Стадии дыхания семян злаковых

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Значение дыхания в жизни растений

2. Стадии дыхания семян злаковых

3. Субстраты дыхания

4. Анаэробное дыхание семян злаковых

4.1 Роль гликолиза у семян злаковых

5. Аэробное дыхание семян злаковых

5.1 Окислительное декарбоксилирование ПВК

5.2 Цикл трикарбоновых кислот

5.3 Электронно-транспортная цепь

6. Факторы, определяющие интенсивность дыхания семян

Заключение

Список литературы



Введение

Каждый живой организм, а зерно является живым организмом, нуждается в систематическом притоке энергии для поддержания процессов обмена веществ, происходящих в каждой его клетке. В хранящихся зернах и семенах эта энергия появляется в результате распада и преобразования органических веществ, главным образом, сахаров. Расходуемые при этом сахара пополняются в результате гидролиза или окисления более сложных запасных веществ. Так, в зернах, богатых крахмалом, он расщепляется при участии ферментов до сахаров. В семенах масличных культур происходит окисление жира (входящих в него жирных кислот) до сахаров, которые и расходуются на дыхание.

Процесс диссимиляции (разложения) сложных органических веществ до простых с целью высвобождения аккумулированной в них энергии носит название - дыхания.



1. Значение дыхания в жизни растений

Дыхание -- один из центральных процессов обмена веществ растительного организма. Выделяющаяся при дыхании энергия тратится как на процессы роста, так и на поддержание в активном состоянии уже закончивших рост органов растения. Вместе с тем значение дыхания не ограничивается тем, что это процесс, поставляющий энергию. Дыхание, подобно фотосинтезу, сложный окислительно-восстановительный процесс, идущий через ряд этапов. На его промежуточных стадиях образуются органические соединения, которые затем используются в различных метаболических реакциях. К промежуточным соединениям относят органические кислоты и пентозы, образующиеся при разных путях дыхательного распада. Таким образом, процесс дыхания -- источник многих метаболитов. Несмотря на то, что процесс дыхания в суммарном виде противоположен фотосинтезу, в некоторых случаях они могут дополнять друг друга. Оба процесса являются поставщиками как энергетических эквивалентов (АТФ, НАДФ.Н + ), так и метаболитов. Как видно из суммарного уравнения, в процессе дыхания образуется также вода. Эта вода в крайних условиях обезвоживания может быть использована растением и предохранить его от гибели. В некоторых случаях, когда энергия дыхания выделяется в виде тепла, дыхание ведет к бесполезной потере сухого вещества. В этой связи при рассмотрении процесса дыхания надо помнить, что не всегда усиление процесса дыхания является полезным для растительного организма.



2 Стадии дыхания семян злаковых

Семена также как и все живые существа, дышат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ. Дышат семена и днем, и ночью. В период покоя дыхание семян очень слабое, но при прорастании резко увеличивается. Увеличивается потребность в О2 и возрастает выделение СО2.

Дыхание -- это аэробный окислительный распад органических соединений на простые, неорганические, сопровождаемый выделением энергии. Дыхание обеспечивает энергией клетки семян за счет окисления органических веществ, главным образом сахаров, под действием окислительно-восстановительных ферментов.

Процесс дыхания является основным источником энергии и многочисленных метаболитов (промежуточных продуктов), которые используются для обновления белков, других органических веществ и структур клеток зародыша.

При благоприятных условиях хранения (влажность, температура, поступление кислорода) дыхание и обмен веществ в семенах осуществляются на низком уровне и направлены на сохранение зародыша в жизнеспособном состоянии.

Выделяют 2 фазы дыхания семян:

1. Анаэробное окисление или гликолиз;

2. Аэробное окисление

2.1 окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты;

2.2 цикл трикарбоновых кислот;

2.3 электронно-транспортная цепь (ЭТЦ).



3. Субстраты дыхания

Вопрос о веществах, используемых в процессе дыхания, издавна занимал физиологов. Еще в работах И. П. Бородина было показано, что интенсивность процесса дыхания прямо пропорциональна содержанию в тканях растений углеводов. Это дало основание предположить, что именно углеводы являются основным веществом, потребляемым при дыхании. В выяснении данного вопроса большое значение имеет определение дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент (ДК) -- это объемное или молярное отношение СО2, выделившегося в процессе дыхания, к поглощенному за этот же промежуток времени О2. При нормальном доступе кислорода величина ДК зависит от субстрата дыхания. Если в процессе дыханий используются углеводы, то процесс идет согласно уравнению С6Н12С6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О. В этом случае ДК равен единице.

Однако если разложению в процессе дыхания подвергаются более окисленные соединения, например органические кислоты, поглощение кислорода уменьшается, ДК становится больше единицы. Так, если в качестве субстрата дыхания используется яблочная кислота, то ДК = 1,33. При окислении в процессе дыхания более восстановленных соединений, таких, как жиры или белки, требуется больше кислорода и ДК становится меньше единицы. Так, при использовании жиров ДК = 0,7. Определение дыхательных коэффициентов разных тканей растений показывает, что в нормальных условиях он близок к единице. Это дает основание считать, что в первую очередь растение использует в качестве дыхательного материала углеводы. При недостатке углеводов могут быть использованы и другие субстраты. Особенно это проявляется на проростках, развивающихся из семян, в которых в качестве запасного питательного вещества содержатся жиры или белки. В этом случае дыхательный коэффициент становится меньше единицы. При использовании в качестве дыхательного материала жиров происходит их расщепление до глицерина и жирных кислот.

Жирные кислоты могут быть превращены в углеводы через глиоксилатный цикл. Использованию белков в качестве субстрата дыхания предшествует их расщепление до аминокислот.



4. Анаэробное дыхание семян злаковых

Анаэробное окисление углеводов идёт по пути гликолиза. Гликолиз - это анаэробный процесс, приводящий к распаду одной молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. При этом высвобождается энергия, которую организм аккумулирует в форме АТФ. Реакции гликолиза протекают в цитозоле, без потребления кислорода.

Полная цепь реакций гликолиза была выявлена трудами Л.А. Иванова, С.П. Костычева, А.Н. Лебедева, Г. Эмбдена, Я.О. Парнаса и О. Мейергофа к середине 30-х годов ХХ века. Гликолиз протекает в две стадии.

Первая стадия - подготовительная, или собирательная. Различные гексозы вовлекаются в гликолиз, главным образом, глюкоза, а также фруктоза и манноза. При этом инертные молекулы гексоз активируются, фосфорилируются за счёт АТФ, превращаются в глюкозо-6-фосфат. Этап заканчивается образованием глицеральдегид-3-фосфата.

Вторая стадия - окислительная. Глицеральдегид-3-фосфат окисляется до пировиноградной кислоты (пируват). Энергия окисления накапливается в АТФ, образуются восстановительные эквиваленты НАД•Н2.

Суммарное уравнение гликолиза:

С6Н12О6 + 2 НАД+ + 2 Н3РО4 + 2 АДФ > 2 СН3 - СО - СООН + 2 АТФ + 2 НАД•Н2 + 2 Н2О.

В дальнейшем пировиноградная кислота в зависимости от условий и специфических особенностей данного организма может подвергаться различным превращениям.

4.1 Роль гликолиза у семян злаковых

Роль гликолиза как анаэробной фазы дыхания заключается в извлечении из углеводов свободной энергии и аккумуляции её в легко используемой форме молекулах АТФ, а также в образовании многих высоко реакционноспособных соединений. Они используются в разнообразных метаболических реакциях. Значение гликолиза особенно велико в тканях и органах, где ограничен доступ кислорода или возможно внезапное и резкое возрастание скорости потребления АТФ.



5. Аэробное дыхание семян злаковых

Вторая фаза дыхания -- аэробная -- локализована в митохондриях и требует присутствия кислорода. В аэробную фазу дыхания вступает пировиноградная кислота. Общее уравнение этого процесса следующее:

Процесс можно разделить на три основные стадии: 1) окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты; 2) цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса); 3) заключительная стадия окисления -- электронно-транспортная цепь (ЭТЦ) требует обязательного присутствия О2. Первые две стадии происходят в матриксе митохондрий, электронно-транспортная цепь локализована на внутренней мембране митохондрий.

5.1 Окислительно декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Первая стадия -- окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Общая формула данного процесса следующая:

Процесс этот состоит из ряда реакций и катализируется сложной мультиферментной системой пируватдекарбоксилазой. Пируватдекарбоксилаза включает в себя три фермента и пять коферментов (тиаминпирофосфат, липоевая кислота, коэнзим A (KoA-SH), ФАД и НАД. Вся эта система имеет молекулярную массу 4,0 . 106. В результате этого процесса образуется активный ацетат -- ацетилкоэнзим А (ацетил-КоА), восстановленный НАД (НАД.Н + Н+), и выделяется углекислота (первая молекула). Восстановленный НАД поступает в цепь переноса электронов, а ацетил-КоА вступает в цикл трикарбоновых кислот. Важно отметить, что пируватдегидрогеназная система ингибируется АТФ. При накоплении АТФ выше определенного уровня превращение пировиноградной кислоты подавляется. Это один из способов регуляции интенсивности протекания аэробной фазы.

5.2 Цикл трикарбоновых кислот

Вторая стадия -- цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). В 1935 г. венгерский ученый А. Сент-Дьердьи установил, что добавление небольших количеств органических кислот (фумаровой, яблочной или янтарной) усиливает поглощение кислорода измельченными тканями. Продолжая эти исследования, Г. Кребс пришел к выводу, что главным путем окисления углеводов являются циклические реакции, в которых происходит постепенное преобразование ряда органических кислот. Эти преобразования и были названы циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса.

Общая схема цикла представлена на рисунке 1. В цикл вступает активный ацетат, или ацетил-КоА. Сущность реакций, входящих в цикл, состоит в том, что ацетил- КоА конденсируется с щавелевоуксусной кислотой (ЩУК). Далее превращение идет через ряд ди- и трикарбоновых органических кислот. В результате ЩУК регенерирует в прежнем виде. В процессе цикла присоединяются три молекулы Н2О, выделяются две молекулы СО2 и четыре пары водорода, которые восстанавливают соответствующие коферменты (ФАД и НАД).

Суммарная реакция цикла выражена уравнением:



СН3 СО -- S --КоА + ЗН2О + ЗНАД + ФАД+АДФ + Фн >2СО2 + НS-КоА + ЗНАД.Н2 + ФАДН2 + АТФ

Отдельные реакции протекают следующим образом. Ацетил-КоА, конденсируясь с ЩУК, дает лимонную кислоту, при этом КоА выделяется в прежнем виде. Этот процесс катализируется ферментом цитратсинтетазой. Лимонная кислота превращается в изолимонную. На следующем этапе происходит окисление изолимонной кислоты, реакция катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой.

Рисунок № 1 - «Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)»



При этом водород переносится на НАД (образуется НАД-H). Для протекания этой реакции требуются ионы магния или марганца.

Одновременно происходит процесс декарбоксилирования. За счет одного из атомов углерода, вступившего в цикл Кребса, первая молекула СО2 выделяется. Образовавшаяся кетоглутаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию подобно тому, которое разбиралось по отношению к пировиноградной кислоте. Этот процесс также катализируется мультиферментом кетоглутаратдегидрогеназой, содержащей тиаминпирофосфат, липоевую кислоту, коэнзим А, ФАД и НАД. В результате за счет второго атома углерода, вступившего в цикл, выделяется вторая молекула СО2. Одновременно происходит восстановление еще одной молекулы НАД до НАД-Ш и образуется сукцинил-КоА. На следующем этапе сукцинил-КоА расщепляется на янтарную кислоту (сукцинат) и HS -- КоА. Выделяющаяся при этом энергия накапливается в макроэргической фосфатной связи АТФ. Этот этап важен, так как выделяющаяся энергия непосредственно накапливается в АТФ. Этот тип образования АТФ, подобно ее образованию в процессе гликолиза, относится к субстратному фосфорилированию. Образовавшаяся янтарная кислота окисляется до фумаровой кислоты. Реакция катализируется ферментом сукцинатдегидрогеназой, простетической группой которого является ФАД. Одновременно выделяется третья пара водородов, образуя ФАД-Н2.

На следующем этапе фумаровая кислота, присоединяя молекулу воды, превращается в яблочную кислоту. На последнем этапе цикла яблочная кислота окисляется до щавеливо-уксусную кислоту. Эту реакцию катализирует фермент малатдегидрогенеза, активной группой которого является НАД, и происходит выделение четвертой пары атомов водорода-- образуется НАД-H. Таким образом, ЩУК регенерирует в прежнем виде и может реагировать со следующей молекулой активного ацетата, поэтому практически ЩУК в процессе цикла не расходуется. Одновременно в ходе каждого цикла выделяются две молекулы СО2 и образуются три молекулы НАД-Н + Н + и молекула ФАД-Н2. Многие реакции цикла Кребса обратимы. Важно также отметить, что образовавшиеся в рассмотренных реакциях органические кислоты могут служить материалом для построения аминокислот, жиров и углеводов и в этом случае выводятся из цикла. Вместе с тем соединения, входящие в цикл, могут образовываться в ряде других реакций (например, при декарбоксилировании аминокислот) и вступать в цикл. Таким образом, рассмотренные превращения не отделены от других реакций метаболизма, а тесно с ними взаимосвязаны. Для реакций цикла Кребса кислород не требуется. Кислород необходим для регенерации или окисления восстановленных коферментов (НАД-Н2 и ФАД-H). Количество окисленных форм этих коферментов ограничено. В анаэробных условиях, когда регенерация коферментов невозможна, они быстро оказываются исчерпанными и весь процесс прекращается. Окисление коферментов осуществляется в дыхательной цепи, или цепи переноса водорода и электронов. Конечным акцептором в этой цепи является кислород воздуха. Энергия, высвобождаемая при окислении коферментов, накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ.

Подводя итог, можно отметить, что в результате распада 1 молекулы ПВК в аэробной фазе (декарбоксилирование ПВК + цикл Кребса) выделяется ЗСО2, 4НАД-Н2 и 1ФАД-Н2. Таким образом, 5 пар Н2, образующихся из ПВК и воды, поступают в дыхательную цепь.

5.3 Электронно-транспортная цепь

Третья стадия -- электронно-транспортная цепь (ЭТЦ). В процессе окисления пировиноградной кислоты в цикле Кребса образовались пары водорода 2Н, которые мы можем рассматривать как 2Н + + 2е-. Именно в таком виде они, акцептированные НАД и ФАД, и передаются по цепи переносчиков. В процессе переноса водорода и электронов важную роль играют ферменты, относящиеся к классу оксидоредуктаз.

Оксидоредуктазы, участвующие в дыхательной цепи, делятся на следующие основные группы.

А) Пиридиновые дегидрогеназы, у которых коферментом служит НАД или НАДФ, отнимают два атома водорода от субстрата. При этом к коферментам присоединяются один протон и два электрона. Протон и один электрон связываются с атомом углерода в молекуле НАД, а второй электрон нейтрализует положительный заряд атома азота. Один протон выделяется в среду (рис. 2). Коферменты НАД и НАДФ связаны с ферментом с помощью ионов металла и сульфгидрильных группировок. В зависимости от белкового носителя, к которому присоединен кофермент (НАД или НАДФ), различают более 150 пиридиновых дегидрогеназ. Каждая из них специфична по отношению к определенному субстрату. Необходимо учитывать, что НАД и НАДФ могут воспринимать водород и электроны лишь в том случае, если субстрат имеет более отрицательное значение потенциала по сравнению с ними.

Рисунок 2 - «Окисленная и восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида (НАД)»

Б) Флавиновые дегидрогеназы. Это также большая группа ферментов, катализирующая отнятие 2Н от различных субстратов. Простетической группой этих ферментов служат производные витамины В2 (рибофлавина) -- флавинадениндинуклеотид (ФАД) и флавинмононуклеотид (ФМН). Активной частью флавиновых дегидрогеназ служит изоаллоксазиновое кольцо. В процессе восстановления именно к этой группировке присоединяется 2Н (2Н++2е) (рис.3). Простетическая группа у флавиновых дегидрогеназ прочно прикреплена к белковому носителю. Специфичность и в этом случае определяется белковой частью фермента.

Рисунок 3.А - «Структурные формулы флавиновых нуклеотидов: ФМН (в рамке) и ФАД (вся формула)»; Б - «восстановление и дегидрирование флавиновых нуклеотидов»

В) Цитохромы. Простетическая группа цитохромов представлена железопорфиринами. Железопорфириновая группа (тем) в цитохромах прочно связана с белком через атомы серы аминокислоты цистеина. Известно около 20 цитохромов, которые делятся на четыре главных класса: а, Ь, с, d, отличающихся между собой природой простетической группы: цитохромы а содержат железоформилпорфирины, цитохромы b -- железопротопорфирины, цитохромы d -- железогидропорфирины. В каждую группу цитохромов входит по нескольку различающихся между собой ферментов.

Рисунок 4 - «Окисленная и восстановленная формы коферментов Q»

Роль цитохромов заключается в переносе электронов. Содержащееся в цитохромах железо способно к обратимым окислительно-восстановительным реакциям. Воспринимая электрон, железо восстанавливается, теряя его -- окисляется: Fe3+ +е-> Fe2+. Непосредственно с кислородом воздуха может реагировать только цитохромоксидаза, которая кроме железа содержит атомы меди.

Помимо перечисленных ферментов в переносе электронов по дыхательной цепи принимают участие кофермент Q и железосерные белки. Кофермент Q --это производное бензохинона, получившее название убихинон. Убихинон представляет собой кольцевую молекулу с двумя присоединенными к ней атомами кислорода, для которой возможны три состояния. В полностью окисленном состоянии, или хиноновой форме, оба атома кислорода связаны с кольцом двойными связями. Присоединение одного атома водорода к одному из атомов кислорода дает полухиноновую форму QH. В полностью восстановленной форме атомы водорода присоединяются к обоим атомам кислорода. Эта форма носит название гидрохиноновой -- QH2 (рис. 4). Таким образом, кофермент Q может присоединять 2 протона и 2 электрона. Убихинон растворим в жирах и в связи с этим подвижен в липидной фазе мембран. Железосерные белки содержат FeS -- это переносчики электронов подобно цитохромам. Содержащееся в них железо обратимо восстанавливается и окисляется.

Путь переноса водорода и электрона от одной молекулы переносчика к другой (рис. 5) представляет собой окислительно-восстановительный процесс. При этом молекула, отдающая электрон или водород, окисляется, а молекула, воспринимающая электрон или водород, восстанавливается. Движущей силой транспорта водорода в дыхательной цепи является разность потенциалов.

В связи с этим расположение отдельных переносчиков в дыхательной цепи, так же как и в цепи фотосинтетической, определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала.

В начале цепи расположен НАД, обладающий наибольшей отрицательной величиной окислительно-восстановительного потенциала (--0,32 В), а в конце -- кислород с наиболее положительной величиной (+0,82 В). Остальные переносчики ФАД, KoQ цитохромы расположены между ними в порядке последовательного повышения положительного потенциала.

Это и позволяет электронам передвигаться по направлению к кислороду (наивысший положительный потенциал).

В 1939 -- 1940 гг. биохимик В. А. Белицер указал, что выделяющаяся в процессе передачи по дыхательной цепи электронов энергия частично накапливается в АТФ.



Рисунок 5 - «Дыхательная цепь (расположение переносчиков в мембране митохондрий)»

Рисунок 8 - «Окислительное фосфорилирование в митохондриях: А - схема Митчелла; Б - расположение переносчиков в мембране митохондрий»



При переносе электронов свободная энергия системы постепенно уменьшается. Общее изменение энергии при переносе пары водородов и пары электронов от НАД на кислород можно рассчитывать по формуле

?Go = nF?Eo

где n -- число электронов, равное 2;

F -- фарада = 96 633,97 Дж;

? E0 -- разность потенциалов между участком цепи от --0,32 до +0,82= 1,14;

? Go -- стандартное изменение свободной энергии, ? Gо = 2-96633,97 Дж-1,14 = 220,8 кДж.

Таким образом, изменение свободной энергии системы составляет около 220,8 кДж. Свободная энергия гидролиза АТФ равна 30,6 кДж. Исходя из того, что уменьшение свободной энергии системы при переносе пары электронов с НАД на кислород составляет 220,8 кДж, можно было предположить возможность образования из АДФ + Фн семи молекул АТФ. Однако было показано, что при прохождении пары электронов от НАД-Н до 1/2 О2 образуется всего 3 молекулы АТФ. Из этого был сделан вывод, что в цепи переноса электронов имеется три пункта фосфорилирования. Накопление энергии окисления в АТФ при продвижении электрона по цепи переносчиков называют окислительным фосфорилированием. Механизм образования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, так же как и фотофосфорилирования, объяснен благодаря работам английского биохимика П. Митчелла. Его теория получила название хемиосмотической. Согласно хемиосмотической теории свободная энергия, образованная при окислительно-восстановительных реакциях в дыхательной цепи, преобразуется в электрохимический градиент ионов водорода (??Н +). При этом мембрана переходит в высокоэнергетическое состояние. Ионы Н+ (протоны) переносятся с внутренней стороны внутренней мембраны на ее внешнюю сторону, иначе говоря, из матрикса митохондрии в межмембранное пространство с помощью переносчиков. ??Н +, в свою очередь, является источником энергии для образования АТФ из АДФ. ??Н+ имеет две составляющие: градиент рН (? рН) и градиент электрического потенциала. Переносчики дыхательной цепи сосредоточены на внутренней мембране митохондрий. При этом они как бы вплетены в митохондриальную мембрану и составляют дыхательные ансамбли. Так же как в мембранах хлоропластов, переносчики, расположенные в митохондриях, неоднородны. Одни из них переносят целые атомы водорода, а другие -- лишь электроны. Использование переносчиков второго типа (переносящих электрон) возможно потому, что протоны (Н+) могут находиться в водной среде клетки в свободном состоянии. В мембране митохондрий, так же как и в мембране хлоропластов, переносчики водорода чередуются с переносчиками электрона, что имеет принципиальное значение для хемиосмотической теории.

Молекула переносчика, несущая целый атом водорода, взаимодействует с переносчиком, воспринимающим только электроны, и протоны высвобождаются в межмембранное пространство. Именно это, согласно хемиосмотической теории, лежит в основе преобразования выделяющейся в процессе окисления энергии в энергию электрохи мического мембранного потенциала -- ??Н+ и далее в энергию АТФ. Согласно теории Митчелла, при переносе пары электронов от НАД на кислород они пересекают мембрану 3 раза и этот перенос сопровождается выделением на внешнюю сторону мембраны 6 (3 пар) протонов (рис. 6, А, Б).

При рассмотрении рисунков 5 и 6 надо учитывать, что это лишь предположительная схема расположения переносчиков. Многое в ней нуждается в уточнении. Как видно из приведенной схемы, восстановленный кофермент НАДН+ +Н+, образующийся в реакциях цикла Кребса, располагается на внутренней стороне мембраны митохондрий. На первом этапе ФАД воспринимает водороды от НАД и восстанавливается, образуя ФАД-Н2. С помощью этого фермента 2Н + переносятся на другую (внешнюю) сторону мембраны, и здесь происходит первое разделение зарядов. Два протона (2 Н+) выделяются на внешнюю сторону внутренней мембраны, а электроны присоединяются к переносчику (железосерный белок), с помощью которого переносятся на внутреннюю сторону мембраны. При этом происходит восстановление железа (Fe3+e->Fe2+). Этот переносчик переправляет электроны снова на внутреннюю сторону мембраны. Здесь электроны акцептируются KoQ (убихинон -- переносчик Н), который, заряжаясь отрицательно, захватывает двумя электронами два протона из внутренней среды. Поскольку KoQ растворим в липидах, он диффундирует к внешней стороне мембраны и выделяет там еще 2Н + (второе разделение зарядов), а электроны передаются на цитохром b. Рассматривая схему, мы указали на два места выделения (всего четырех) протонов.

Между тем, согласно хемиосмотической теории, локализация пунктов фосфорилирования в дыхательной цепи определяется пунктами выделения ионов Н +. Поскольку, как указывалось выше, показано наличие трех мест фосфорилирования, то необходима транслокация через внутреннюю мембрану трех пар протонов. Однако точно место выделения третьей пары протонов не установлено. Предполагается, что третья пара Н+ выделяется также при переносе электронов от KoQ (убихинона) к цитохрому b. При этом участвуют 2 молекулы убихинона, которые сначала переходят в полухинон, а затем в гидрохинон (выделяется третья пара Н+). Далее электроны передвигаются по цепи цитохромов b, с, а, а3, содержащих железо. В каждом из них происходят обратимые окислительно-восстановительные превращения железа. На заключительном этапе электроны переносятся ферментом цитохромоксидазой (содержащей наряду с железом медь) на внутреннюю сторону мембраны на кислород. Кислород, заряжаясь, воспринимает 2Н+ из внутренней среды с образованием Н2О. В результате выброса ионов Н+ на внешнюю сторону мембраны митохондрий и создается электрохимический градиент протонов (??Н+). Таким образом, сам механизм процессов, происходящих на мембранах хлоропластов и митохондрий, сходен. Однако имеются два основных отличия: 1) в случае хлоропластов источником энергии потока электронов служит энергия света, а у митохондрий -- энергия окислительных процессов; 2) распределение протонов на мембране противоположно: у митохондрий протоны - накапливаются на наружной стороне, а у хлоропластов -- на внутренней.

Протонный градиент представляет собой как бы резервуар свободной энергии. Эту энергию можно использовать при обратном потоке протонов через мембрану. При этом происходит разрядка мембраны. В частности, энергия может быть затрачена на синтез АТФ. Процесс синтеза АТФ идет с помощью специальных ферментов -- АТФ-синтетаз (АТФ-азы). Этот фермент обратимого действия в зависимости от условий может осуществлять не только синтез АТФ с поглощением, но и ее гидролиз с выделением энергии. АТФ-азы локализованы на мембранах в виде грибовидных частиц, состоящих из «шляпки», выступающей на поверхности мембраны, и «ножки», погруженной в толщу мембраны. Активный участок фермента расположен в «шляпке», а «ножка» представляет собой канал, по которому осуществляется обратный -- по градиенту концентрации ток протонов.

Существуют две гипотезы, объясняющие механизм синтеза АТФ прямой и косвенный. Согласно прямому механизму, АДФ и Фн связываются с активным центром фермента, куда по каналу поступают протоны. Два протона соединяются с кислородом фосфата с образованием Н2О. Это делает Фн активным, и он присоединяется к АДФ. После этого молекула АТФ отделяется от фермента. Согласно второй гипотезе, АДФ присоединяет молекулу Фн в активном центре фермента спонтанно. Однако образующаяся при этом молекула АТФ прочно связывается с ферментом, и для ее освобождения требуется энергия. Энергия доставляется протонами, которые, воздействуя на фермент, изменяют его конформацию, благодаря чему АТФ высвобождается.

Доказательством того, что именно градиент протона обеспечивает фосфорилирование, являются опыты с разобщителями окисления и фосфорилирования. Как уже упоминалось, к таким разобщителям относится динитрофенол. Оказалось, что действие динитрофенола связано с тем, что он делает мембрану проницаемой для протонов и тем самым ликвидирует протонный градиент. При этом скорость окисления даже усиливается, однако фосфорилирование не происходит. Таким образом, процесс окисления сопряжен с процессом фосфорилирования. Степень сопряженности окисления и фосфорилирования может быть разной в зависимости от условий и от состояния клеток.

Показателем сопряженности окисления и фосфорилирования служит коэффициент фосфорилирования Р/О. Это -- отношение количества связанного неорганического фосфора (АДФ + Фн >АТФ) к поглощенному в процессе дыхания кислороду. Как уже рассматривалось выше, перенос двух электронов к кислороду по дыхательной цепи сопровождается не более чем тремя фосфорилированиями. Следовательно, коэффициент Р/О может быть не более 3. На величину Р/О оказывают влияние внешние условия. При засухе окисление усиливается, а накопление энергии в виде АТФ не происходит, коэффициент Р/О резко падает. Коэффициент фосфорилирования резко падает и при заболевании организмов.

В ряде случаев может наблюдаться непосредственное использование энергии протонного градиента (??Н+). Действительно, поскольку внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно, возникает трансмембранный потенциал. Катионы в силу электрического притяжения могут поступать и накапливаться во внутреннем пространстве митохондрий. Имеются данные, что протонный градиент может обеспечить также приток углеводов, в частности поступление сахарозы в ситовидные трубки. Таким образом, ??Н+ обеспечивает осмотическую работу и транспорт веществ против градиента их концентрации.

Наконец, показана возможность использования ??Н+ на механическую работу (движение бактерий).

Вместе с тем важно отметить, что ??Н+ может играть роль как транспортная форма энергии, передаваясь вдоль мембран (В. П. Скулачев).

Таким образом, клетка обладает двумя формами используемой энергии, двумя энергетическими «валютами» -- АТФ и ??Н+:1) АТФ -- химическая «валюта», растворимая в воде и легко используемая в водной фазе; 2) ??Н+ электрохимическая, неразрывно связанная с мембранами. Важно заметить, что эти две формы используемой клеткой энергии могут переходить друг в друга. При образовании АТФ используется энергия ??Н+ при распаде АТФ энергия может аккумулироваться в??Н.



6. Факторы, определяющие интенсивность дыхания семян

Рост зародыша (прорастание семян) - начальный этап жизненного цикла растения. Для прорастания требуются строго определённые условия: влага, тепло и приток кислорода воздуха. Так, сухие семена злаковых (влажность до 14%) обладают минимальным дыханием. Семена с влажностью 14,5% дышат в 2 - 4 раза интенсивнее, а с влажностью более 17% - в 20 - 30 раз интенсивнее, чем сухие. Таким образом, прорастание начинается с поглощения семенем воды и набухания (в среднем до 50% к массе). Объясняется это тем, что зёрна злаковых содержат до 14%, а масличных до 7 - 8%, так называемой прочно связанной (гидратационной) воды с биополимерами, главным образом с белками. Эта вода не может служить растворителем и средой для осуществления интенсивных биохимических процессов. При повышении влажности выше «критической» (14%) появляется свободная вода, резко увеличивая скорость дыхания и другие биохимические процессы.

Вторым фактором, определяющим интенсивность дыхания является температура. Минимальная интенсивность дыхания отмечается при минусовых температурах, максимальная - при температуре 50 - 55?С. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому понижению дыхания семян (в результате денатурации многих белков) и их отмиранию.

Третьим фактором является скорость поступления кислорода, т. к. диоксид углерода тормозит дыхание. При длительном хранении в атмосфере повышенных концентраций углекислого газа зерно полностью переходит на брожение, постепенно отравляется этанолом и отмирает.

Тронувшийся в рост зародыш разрывает оболочки. Биохимическая направленность прорастания - активация гидролаз в эндосперме и семядолях и гидролиз биополимеров (белков, крахмала и жиров) до мономеров, которые перемещаются к зародышу и используются для биосинтеза новых органических веществ, из которых формируются клетки, ткани, а затем органы развивающегося растения.

Дыхание семян сопровождается следующими явлениями:

- уменьшением массы вследствие расходования углеводов, белков и жиров. Особенно это возрастает при прорастании семян;

- уменьшением кислорода и увеличением углекислого газа в окружающей атмосфере. Так, в элеваторах, содержание углекислого газа в межзерновом пространстве может достигать 13% (вместо 0,03%), а содержание кислорода понижается до нуля;

- выделением влаги и тепла. Тепло, выделяемое прорастающими семенами, является причиной быстрого и резкого повышения температуры. Если начинается «плесневение» сырого зерна, то интенсивность дыхания возрастает ещё быстрее с повышением температуры до самовозгорания. Если хранящееся зерно не проветривать для удаления влаги и понижения температуры, то процесс дыхания будет усиливаться до явления прорастания.



Заключение

Жизнь любого организма связана с постоянной затратой энергии для разнообразных биохимических процессов в организме, роста и развития, обмена веществ. Важнейшим источником энергии у высших растений является процесс дыхания. В зависимости от того, в каких условиях находится зерно, в нем могут происходить два вида дыхания: аэробное и анаэробное (брожение).

анаэробный фаза дыхание злаковый



Список литературы

1. Кретович В.Л. Биохимия растений. - М.: Высшая школа, 1986. - 503 с.

2. Кретович В.Л. Техническая биохимия. - М.: Высшая школа, 1973. - 456 с.

3. Казаков Е.Д., Кретович В.Л. Биохимия зерна и продуктов его переработки. М.: Агропромиздат, 1989. - 368 с.

4. Плешков Б.П. Биохимия сельскохозяйственных растений. - М.: Агропромиздат, 1987. - 494 с.

5. Филиппович Ю. Б. Основы биохимии: Учеб. для хим. и биол. спец. пед. ун-тов и ин-тов. - 4-е изл., перераб. и доп. - М.: изд-во "Агар", 1999.-512 с.

6. Биохимия: учеб. для вузов / В. П. Комов, В. Н. Шведова. - 3-е изд. стериотип. - М.: Дрофа, 2008. - 678 с.

7. Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е.С. Северина., 2003. 779 с.

Размещено на Allbest.ur