Рекомендованная литеретура

1. Кузнецов В. В., Дмитриева Г. А. Физиология растений. – М.: Абрис, 2011. – 784 с.

2. Медведев С. С. Физиология растений. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 512 с.

3. Мусієнко М.М. Фізіологія рослин. – К.: Либідь, 2005. – 808 с.

4. Мусієнко М.М. Екологія рослин. – К.: Либідь, 2006. – 432 с.

5. Полевой В.В. Физиология растений. – М.: Высшая школа, 1989. – 464 с.

6. Физиология растений / Алехина Н.А., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др./ под. ред.. Ермакова Е.И. – М.: Академия, 2005. – 635 с.

Дополнительная

1. Корнеев Д.Ю. Информационные возможности метода индукции флуоресценции хлорофилла. – Киев: Альтерпрес, 2002. – 188с.

2. Кочубей С.М. Организация фотосинтетического аппарата высших растений. – Киев: Альтерпрес, 2001. – 204 с.

3. Дж. Эдвардс, Д. Уокер. Фотосинтез С₃ и С₄ растений: механизмы и регуляція. – М.: Мир, 1986. –590 с.

4. Мокроносов А.Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза. М.: Наука, 1981. - 194с.

Дыхание растений

Значение дыхания для растений. В темноте в отсутствие фотосинтеза энергетическое обеспечение в растительном организме происходит за счет дыхания. А в не зеленых нефотосинтезирующих органах дыхание постоянно является источником энергетических и восстановительных эквивалентов. В стрессовых условиях повышается спрос на АТФ, но фотосинтез более чувствителен к стрессорам и его уровень раньше снижается, и поэтому энергетическое обеспечение осуществляется за счет дыхания. Дыхание играет важную роль и в пластическом обмене растений. Промежуточные продукты гликолиза, ПФП, ЦТК и глиоксилатного цикла используются на синтез аминокислот, жирных кислот и других продуктов, в том числе и вторичного метаболизма. У растений гликолиз протекает не только в цитозоле, но и в пластидах.

Пластидный гликолиз, связанный с мобилизацией крахмала, имеет место в гетеротрофных и фотосинтезирующих тканях. Однако в хлоропластах процесс, проте­кает только в темноте.

Предполагается, что образованные в гликолизе пируват, АТФ и НАДН используются в синтезе жирных кислот, который у растений протекает в пласти­дах. Следует также иметь в виду, что пластидный гликолиз может идти не до конца, так как такие соединения, как ФГА и ФГК, могут выходить из хлоропластов и включаться в гликолиз, протекающий в цитозоле.

При прорастании семян, если оболочка семян препятствует доступу кислорода, или при затоплении корней растений глико­лиз завершается реакциями спиртовою или молочнокислого брожения. При этом образованный ранее НАДН вновь окисляется при восстановлении пирувата соответственно до этанола или молочной кислоты. При накоплении молочная кислота подкисляет цитозоль, что необходимо для активации пируватдекарбоксилазы, которая при pH > 7,0 находится в неактив­ной форме. При участии этого фермента на конечном этапе синтезируется этанол. Этанол в отличие от молочной кислоты способен выходить из клеток в меж­клеточники, что менее опасно, чем накопление в цитозоле лактата. Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении, в результате чего из пирувата вновь будут синтезированы углеводы. Такой обращенный гликолиз носит название глюконеогенез. Реакциями глюконеогенеза заканчиваются, например, превращение жиров в углеводы при прорастании семян, содержащих запасные жиры.

История исследования дыхания. Основателем учения о дыхании растений считают Н. Т. Соссюра. В 1797—1804 гг., впервые широко использовав количественный анализ, он установил, что в темноте растения поглощают столько же кислорода, сколько выделяется С0₂, т. е. соотношение С0₂/0₂, как правило, равно 1. При этом одновременно с С0₂ образуется и вода. Мнение Соссюра о том, что описанный им газообмен у растений является процессом дыхания и что этот процесс обеспечивает растительный организм энергией, долгое время не признавалось. Утверждалось, что в ночное время растения выделяют тот С0₂, который не был использован при фотосинтезе, и что этот С0₂ не имеет отношения к дыханию.

Однако постепенно накапливалось все больше данных о том, что дыхание животных и растений протекает однотипно, не­смотря на отсутствие у растений специальных дыхательных органов, причем основным субстратом дыхания служат сахара. И. Бородин (1876) в серии точных опытов установил, что интенсивность дыхания листоносных побегов в темноте в пер­вую очередь зависит от количества углеводов, накопленных ими на свету.

Во второй половине XIX в. в результате изучения дыхания у растительных и животных объектов общее уравнение этого процесса приняло следующий вид:

С₆Н₁₂0₆ + 60₂—6С0₂ + 6Н₂0 + энергия (2875 кДж/моль)

В 1897 году А.Н.Бах разработал перекисную теорию дыхания суть которой в том, что при окислении субстрата А образуется промежуточное соединение пероксид АО₂, Это активация кислорода. Пероксид взаимодействует соединением В, окисляет его. Соединение А, которое активирует кислород, Бах назвал «оксигеназой», рассматривая его вначале как фермент. В даль­нейшем он пришел к заключению, что это те соединения, которые темнеют на воздухе при поранении тканей, что именно такого рода легко окисляющиеся вещества способны присоеди­нять кислород и образовывать пероксиды.

Позднее, в 1955 г., две группы исследователей — О. Хаяиши с сотр. в Японии и Г. С. Мэзон с сотр. в США, используя современные методы, проанализировали возмож­ность включения кислорода в органические соединения. При­менив тяжелый изотоп кислорода, Хаяиши изучил процесс окисления пирокатехина до пирокатеховой кислоты под дей­ствием пирокатехазы:

Кислород в пирокатеховой кислоте оказался меченым. Таким образом, в точном эксперименте было доказано, что молеку­лярный кислород может включаться в органи­ческие соединения.

В настоящее время известно, что путь включения кисло­рода в органические соединения в соответствии с перекисной теорией биологического окисления Баха и Энглера не имеет отношения к дыханию, однако работы этих исследователей сыграли большую роль в изучении химизма дыхания, заложив основы современного понимания механизмов активации кисло­рода

В 1921 году В. Варбург изучая влияние ингибиторов на дыхание обнаружил резкое снижение дыхания под действием СО и синильной кислоты, т.е. веществами, взаимодействующими с железом в порфириновом кольце. Английский биохимик Д. Кейлин в 1925 г. окончательно доказал присутствие в клетках цитохромоксидазы, ускоряющей поглощение ими кислорода, и открыл другие цитохромы. Затем цитохромы были обнаружены у всех аэро­бов и было показано, что у этих организмов на завершающем этапе процесса дыхания осуществляется перенос на кислород электронов и протонов, в результате чего образуется Н₂0 или Н₂0₂.

Органические соединения могут быть окислены отнятием водорода. Еще Бах, сделав упор на перекисную теорию, выдвинул и вторую гипотезу, согласно которой биологическое окисление связано с отнятием от субстрата электронов и протонов. Эта вторая гипотеза Баха в дальнейшем была развита В. И. Палладиным в стройную теорию химизма дыхания. За­нимаясь с 1903 по 1916 г. дыхательными пигментами (тем­неющими на воздухе веществами из тканей), Палладии нашел удачную искусственную модель, которая помогла расшифровать химизм дыхания. Это был известный краситель метиленовый синий. Если в пробирку с раствором метиленового синего поместить несколько прорастающих зародышей пшени­цы и выкачать воздух (удалить кислород), то через некоторое время этот краситель полностью обесцветится. Если затем открыть пробирку и встряхнуть содержимое (т. е. дать кисло­род), то краситель снова синеет. Таким образом, при контакте с кислородом краситель окисляется, приобретая синий цвет, а живая ткань способна восстанавливать краситель, обесцве­чивая его. Причем окисление метиленового синего связано не с присоединением кислорода, а с отнятием водорода. Кра­ситель восстанавливается за счет присоединения электронов и протонов.

На основании этих и других опытов Палладии в 1912 г. в статье «Значение дыхательных пигментов в окислительных процессах растений и животных» представил общую теорию химизма дыхания, разделив основное уравнение дыхания на анаэробную (1) и аэробную (2) части:

1) С₆Н₁₂0₆ + 6Н₂0+ 12R→6С0₂ + 12RН₂

2)12RН₂ + 6O₂→12R + 12Н₂0

Если суммировать два уравнения, то получается:

С₆Н₁₂0₆ + 60₂→6С0₂ + 6Н₂0

где R — это окрашенный дыхательный пигмент, способный отнимать водород от субстрата, а RН₂ — бесцветный дыха­тельный хромоген. На первом, анаэробном, этапе дыхания глюкоза окисляется за счет отнятия водорода, который с по­мощью фермента (редуктазы) передается на дыхательный пигмент R (активация водорода!). По Палладину, дыхательный субстрат окисляется с участием воды, от которой тоже отни­мается водород. Кислород, по Палладину, необходим не для включения в дыхательный субстрат, а для отнятия электронов и протонов от RН₂, в результате чего образуется вода. В дальнейшем теория Палладина об анаэробной и аэробной фазах дыхания и о роли воды в дыхательном процессе полностью подтвер­дилась.

Экспериментальные доказательства участия воды в окисле­нии субстрата дыхания и роли 0₂ как конечного акцептора водорода были получены лишь в 1955 г. в работе А. Л. Курсанова. Опыты ставились с этиолиро­ванными проростками пшеницы, которым давали ¹⁸0 в составе 0₂ или Н₂0, а через 2 часа анализировали содержание ¹⁸0 в С0₂

В состав С0₂ при дыхании тяжелый изотоп кислорода входил из меченой воды, но не из молекулярного кислорода.

Основные пути окисления дыхательного субстрата. Окисление дыхательных субстратов в ходе дыхания осу­ществляется с участием ферментов. Ферменты как белковые катализаторы, помимо свойств, присущих неорганическим ка­тализаторам, обладают рядом особенностей: высокой активностью, высокой специфичностью по отношению к субстратам и высокой лабильностью. Их пространственная организация и зависящая от нее активность изменяются под действием внешних и внутренних факторов. Эти свойства обеспечивают возможность тонкой регуляции обмена веществ на уровне ферментов.

Существуют четыре способа окисления, и все они связаны с отнятием электронов:

1. непосредственная отдача электронов (Fe⁺² → Fe⁺³);

2. отнятие водорода (гидрохинон -2е -2Н⁺ → хинон);

3. присоединение кислорода (2 Н₂ + О₂ → 2Н₂О)

4. образование промежуточного гидратированного соединения с последующим отнятием двух электронов и двух протонов.

Ферменты дыхания. Поскольку окисление одного вещества (донора электронов и протонов) сопряжено с восстановлением другого соединения (их акцептора), ферменты, катализирующие эти реакции, назы­вают оксидоредуктазами.

Существуют три группы оксидоредуктаз:

а) анаэробные дегидрогеназы передают электро­ны различным промежуточным акцепторам, но не кислороду;

б) аэробные дегидрогеназы передают электроны различным акцепторам, в том числе кислороду;

в) оксидазы способны передавать электроны только кислороду.

Анаэробные дегидрогеназы — это двухкомпонентные фермен­ты, коферментом которых может быть НАД⁺ При окислении субстрата НАД⁺ превращается в восстанов­ленную форму NADH, а второй протон субстрата диссоциирует в среду (НАДH+Н⁺). К анаэробным НАД-зависимым дегидрогеназам относятся такие ферменты, как алкогольдегидрогеназа, малатдегидрогеназа и др. Коферментом анаэробных дегидрогеназ может быть также НАДФ⁺, содержащий на одну фосфатную группировку больше, чем НАД⁺. НАДФ-зависимыми дегидрогеназами являются: изоцитратдегидрогеназа, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа.

Субстратная специфичность фермента зависит от его бел­ковой части.

Анаэробные дегидрогеназы передают водород, т. е. электро­ны и протоны, различным промежуточным переносчикам и аэробным дегидрогеназам.

Аэробные дегидрогеназы — это также двухкомпонентные ферменты, получившие название флавиновых (флавопротеины).

Помимо белков, в их состав входит прочно связанная с ними простетическая группа — рибофлавин (витамин В₂). Различают два кофермента этой группы: флавинмононуклеотид (ФМН), или желтый дыхательный фермент Варбурга, и флавинадениндинуклеотид (ФАД). ФАД содержит гетероциклическое азотистое основание — диметилизоаллоксазин, спирт рибит (производное рибозы) и фосфат. Примером дегидрогеназы, в состав которой входит ФАД, является сукцинатдегидрогеназа. Доноры электронов для аэроб­ных дегидрогеназ — анаэробные дегидрогеназы, а акцепторы — хиноны, цитохромы, кислород.

Оксидазы — это аэробные дегидрогеназы, способные переда­вать электроны от окисляемого субстрата только на кислород. При этом образуются вода, пероксид водорода или суперок­сидный анион кислорода. В первом случае на О₂ переносятся 4е ̄ во втором — 2е ̄ —, в третьем — 1е ̄. Примером оксидаз первой группы могут быть цитохромоксидаза, полифенолоксидаза и др., второй группы — флавопротеиновые оксидазы (например, оксидазы аминокис­лот), третьей — ферменты типа ксантиноксидазы.

Цитохромная система. Среди оксидаз очень важную роль играют железосодержащие ферменты и переносчики, относящиеся к цитохромной системе. В нее входят цитохромы и цитохромоксидаза. Включаясь в определенной последова­тельности в процесс переноса электронов, они передают их от флавопротеинов на молекулярный кислород. Все компоненты цитохромной системы содержат железопорфириновую простетическую группу. Ингибиторами цитохромоксидазы являются СО, циа­нид, азид. В растительных митохондриях кроме цитохромокси­дазы функционирует оксидаза, не подавляемая цианидом. Растительные ткани обладают также рядом немитохондриальных оксидаз, способных взаимодействовать с кислоро­дом: полифенолоксидазами, аскорбатоксидазой и др.

Пероксидаза и каталаза. К пероксидазам относят целую группу ферментов, использующих в качестве окислите­ля пероксид водорода: классическую пероксидазу, пероксидазу жирных кислот, глутатионпероксидазу, цитохромпероксидазу.

Оксигеназы. Наряду с оксидазами, которые используют молекулярный кислород как акцептор электронов, в клетках широко представлены оксигеназы, активирующие кислород, в результате чего он может присоединяться к органическим соединениям. Ферменты, внедряющие в субстрат два атома кислорода, называют диоксигеназами, а присоединяющие один атом кислорода — мопооксигеназами или гидроксилазами. В ка­честве доноров электронов оксигеназы используют НАД(Ф)H, ФАДH₂ и др. Оксигеназы присутствуют во всех типах клеток. Они участ­вуют в гидроксилировании многих эндогенных соединений, в частности аминокислот, фенолов, стеринов и др., а также в детоксикации чужеродных токсических веществ (ксенобиоти­ков). Монооксигеназы осуществляют реакцию идроксилирования по схеме:

Диоксигеназы внедряют два атома кислорода в самые разнообразные группировки:

Структурная организация дыхания

Основные этапы дыхания. Окисление глюкозы в процессе гликолиза сопровождается восстановлением двух молекул НАД⁺, синтезом двух молекул АТФ и завершается образованием двух молекул пирувата. В митохондриях пируват подвергается полному окислению до С0₂ в реакциях, катализируемых пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК) и ферментами цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). В этих процессах образуются 4НАДН, 1ФАДН₂, а также одна молекула АТФ. Восстановительные эквива­ленты окисляются, отдавая электроны в электрон-транспортную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Электронный транспорт приводит к восстановлению кислорода до воды и сопряжен с синтезом основной массы АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. В клетках растений наряду с гликолизом и циклом Кребса, являющимся главным поставщиком свободной энергии в процессах дыхания, существует и другой важнейший способ катаболизма гексоз — пентозофосфатный путь (ПФП), в ко­тором участвуют пятиуглеродные сахара (пентозы). Этот путь дыхания известен также как гексозомонофосфатный цикл, пентозный шунт или апотомическое окисление. Окисление глю­козы (глюкозо-6-фосфата) по этому пути связано с отщеплением первого (альдегидного) атома углерода в виде С0₂ (отсюда и название — апотомический путь). При полном окислении молекулы глюкозо-6-фосфата по ПФП восстанавливается 6 НАДФ⁺и 6 НАД⁺, что эквивалентно 36 АТР.

Однако основное назначение ПФП состоит в участии не столько в энергетическом, сколько в пластическом обмене клеток. Это участие в пластическом обмене включает несколько аспектов:

1) НАДФH используется главным образом в различных синтетических реакциях. ПФП служит основным внемитохондриальным и внехлоропластным источником НАДФH, который необходим для синтеза жирных кислот, жиров, изопреноидов и т. д.

2) В ходе пентозофосфатного цикла синтезируются пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот и различных нуклеотидов.

3) ПФП имеет большое значение как источник образования углеводов с различным числом углеродных атомов в цепи (от С₃ до С₇). Эритрозо-4- фосфат, возникающий в ПФП, необходим для синтеза шикимовой кислоты — предшественни­ка многих ароматических соединений, таких, как аромати­ческие аминокислоты, витамины, дубильные и ростовые ве­щества, лигнин клеточных стенок и др.

4) Компоненты ПФП (рибулозо-1,5-дифосфат, НАДФH) при­нимают участие в темновой фиксации С0₂. По существу, ПФП представляет собой обращенный фотосинтетический (вос­становительный) цикл Кальвина.

5) В хлоропластах окислительный ПФП функционирует в темноте, предотвращая резкое изменение концентрации НАДФH в отсутствие света.

В качестве основного субстрата дыхания растения исполь­зуют углеводы — наиболее распространенные и важные в энер­гетическом отношении соединения, причем в первую очередь окисляются свободные сахара. Если растения испыты­вают в них недостаток, субстратами окисления могут быть запасные полимерные вещества — полисахариды и белки, а так­же жиры, но лишь после их гидролиза. Поли- и дисахариды гидролизуются до моносахаридов, жиры — до глицерина и жирных кислот, белки — до аминокислот.

Функцию зпасных углеводов у растений выпол­няют крахмал, иногда инулин (георгины, топинамбур), гемицеллюлозы. Микроорганизмы и некоторые высшие растения окисляют многоатомные спирты, образую­щиеся при восстановлении гексоз. Например, маннит исполь­зуется на дыхание накапливающих его растений (заразиха, плоды маслины, побеги ясеня),

Рис. Основные этапы дыхания.

сорбит служит субстратом дыхания хранящихся плодов груш и т. д. Субстратами дыха­ния могут быть также кислоты первичного окисления сахаров. Запасные жиры расходуются на дыхание проростков, развивающихся из семян, богатых жирами (подсолнечник, лен, конопля, клещевина и др.). Использование жиров начинается с их гидролитического расщепления липазой на глицерин и жирные кислоты, что происходит в органоидах, называемых сферосомами — жировыми каплями, или олеосомами. Благодаря фосфорилированию и последующему окислению глицерин превращается в фосфоглицериновый альдегид, который включается в основной путь обмена угле­водов. Жирные кислоты окисляются по механизму β-окисления, в результате которого от жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные ацетильные остатки в форме ацетил-СоА. Процесс β -окисления жирных кислот протекает в глиоксисомах, где, кроме того, локализованы ферменты глиоксилатного цикла. Ацетил-СоА включается в реакции глиоксилатного цикла, конечный продукт которого — сукцинат покидает глиоксисому и в митохондриях участвует в цикле Кребса или превращается в малат и участвует в глюконеогенезе. Синтезированный в ЦТК малат в цитоплазме при участии малатдегидрогеназы превращается в оксалоацетат, который с помощью ФЕП-карбоксикиназы дает фосфоенолпируват. ФЕП служит исходным материалом для синтеза глюкозы (а также фруктозы и сахарозы) в обращенных реакциях гликолиза.