Дихальні субстрати і дихальний коефіцієнт

Питання про речовини, що використовуються в процесі дихання, здавна займав фізіологів. Ще в роботах І.П. Бородіна (1876) було показано, що інтенсивність процесу дихання прямо пропорційна вмісту в тканинах рослин вуглеводів. Це дало підставу припустити, що саме вуглеводи є основною речовиною, що споживаються при диханні (субстратом).

У з'ясуванні цього питання велике значення має визначення дихального коефіцієнта. Дихальний коефіцієнт (ДК) - це об'ємне або молярне відношення С02, що виділився в процесі дихання, до поглиненому за цей же проміжок часу 02. При нормальному доступі кисню величина ДК залежить від субстрату дихання. Якщо в процесі дихання використовуються вуглеводи, то процес йде згідно з рівнянням С6Н1206 +602 -> 6С02 + 6Н20. В цьому випадку ДК дорівнює одиниці: 6С02 / 602 = 1. Однак якщо розкладанню в процесі дихання піддаються більш окислені сполуки, наприклад органічні кислоти, поглинання кисню зменшується, ДК стає більше одиниці. Так, якщо в якості субстрату дихання використовується яблучна кислота, то ДК = 1,33. При окисленні в процесі дихання більш відновлених з'єднань, таких, як жири або білки, потрібно більше кисню і ДК стає менше одиниці. Так, при використанні жирів ДК = 0,7. Визначення дихальних коефіцієнтів різних тканин рослин показує, що в нормальних умовах він близький до одиниці. Це дає підставу вважати, що в першу чергу рослина використовує в якості дихального матеріалу вуглеводи. При нестачі вуглеводів можуть бути використані і інші субстрати. Особливо це проявляється на проростках, що розвиваються з насіння, в яких в якості запасного живильного речовини містяться жири або білки. В цьому випадку дихальний коефіцієнт стає менше одиниці. При використанні в якості дихального матеріалу жирів відбувається їх розщеплення до гліцерину і жирних кислот. Жирні кислоти можуть бути перетворені в вуглеводи через гліоксилатний цикл. Використання білків в якості субстрату дихання передує їх розщеплення до амінокислот.

32. Анаеробне дихання рослин (гліколіз)

Початковий етап анаеробного розпаду вуглеводів полягає в утворенні ряду фосфорних ефірів цукрів (гексоз). Гліколіз відбувається в цитоплазмі.

Гліколіз здійснюється у всіх живих клітинах організмів. У процесі гліколізу відбувається перетворення молекули гексози до двох молекул піровиноградної кислоти.

На першому етапі молекула глюкози під дією ферменту гексокінази приймає залишок фосфорної кислоти від АТФ, яка перетворюється в АДФ, і в результаті утворюється глюкопіраноз-6-фосфат. Останній під дією ферменту фосфогексоізомерази (оксоізомерази) перетворюється в фруктофуранози-6-фосфат. На подальшому етапі гліколізу фруктофуранози-6-фосфату відбувається приєднання до нього ще одного залишку фосфорної кислоти. Джерелом енергії для утворення цього ефіру є також молекула АТФ. Цю реакцію каталізує фосфогексокіназа, що активується іонами магнію. В результаті утворюється фруктофуранози-1,6-дифосфат і нова молекула аденозиндифосфата.

Далі молекула фруктозо-1,6-дифосфата під впливом ферменту альдолази - розщеплюється на дві молекули фосфотріоз: фосфодіоксиацетон і 3-фосфогліцеріновий альдегід.

Наступний етап гліколізу полягає в окисленні 3-фосфогліцерінового альдегіду специфічної дегідрогеназ і фосфорилировании гліцеринової кислоти з використанням мінеральної фосфорної кислоти. Новоутворена в результаті цієї реакції 1,3-дифосфогліцеринова кислота передає за участю ферменту фосфоферази один залишок фосфорної кислоти молекулі АДФ, яка перетворюється в АТФ, при цьому утворюється 3-фосфогліцеріновая кислота. Остання під дією ферменту фосфогліцеромутази перетворюється в 2-фосфогліцеріновую кислоту, яка під впливом ферменту енолази перетворюється в фосфоєнолпіровіноградная кислоту і нарешті в пировиноградную кислоту.

Освітою піровиноградної кислоти з фосфоенолпіруват закінчується гликолитическому розщеплення гексози по типу спиртового бродіння.

Друга фаза дихання - аеробна - локалізована в мітохондріях і вимагає присутності кисню. У аеробне фазу дихання вступає піровиноградна кислота.

Процес можна розділити на три основні стадії:

1) окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти;

2) цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса);

3) заключна стадія окислення - електронтранспортную ланцюг (ЕТЦ) вимагає обов'язкової присутності 02.

Перші дві стадії відбуваються в матриксі мітохондрій, електронтранспортную ланцюг локалізована на внутрішній мембрані мітохондрій.

Перша стадія - окисне декарбоксилювання піровиноградної кислоти. Процес цей складається з ряду реакцій і каталізується складної Мультиферментний системою піруватдекарбоксилази. Піруватдекарбоксилази включає в себе три ферменту і п'ять коферментів (тіамінпірофосфат, ліпоєва кислота, коензим А - KoA-SH, ФАД і НАД). В результаті цього процесу утворюється активний ацетат - ацетілкоензім А (ацетил-КоА), відновлений НАД (НАДН + Н +), і виділяється вуглекислий газ (перша молекула). Відновлений НАД надходить в ланцюг перенесення електронів, а ацетил-КоА вступає в цикл трикарбонових кислот.

Друга стадія - цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса). У 1935 р угорський вчений А. Сент-Дьордь встановив, що додавання невеликих кількостей органічних кислот (фумаровой, яблучної або бурштинової) посилює поглинання кисню подрібненими тканинами. Продовжуючи ці дослідження, Г. Кребс прийшов до висновку, що головним шляхом окислення вуглеводів є циклічні реакції, в яких відбувається поступове перетворення ряду органічних кислот. Ці перетворення і були названі циклом трикарбонових кислот або циклом Кребса. Сам дослідник за ці роботи в 1953 р був удостоєний Нобелівської премії.

Суть циклу в декарбоксилировании піровиноградної кислоти.

В цикл вступає активний ацетат, або ацетил-КоА. Сутність реакцій, що входять в цикл, полягає в тому, що ацетил-КоА конденсується з щавелевоуксусной кислотою (ЩУК). Далі перетворення йде через ряд ді-і трикарбонових органічних кислот. В результаті ЩУК регенерує в колишньому вигляді. У процесі циклу приєднуються три молекули Н2 0, виділяються дві молекули С02 і чотири пари водню, які відновлюють відповідні коферменти (ФАД і НАД).

Ацетил-КоА, конденсуючись з ЩУК, дає лимонну кислоту, при цьому КоА виділяється в колишньому вигляді. Цей процес каталізується ферментом цітратсінтазой. Лимонна кислота перетворюється в ізолімонная. На наступному етапі відбувається окислення ізолімонной кислоти, реакція каталізується ферментом ізоцитратдегідрогеназа. При цьому протони й електрони переносяться на НАД (утворюється НАДН + Н +). Для протікання цієї реакції потрібні іони магнію або марганцю. Одночасно відбувається процес декарбоксилювання. За рахунок одного з атомів вуглецю, який набрав цикл Кребса, перша молекула С02 вьделяется. Новоутворена а-кетоглутарова кислота піддається окислювальному декарбоксилюванню. Цей процес також каталізується Мультиферментний комплексом кетоглутаратдегидрогенази. В результаті за рахунок другого атома вуглецю, який набрав цикл, виділяється друга молекула С02. Одночасно відбувається відновлення ще однієї молекули НАД до НАДН і утворюється сукцинил-КоА.

На наступному етапі сукцинил-КоА розщеплюється на бурштинову кислоту (сукцинат) та HS-КоА. Виділяється при цьому енергія накопичується в макроергічних фосфатних зв'язку АТФ. Новоутворена бурштинова кислота окислюється до фумарової кислоти. Реакція каталізується ферментом сукцинатдегідрогенази. Одночасно виділяється третя пара відрядив, утворюючи ФАД-Н2.

На наступному етапі фумарова кислота, приєднуючи молекулу води, перетворюється в яблучну кислоту за допомогою ферменту фумаратдегідрогенази. На останньому етапі циклу яблучна кислота окислюється до ЩУК.

З кожним етапом циклу зникає одна молекула піровиноградної кислоти, і від різних компонентів циклу отщепляются 3 молекули С02 і 5 пар атомів водню електронів.

Різновидом циклу Кребса є гліоксилатний цикл. Як джерело вуглеводів виступають двухуглеродний з'єднання, наприклад ацетат, і бере участь гліоксилової кислота. Р-ції глиоксилатного циклу лежать в основі перетворення запасного жиру в вуглеводи. Ферменти цього циклу знаходяться в тільцях клітини - Гліоксисома.

У глиоксилатного циклі на відміну від циклу Кребса ізолімонная кислота розпадається на янтарнуюі гліоксилової кислоти. Гліоксілат за участю малатсінтази взаємодіє з другої молекулою ацетил-Co А, в результаті чого синтезується яблучна кислота, яка окислюється до ЩУК.

На відміну від циклу Кребса в глиоксилатного циклі в кожному обороті бере участь не одна, а дві молекули ацетил-СоА і цей активоване ацетил використовується не для окислення, а для синтезу бурштинової кислоти. Янтарна кислота виходить з гліоксісом, перетворюється в ЩУК і бере участь, в глюконеогенезі (зверненому гликолизе) та інших процесах біосинтезу. Гліоксилатний цикл, дозволяє утилізувати запасні жири, при розпаді яких утворюються молекули ацетил-СоА. Крім того, на кожні дві молекули ацетил-СоА в глиоксилатного циклі.

Фізіологічний сенс глиоксилатного циклу складаються в додатковому шляху розкладання жирів і утворення ряду різноманітних проміжних сполук, що грають важливу роль в біохімічних реакціях.

Енергетика циклу Кребса

Цикл Кребса. відіграє надзвичайно важливу роль в обміні речовин рослинного організму. Він служить кінцевим етапом окислення не тільки вуглеводів, але також білків, жирів і інших з'єднань. В ході реакцій циклу звільняється основна кількість енергії, що міститься в окислюються субстраті, причому більша частина цієї енергії не втрачається для організму, а утилізується при утворенні високоенергетичних кінцевих фосфатних зв'язків АТФ.

В аеробній фазі дихання при окисленні піровиноградної кислоти утворюються 4 молекули НАДН + Н +. Їх окислення в дихальному ланцюгу призводить до утворення 12 АТФ. Крім того, в циклі Кребса відновлюється одна молекула флавінових дегідрогенази (ФАДН2). Окислення цього з'єднання R в дихальної ланцюга призводить до утворення 2 АТФ, оскільки одне фосфору-лирование не відбувається. При окисленні молекули а-кетоглутаровой кислоти до бурштинової кислоти енергія безпосередньо накопичується в одній молекулі АТФ (субстратне фосфорилювання). Таким чином, окислення однієї молекули піровиноградної кислоти супроводжується утворенням ЗС02 і 15 молекул АТФ. Однак при розпаді молекули глюкози виходить дві молекули піровиноградної кислоти.

Отже, всього в аеробній фазі дихання утворюється 6 молекул С02 і 30 молекул АТФ. У анаеробної фазі утворюються 2 молекули АТФ і ще 6 молекул АТФ при окисленні 2 молекул НАДН в дихальної ланцюга. Разом за дві фази вьщеляют 6 молекул С02 і утворюється 38 молекул АТФ в процесі окислювально-дихального розпаду молекули гексози. На освіту 38 молекул АТФ витрачено 38-30,6 кДж = 1162,8 кДж. Всього при спалюванні 1 моль глюкози вьщеляют 8824 кДж: С6 Н12 06 + 602 -> 6С02 + 6Н2 0 + 2824 кДж. Таким чином, ККД процесу дихання при найсприятливіших умовах становить близько 40%. Підводячи підсумки, можна сказати, що біологічне окислення - це багатоступінчастий ферментативний процес, супроводжуваний виділенням енергії.