Специфика клеточного дыхания растений

Важнейшими отличительными особенностями дыхания растений является наличие цианидрезистентного дыхания. А также то, что в фотосинтезирующих тканях источником энергетических и восстановительных эквивалентов наряду с дыханием является фотосинтез. Изучение особенностей дыхания растений, связанных с альтернативной оксидазой (АО), обеспечивающей цианидрезистентное дыхание имеет давнюю и интересную историю. Еще в XIX веке ботаники описали явление, которое впоследствии назвали термогенезом ароидных рас­тений. При цветении некоторых видов температура цветка резко повышается, иногда превышая температуру окружающего воздуха на десятки градусов. Так, температу­ра цветка лилии Arum italium может достигать 51°С при температуре воздуха 15°С, а початок (цветка) скунсовой капусты (Symplocarpus foetidis) нагревает­ся до 30°С при температуре воздуха всего лишь 5°С. Гиперпродукция тепла в цветке ароидных лилий необходима для испарения пахучих соединений, привлекающих насекомых-опылителей.

При исследовании этого феномена оказалось, что повышение температуры тканей сопровождается вспышкой дыхательной активности, при этом поглощение 0₂ не подавляется цианидом и СО — классическими ингибиторами дыхания животных. Вскоре выяснилось, что и другие ткани высших растений имеют в процессе поглощения 0₂ компоненту, не подавляемую цианидом. Так было открыто цианидрезистентное дыхание, характерное для всех семенных растений, а также грибов, водорослей и даже некоторых простейших. Целенаправленное изучение этого явления при­вело к открытию в дыхательной цепи растений альтернативной оксидазы (АО) и связанного с ней альтернативного пути переноса электрона. Активность АО не подавляется цианидом, а также другими ингибиторами комплекса IV — СО и азидом. Специфическими ингибиторами АО признаны соли гидроксамовых кислот (салицилгидроксамовая кислота).

Альтернативная оксидаза — убихинол-кислород-оксидоредуктаза — представляет собой один полипептид (мол. масса ~ 32 кДа), синтез которого коди­руется ядерным геном. Во внутренней мембране растительных митохондрий АО может находиться в мономерной или димерной форме.

Альтернативная оксидаза прямо восстанавливает 0₂ до Н₂0 за счет одного акта, связанного с отнятием от двух молекул QH₂ 4е̄ согласно реакции

2QH₂ + 0₂ → 2Q + 2Н₂0

Реакция, катализируемая АО, не сопряжена с переносом протонов и не вносит вклад в создание на мембране протонного градиента.

В дыхательной цепи растений реализуются два возможных пути, или две цепи, по которым отнимаемые от субстратов дыхания электроны переносятся на 0₂. Эти пути не автономны: они имеют общий участок, на котором работа­ют комплексы I и 2, а также НАД(Ф)Н-дегидрогеназы, сбра­сывающие электроны в пул убихинона. Однако с пула убихинона электронные потоки могут

разветвляться (Рис.) и идти по основному цитохромному или альтернативному пути. Электронный транспорт по цитохромному пути включает комплексы III и

Рис. Редокс-системы растительный клеток

IV, а значит, связан с работой протонных помп и синтезом АТФ. Если с пула убихинона электронный поток сворачивает на альтернативный путь через АО, значительная часть его энергии теряется в виде тепла и не используется для синтеза АТФ. Поэтому в случае преоблада­ния альтернативного дыхания клетки для получения АТФ должны использовать в три раза больше субстрата. Избыточное тепло, образуемое из-за необхо­димости сжигать большее количество субстрата для получения того же количе­ства АТФ, лежит в основе термогенеза. Можно сказать, что альтернативное дыхание представляет собой вид несопряженного электронного транспорта, который не зависит от дыхательного контроля.

Соотношение цитохромного и альтернативного дыхания варьирует достаточно широко и зависит как от стадии онтогенеза, так и от физиологического состояния растения. Наиболее впечатляющий тому пример — резкое увеличе­ние интенсивности альтернативного дыхания при цветении ароидных. Но ак­тивация альтернативной оксидазы наблюдается и во многих других случаях: при прорастании семян, при старении листьев и цветков, при формировании пыльцы. Вспышка дыхательной активности (так называемый климактериче­ский подъем дыхания) при созревании плодов также связана с усилением альтернативного дыхания. Интересно, что стрессы разной природы, такие, как низ­котемпературный стресс, засоление, засуха, поранение или внедрение патоге­на, сопровождаются увеличением активности АО.

Физиологическая роль АО понятна только в случае термогенеза в цветках ароидных. В других случаях интенсивность дыхания и активность АО не столь велики, чтобы вызвать заметное повышение температуры тканей. Тогда зачем же у растений существует этот способ дыхания. На этот воп­рос есть мнение, что альтернативное дыхание — это эволюционно возникший способ, позволяющий растениям поддерживать дыхание при подавлении ос­новной цитохромной цепи цианидом. Дело в том, что многие виды (около 2500 видов, принадлежащих к разным семействам) в естественных условиях в качестве продуктов вторичного метаболизма образуют цианогенные гликозиды, распад которых может сопровождаться образованием HCN. К таким растениям относятся, например, клевер (Trifolium repens), лотос (Lotus corniculatus), Vicia sp., многие виды акаций.

И инфекция сопровождается активацией АО в клетках растения. Есть также гипотеза «сверхпотока» Х.Ламберса, которая предполагалет, что альтернативное дыхание — это своего рода «выхлопной клапан», через который «сжигается» избыток уг­леводов, если клетка не в состоянии эффективно использовать их или запасти.

Сейчас эта гипотеза трансформировалась: альтернативное дыхание рассмат­ривают как механизм поддержания баланса между углеводным метаболизмом и скоростью электронного транспорта. Понять смысл этого утверждения помо­жет следующий пример. Известно, что скорость электронного транспорта кон­тролируется через систему дыхательного контроля и снижается при высоком соотношении АТФ/АДФ в матриксе. Предположим, что элек­тронный транспорт по цитохромной цепи заторможен действием дыхательно­го контроля. В этих условиях уровень НАДН в матриксе возрастет. Ключевые ферменты ЦТК регулируются через соотношения АТФ/АДФ и НАДН/НАД⁺. При высоком уровне НАДН и АТФ работа ЦТК будет блокирована, что должно привести к накоплению пирувата. Но пируват является аллостерическим активатором АО, и его накопление приведет к увеличению активно­сти АО. Это в свою очередь стимулирует электронный транспорт по альтернатив­ной цепи, который, с одной стороны, не будет сопряжен с синтезом АТФ, а с другой стороны, приведет к быстрому окислению избытка НАДН. Тем самым будет снят тормоз с ЦТК, интермедиаты которого активно используются в раз­личных биосинтезах. Следовательно, функция АО может заключаться в том, что­бы в нужный момент стимулировать быстрое окисление НАДН в дыхательной цепи и тем самым снять с ЦТК «аденилатный контроль», т.е. разрешить работу цикла в условиях, когда концентрации АТФ в матриксе достаточно велики.

Важная функция АО заключается в защите клетки от окислительно­го стресса. Митохондрии являются местом образования Н₂О₂. Интенсивно перекись образуется при перевосстановлении ЭТЦ. АО снимает такое

перевосстановление и снижает образование перекиси.

Немитохондриальные ЭТЦ. В мембранах ЭР локализованы две редоксцепи (Рис.). В одной из них при окислении НАДН с участием флавопротеина и цитохрома b₅ осуществляется оксигеназная реакция, связанная с гидроксилированием, приводящая к образованию ненасыщенных связей в жирных кислотах (десатурация). Во второй редокс-цепи ЭР субстратом является NADPH, а завершает цепь цитохром Р-450, который, используя 0₂, гидроксилирует многие соединения. Эта редокс-цепь важна для синтеза ряда метаболитов, детоксикации вредных для клетки соединений, теряющих свою активность при гидроксилировании, и для превращения нерастворимых в воде соединений в водорастворимые.

Дыхательный коэффициент. Отношение количества молей выделяемого при дыхании С0₂ к количеству молей поглощенного 0₂ называется ды­хательным коэффициентом (ДК). Для углеводов гексоз он равен единице:

С₆Н₁₂0 + 60₂ → 6С0₂ + 6Н₂0; ДК = 6С0₂/60₂ = 1.

Количество кислорода, необходимое для окисления субстра­та в процессе дыхания, находится в обратной зависимости от содержания его в молекуле субстрата: чем меньше атомов кислорода в молекуле субстрата, тем больше 0₂ тратится на окисление. Поэтому если субстратом дыхания являются более бедные кислородом (по сравнению с углеводами) жир­ные кислоты, то ДК будет меньше единицы. Примером может служить окисление стеариновой кислоты:

С₁₈н₃₆0₂ + 260₂ → 18С0₂ + 18Н₂0; ДК = 18С0₂/260₂ = 0,69

На окисление более окисленных, чем углеводы, органических кислот требуется меньше кислорода, что увеличивает дыха­тельный коэффициент, как видно из реакции окисления щаве­левой кислоты:

2С₂Н₂0₄ + 0₂ → 4С0₂ + 2Н₂0; ДК = 4С0₂/0₂ = 4

Однако величина дыхательного коэффициента определяется не только свойствами окисляемого субстрата. Она также за­висит от снабжения тканей кислородом. При его недостатке (например, в меристеме кончиков корней, в семенах с плотными оболочками, при затоплении корней и т. д.) усиливается бро­жение и ДК возрастает. Если в результате недоокисления продуктов в тканях накапливаются органические кислоты, а количество выделяемого С0₂ снижается, ДК падает.

Таким образом, хотя степень окисленности дыхательного субстрата и может влиять на ДК, величина его скорее отражает особенности процесса дыхания данной ткани, органа, находящихся на определенной стадии онтогенеза при действии конкретных внешних условий.

Эффект Пастера. Уровень 0₂ в тканях влияет не только на интенсивность дыхания, но определяет и величину расхо­дования дыхательных субстратов, на что впервые обратил вни­мание Л. Пастер. В его опытах с дрожжами в присутствии 0₂ снижались распад глюкозы и интенсивность брожения (уменьшалось количество спирта и выделяемого С0₂), но одно­временно наблюдался интенсивный рост биомассы дрожжей вследствие усиления использования сахаров на синтетические процессы. Торможение распада сахаров и более эффективное их использование в присутствии кислорода получило название «эффекта Пастера».

Механизм эффекта Пастера состоит в том, что в присут­ствии 0₂ интенсивно идущий процесс окислительного фосфорилирования конкурентно уменьшает количество молекул AДФ, вступающих в гликолиз (на нужды субстратного фосфорилирования). По этой причине, а также из-за тормозящего действия АТФ (синтез которого резко возрастает в аэробных условиях) на фосфофруктокиназу, скорость процессов гликолиза в присутствии 0₂ снижается. Избыток АТФ может способ­ствовать и ресинтезу глюкозы из части молекул пирувата, образующегося в ходе гликолиза. Без кислорода не функцио­нируют цикл Кребса и ПФП и, следовательно, клетки не получают многих промежуточных соединений, необходимых для синтеза клеточных структур. В присутствии 0₂ все эти циклы работают. Увеличение концентрации молекул АТФ в условиях аэробиоза также способствует синтетическим про­цессам.

Дыхательный контроль. Возрастание функциональной актив­ности клеток сопровождается усилением дыхания. В значитель­ной степени это достигается благодаря механизму дыхатель­ного контроля, или акцепторного контроля дыхания. Дыха­тельным контролем называют зависимость скорости потреб­ления 0₂ митохондриями, от концентрации AДФ, который служит акцептором фосфата при окислительном фосфорилировании. В условиях полного сопряжения транспорта элект­ронов по ЭТЦ с синтезом АТФ интенсивность дыхательного процесса в митохондриях зависит от концентрации AДФ или, точнее, от отношения действующих масс АТФ-системы: [ATФ]/[AДФ] [Фн.]. Причем неорганический фосфат обычно при­сутствует в достаточном количестве и не является ограничи­вающим фактором. В клетке, находящейся в состоянии покоя, это отношение достаточно велико, так как почти весь AДФ фосфорилирован. При увеличении функциональной активности клеток АТФ расходуется на энергозависимые процессы, в результате чего возрастает концентрация AДФ, а это в свою очередь приводит к повышению скорости переноса электронов и интенсивности окислительного фосфорилирования.

Более полно состояние адениннуклеотидной системы выра­жается отношением, получившим название энергетического заряда:

[АТФ] + 1/2 [AДФ]

[АТФ] + [AДФ] + [AMФ]

Дыхание роста и дыхание поддержания. Интенсивность и эффективность дыхания во многом определяют рост и накопление растением биомассы. Эти показатели, во многом определяющие продуктивность растений, зависят от количественных затрат дыхательного суб­страта, с одной стороны, на рост, а с другой — на обновление, или поддержа­ние, биомассы. С этой точки зрения в физиологии растений существуют такие понятия, как дыхание роста и дыхание поддержания. Дыхание поддержания снаб­жает метаболитами и энергией процессы, связанные с обновлением и органи­зацией уже существующей биомассы, тогда как дыхание роста обеспечивает энергией и метаболитами новообразование биомассы, т.е. рост. Количественно оценить вклад обоих составляющих в общее дыхание довольно сложно. Для этой цели сравнивают интенсивность дыхания растения в условиях оптималь­ного роста и при условиях, когда рост экспериментально подавлен. Например, варьируют условия освещения: выращенные в оптимальных условиях растения затем выдерживают в темноте. После того как дыхание в темноте стабилизиру­ется, его уровень принимают за дыхание поддержания. Близок по смыслу и другой способ, когда растения с полной питательной среды переносят на сре­ду, лишенную азота. В таких условиях рост растений прекращается из-за отсутствия азота, и уровень дыхания принимается за дыхание поддержания. При стрессах разной природы рост растений, как правило, тормозится, однако интенсивность дыхания остается прежней или даже усиливается. Это говорит о том, что при адаптации к стрессу увеличиваются энергозатраты на поддержа­ние биомассы и выживание. В то же время экофизиологические исследования растений показали, что между величиной дыхания поддержания и условиями обитания растений нет четкой корреляции. Так, растения, адаптированные к стрессовым условиям (засоление, засуха), не отличались по этому критерию от растений, растущих в благоприятных условиях. В то же время ряд авторов отмечали, что у арктических растений компонента дыхания поддержания выше по сравнению с видами умеренных широт.