4.7. Заключение

Аэробное дыхание – это контролируемый процесс окисления восстановленных органических соединений до СО₂ и воды. Все живые клетки растения «дышат», окисляя в процессе дыхания углеводы, образованные при фотосинтезе. Процесс дыхания можно разбить на три этапа - гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование. В процессе окисления глюкозы в реакциях гликолиза и ЦТК образуются ключевые метаболиты клетки, необходимые для разнообразных биосинтезов, и восстановительные эквиваленты. Протекание гликолиза и цикла трикарбоновых кислот в клетках растений имеет свои особенности. Эти особенности связаны с функционированием дополнительных ферментов и альтернативных реакций, дублирующих основные, общие для растений и животных, пути. Особенностью растений является также тот факт, что гликолиз протекает не только в цитозоле, но и в пластидах. Восстановленный НАДН и ФАДН₂ отдают электроны в электрон-транспортную цепь, по которой они переносятся на кислород. Интегрированная во внутреннюю мембрану митохондрий дыхательная цепь включает четыре трансмембранных комплекса и АТФ-синтазу. Три комплекса цепи - НАДН-дегидрогеназа, цитохром bc₁-комплекс и цитохромоксидаза - работают как протонные помпы, преобразуя энергию электронного потока в энергию Н⁺. Хотя структура комплексов в общих чертах известна, механизм работы этих замечательных молекулярных машин остается во многом загадочным. Создаваемый работой цепи Н⁺ используется АТФ-синтазай для синтеза АТФ, а также в процессах транспорта заряженных молекул через митохондриальную мембрану с участием белков-транспортеров.

Гибкость и многообразие, свойственное метаболизму растений, проявляется и в организации дыхательной цепи, в которой существуют альтернативные пути для переноса электрона. Эти пути являются нефосфорилирующими, т.е. в основном не сопряжены с генерацией Н⁺ и синтезом АТФ. Наряду с комплексом I митохондриальная мембрана растений содержит еще четыре ротеноннечувствительные НАД(Ф)Н - дегидрогеназы. Эти ферменты расположены так, что могут окислять НАДН и НАДФН по обе стороны мембраны, сбрасывая электроны в пул убихинона в обход комплекса I. Фундаментальным отличием растений является наличие в дыхательной цепи двух терминальных оксидаз и двух конкурирующих путей переноса электронов на кислород. Наряду с основной, цитохромной цепью, у растений действует альтернативный путь электронного транспорта, связанный с функционированием альтернативной оксидазы. Электронный поток с пула убихинона на альтернативную оксидазу обходит два из трех пунктов сопряжения и теряет большую часть энергии в виде тепла. Таким образом, эффективность трансформации энергии в растительных митохондриях зависит от соотношения цитохромного и альтернативного дыхания, активность которых контролируется экзогенными и эндогенными факторами.

Растительные митохондрии контролируют свой восстановительный и энергетический статус помощью дыхательного контроля, разобщения и альтернативной оксидазы. Дыхательный контроль устанавливает связь между электронным транспортом, величиной Н⁺ и работой АТФ-синтазных комплексов. Скорость переноса электронов в цепи контролируется величиной Н⁺. на мембране и замедляется, когда эта величина достигает высоких значений. Работа АТФ-синтаз сопровождается диссипацией Н⁺ и объективно способствует ускорению электронного транспорта. В условиях высокого соотношения АТФ/АДФ в матриксе АТФ-синтазы замедляют или прекращают свою работу, что ведет к росту Н⁺ и торможению электронного транспорта по цитохромной цепи. У растений существуют два способа обойти систему дыхательного контроля и сделать электронный транспорт независимым от работы АТФ-синтаз. Во-первых, электронный транспорт может быть разобщен с фосфорилированием с помощью жирных кислот и разобщающих UCP-белков. Разобщенный транспорт идет с высокой скоростью ине сопровождается синтезо АТФ.Во-вторых, альтернативное дыхание также можно рассматривать как способ разобщения электронного транспорта с фосфорилированием. Быстрый сброс электронов с пула убихинона на альтернативную оксидазу также ускоряет электронный транспорт и позволяет снизить эффективность синтеза АТФ. Физиологический смысл разобщения тем и другим способом – ускорение электронного транспорта в условиях высокого отношения АТФ/АДФ в матриксе, когда на электронный транспорт по цитохромной цепи наложен тормоз со стороны дыхательного контроля. Иногда быстрая разгрузка цепи необходима для быстрого окисления избытка НАДН и снижения вероятности генерации в цепи активных форм кислорода. Хотя оба способа разобщения приводят к рассеиванию энергии окисляемых субстратов в тепло, между ними есть принципиальная разница. Альтернативная оксидаза, объективно снижая эффективность запасания энергии, не влияет на величину Н⁺, тогда как механизм разобщения - связан с ликвидацией протонного потенциала и тем самым прямо влияет на энергезованное состояние мембраны и величину Н⁺.

В последнее время появились доказательств того, что роль митохондрий не ограничивается традиционными функциями синтеза АТФ и полезных соединений. Исследования последних лет позволяют думать, что происходящие в клетке события каким -то образом интегрируются в митохондриях. Возникающие ответные изменения могут провоцировать чрезмерную генерацию в дыхательной цепи активных форм кислорода. Результатом этого может быть экспрессия ядерных генов или активация программы клеточной смерти. С этой точки зрения изучение роли митохондрий в растительном метаболизме – новое и перспективное направление в физиологии растений.