено, что реакции окисления могут осуществляться следующими путями: 1) отщеплением от окисляемого субстрата водорода; 2) присоединением к окисляемому субстрату кислорода; 3) отдачей электронов, т. е. увеличением положительного заряда молекулы.

Основным органом дыхания клетки считают митохондрии. В мембранах митохондрий находится большое количество ферментов, катализирующих процессы окисления и фосфорилирования. Следует указать, что мембранная организация является характерной особенностью дыхательного и фотосинтетического механизма трансформации энергии в клетке.

Мембраны, содержащие ферменты переноса электронов, называют сопрярягающими. В них энергия света (фотосинтез) и энергия окисления субстрата (дыхание), освобождающаяся в процессе преноса электронов окислительно-восстановительной системой ферментов, в редокс-цепях, обеспечивает другой процесс -- фосфорилирование АДФ неорганическим фосфатом с образованием АТФ.

Химизм анаэробной фазы дыхания

Начальный этап анаэробного распада углеводов заключается в образовании ряда фосфорных эфиров сахаров (гексоз) роль фосфорной кислоты в процессе анаэробного дыхания впервые установили русские биохимики Л.А. Иванов и А.Н. Лебедев, которые экспериментально доказали образование в этом процессе соединений сахара с фосфорной кислотой. С помощью различных ингибиторов было выяснено, что анаэробному распаду при брожении подвергается несвободная молекула гексозы, а ее фосфорный эфир, который образовался из гексозы и фосфорной кислоты и является активным и лабильным соединением и отличие от химически инертной молекулы гексозы. Активация молекулы гексозы, повышение ее реакционной способности происходят постепенно и проходят ряд этапов.

На первом этапе брожения и дыхания молекула, глюкозы под действием фермента гексокиназы принимает остаток фосфорной кислоты от АТФ, которая превращается в АДФ, и в результате образуется глюкопиранозо-6-фосфат. Последний под действием, фермента фосфогексоизомеразы (оксоизомеразы) превращается в фруктофуранозо-6-фосфата. На дальнейшем этапе гликолиза фруктофуранозо-б-фосфата происходит присоединение к нему еще одного остатка фосфорной кислоты. Источником энергии для образования этого эфира является также молекула АТФ. Эту реакцию катализирует фосфогексокиназа, активируемая ионами магия. В результате образуется фруктофуранозо-1,6-дифосфат и новая молекула аденозиндифосфта.

Далее молекула фруктозо-1,6-дифосфата под влиянием фермента альдолазы расщепляется на две молекулы фосфотриоз: фосфодиоксиацетон и 3-фосфоглицериновый альдегид. Фосфодиоксиацетон под действием фермента фосфотриозоизомеразы полностью превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид.

Следующий этап гликолиза заключается в окислении 3-фосфоглицеринового альдегид специфической дегидрогеназой и фосфорилированни глицериновой кислоты с использованием минеральной фосфорной кислоты. Обозвавшаяся в результате этой реакции 1,3-дифосфоглицериновая кислота передает при участии фермента фосфоферазы один остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, которая превращается в АТФ, при этом образуется 3-фосфоглицернновая кислота. Последняя под действием фермента, фосфогдицеромутазы превращаемся в 2-фосфоглицериновую кислоту, которая; под влиянием фермента енолазы превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту и наконец в пировиноградную кислоту.

Образованием пировиноградной кислоты из фосфоенолпирувата заканчивается гликолитическое расщепление гексозы. На каждый, моль использованной в этих реакциях гексозы расходуется два моля АТФ, тогда как в реакциях превращения двух молекул 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и двух молекул фосфоенолпировноградной кислоты синтезируется четыре молекулы АТФ, в результате остаются неиспользованными две молекулы АТФ.

Кроме того, в ходе окисления гексозы до пирувата происходит восстановление двух молекул НАДН2, или НАДФН2 (в зависимости от растений), каждая из них, окисляясь, образует по три молекулы АТФ, а всего -- шесть молекул АТФ. Таким образом, при гликолитическом распаде гексозы, который является начальным этапом анаэробного дыхания, происходит потребление двух молекул АТФ, регенерация АДФ и образование четырех новых молекул аденозинтрифосфата. Пировиноградная кислота, образовавшаяся в результате описанных реакций в анаэробных условиях, подвергается превращениям, которые происходят при спиртовом ли молочнокислом брожении.

Химизм аэробной фазы дыхания. Заслуга Г. Кребса

Дальнейшим этапом дыхания является аэробное окисление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды. В последовательных реакциях окисления пировиноградной кислоты наблюдается активизирование водорода субстрата и перенос его и электронов на кислород. Этот комплекс превращений называется лимоннокислым циклом, или циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса. Первые работы по влиянию органических кислот на дыхание принадлежат А. Сент-Дьордьи, который обнаружил повышение дыхания от внесения в питательную среду четырех кислот -- янтарной, фумаровой, яблочной, щавелевоуксусной. В 1937 г. Г. Кребс предложил схему лимоннокислого окисления пировиноградной кислоты через трикарбоновые кислоты, названную его именем. Оказалось, что цикл Кребса является тем общим руслом, по которому осуществляется окончательное окисление субстратов дыхания -- углеводов, белков и липидов -- у всех живых организмов (рис. 18).

1. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты осуществляется комплексом ферментов (дегидрогеназа, декарбоксилаза и коферменты НАДФ и Ко-А). Реакция активизируется ионом магния. Образуется восстановленный НАДФ, ацетил-Ко-А и выделяется первый углеродный атом пировиноградной кислоты в виде СОО.

2. Конденсация ацетил-Ко-А со щавелевоуксусной кислотой и водой, в результате чего образуются лимонная кислота и Ко-А. Одновременно отделяются два электрона, переносимые к кислороду.

3. Превращение лимонной кислоты в изолимонную через цисаконитовую кислоту в результате реакций дегидратации и гидратации под действием фермента аконитазы.

4. Окисление изолимонной кислоты в щавелевоянтарную под действием фермента изоцитратдегидрогеназы с коферментом НАДФ. Одновременно выделяется протон.

5. Декарбоксилирование щавелевоянтарной кислоты с образованием б-кетоглутаровой кислоты под действием фермента декарбоксилазы. В этой реакции выделяется второй углеродный атом пировиноградной кислоты.

6. Окислительное декарбоксилирование а-кетоглутаровой кислоты в янтарную через образование сукцинил-Ко-А и АТФ. В этой реакции выделяется последний (третий) углерод пировиноградной кислоты. Реакцию катализирует комплекс ферментов, аналогичный комплексу первой реакции, В начале реакции а-кетоглутаровая кислота превращается в сукцинил-Ко-А и выделяются СО2, восстановленный НАДФ и протон. Завершается реакция высвобождением янтарной кислоты из сукцинил-Ко-А под действием фосфорилазы и фосфорилированием АДФ.

Эта реакция является примером субстратного фосфорилирования.

7. Окисление янтарной кислоты до фумаровой под действием фермента сукциндегидрогеназы с выделением Н2О.

8. Гидратация фумаровой кислоты в; яблочную под действием фумаразы.

9. Окисление яблочной кислоты в щавелевоуксусную под действием фермента малатдегидрогеназы с выделением двух протонов.

Образованием щавелевоуксусной кислоты замыкается цикл Кребса, в котором выделяются три молекулы СО2 и пять пар протонов и электронов. Две пары принадлежат пировиноградной кислоте, остальные -- воде, используемой при гидратации цисаконитовой, б-кетоглутаровой и фумаровой кислот. Пройдя электронно-транспортную цепь, состоящую из цитохромов, протоны к электроны соединяются с кислородом. На этом заканчивается полное окисление субстрата.

При дыхании высвобождается и используется немногим более 50 % энергии, заключенной в углеводах. При этом в гликолизе выделяется 5 % энергии, а в цикле Кребса --95%. Энергия аккумулируется в виде макроэргических фосфатных связей АТФ. В цикле Кребса выделение энергии наблюдается при окислении изолимонной кислоты через цисаконитовую до щавелевоянтарной, а-кетоглутаровой до сукцинил-Ко-А, янтарной до фумаровой и яблочной до щавелевоуксусной. В цикле Кребса образуются соединения, необходимые клетке для биосинтезов компонентов цитоплазмы.

Особое значение в дыхании имеет Ко-А, который, помимо АТФ, запасает энергию в виде макроэргической связи, образующейся при взаимодействии Ко-А с ацильным остатком кислоты. При этом энергия АТФ используется для зарядки ацетил-Ко-А, Ко-А представляет собой производное аденина, содержащее пантотеновую кислоту, аминокислоту, тиоэтаноламин и три остатка фосфорной кислоты. Он обладает высокой каталитической активностью, обусловленной наличием конечной сульфгидрильной группы тиозтаноламина, Ко-А способен активизировать не только уксусную, но и кислоты жирного и ароматического рядов. Ко-А переносит ацетильные группы СН3 -- СО для биосинтезов углеводов и липидов, где путь превращений лежит через пировиноградную и уксусную кислоты.

Липиды предварительно расщепляются на глицерин и производные ацил-Ко-А. Глицерин используется в гликолизе в виде глицерофосфата и преобразуется в пировиноградную кислоту. Ацил-Ко-А через ряд реакций превращается в ацетил-Ко-А, который окисляется в цикле Кребса до СО2 и Н2О.

Особое место следует отвести кетокислотам -- пировиноградной, а-кетоглутаровой, щавелевоуксуйной, фумаровой и ацетил-Ко-А, которые, аминируясь и переаминируясь, превращаются в аминокислоты -- аланин, глютаминовую, аргинин, орнитин, пролин, гистидин, аспарагиновую, тирозин, глицин, лейцин, серии, цистеин, триптофан, тирозин и фенилаланин. Следовательно, дыхание регулирует углеводный, белковый и липидный обмены в живом организме.

Помимо гликолиза и прямого окисления глюкозы, существует третий путь окисления однократно фосфорилированной глюкозы. Этот путь назван гексозомонофосфатным, апотомическим или пентозофосфатным шунтом, потому что он начинается с монофосфатного эфира -- глюкозо-6-фосфата, а в процессе окисления образуются пентозы (рис. 19). Кроме того, в отличие от гликолиза этот путь протекает в аэробных условиях. Анотомическое дыхание--широко распространенный путь энергетического обмена в клетке и включает следующие этапы.

1. Окисление глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф) с последующей гидратацией до 6-фосфоглюконовой кислоты (6-ФГК). Первую половину реакции катализирует фермент дегидрогеназа, вторую -- лактоназа.

2. Окислительное декарбоксилирование 6-фосфоглюконовой кислоты до рибулозо-5-фосфата. Реакцию катализируют ферменты дегидрогенеза с коферментом НАДФ и карбоксилаза, которые активизируются ионами магния и марганца.

3. Изомеризация рибулозо-5-фосфата в рибозо-5-фосфат под действием фосфопентоизомеразы и кснлулозо-5-фосфат при участии фосфопентокетоэпимеразы.

4. Образование седогептулозо-7-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида из ксилулозо-5-фосфата и рибозо-5-фосфата под действием фермента транскетолазы, НАДФ, магния.

5. Образование фруктозо-6-фосфата и эритрозо-4-фосфата из седогептулозо-7-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида при участии фермента трансальдолазы.

6. Образование второй молекулы фруктозо-6-фосфата и 3,-фосфоглицеринового альдегида из ксилулозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата под действием фермента транскетолазы и НАДФ.

7. Изомеризация 3-фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон (ФДА), при участии альдолазы происходит ферментативная конденсация двух триоз с образованием фруктозе-1,6-дифосфата, который, гидролизуясь фосфорилазой, превращается в фруктозо-6-фосфат -- третью молекулу.

Исключительно важными ферментами апотомического дыхания являются транскетолаза и альдолаза, которые позволяют клетке взаимно превращать сахара с различной длиной углеродной цепи и образовывать различные типы сахаров. При одном обороте цикла молекула глюкозо-6-фосфата распадается на две молекулы триозы. Одна окисляется до СО2, другая, конденсируясь с молекулой триозофосфата, превращается в гексозодифосфат. При этом образующиеся три молекулы фруктозо-6-фосфата составляют 75 % от общего количества рибозы.

Полное окисление глюкозы до СО2 происходит за шесть оборотов цикла. Апотомическое окисление имеет ряд преимуществ перед гликолизом и циклом Кребса: перед высвобождением СО2 глюкоза проходит три промежуточные стадии превращения (6-фосфоглюконолактон, 6-фосфоглюконат и рибулозо-5-фосфат), в то время как в гликолизе дегидрирование наблюдается только в двух реакциях, а в гликолизе и цикле Кребса -- в шести.

Важная роль в обмене веществ принадлежит гексомонофосфатному дыханию, в результате чего образуются соединения с различным числом углеродных атомов, которые могут служить исходными веществами для реакций в обмене аминокислот, синтеза нуклеотидов, образования циклических соединений. Особенно важна шикимовая кислота, образующаяся путем конденсации фоефоэнолпировиноградной кислоты и эритрозо-4-фосфата. Она является исходным продуктом для биосинтеза циклических соединений: полифенолов, хинонов, хинной кислоты и др. Из шикимовой кислоты через аминокислоту триптофан образуется гетероауксин -- фитогормон роста. Все это указывает на огромное значение дыхания для жизнедеятельности растительной клетки.

При прорастании семян масличных культур обнаружена активность ферментов изоцитразы изолимонной кислоты и малатсинтетазы яблочной кислоты. Среди продуктов окисления найдена глиоксилевая кислота. Следовательно, у масличных культур в аэробном этапе дыхания вместо цикла Кребса имеет место глиоксилатный цикл, который является некоторым изменением цикла Кребса.

1. Расщепление изолимонной кислоты на глиоксиленовую и янтарную происходит при участии фермента изоцитразы;

2. Синтез яблочной кислоты из глиоксилевой и ацетил-Ко-А под действием малатсинтетазы.

Следовательно, часть цепи цикла Кребса: а-кетоглутаровая кислота сукцинил-Ко-А-янтарная кислота-фумаровая кислота замещается участком: глиоксилевая кислота - уксусная кислота, из которой у масличных культур образуется ацетил-Ко-А. Глиоксилевая кислота обусловливает фотодыхание (выделение СО2 на свету).

В фотосинтезе образуется гликолевая кислота, которая при окислении превращается в глиоксилевую, две молекулы последней при декарбоксилировании образуют СО2 и триозофосфат, используемый в биосинтезе глюкозы. Глиоксилевая кислота, соединяясь с глютаминовой кислотой, дает гликокол -- аминокислоту, на которой при участии Ко-А синтезируются порфирины -- основа хлорофилла. Система гликолевая кислота > глиоксилевая кислота участвует в транспорте электронов фотосинтеза и является связующим звеном между фотосинтезом и дыханием.

Список используемой литературы

Алешин Е.П., Пономарёв А.А. Физиология растений. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985. - 255 с., ил.

Кириллов Ю.И., Кокин Г.А. Физиология растений: Учебное пособие. Курган, издательство «Зауралье», 1998, 304 с. ил.

Лебедев С.И. Физиология растений. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1982. - 463 с., ил.

Размещено на Allbest.ru