Взаимосвязь брожения и дыхания. Работы С.П. Костычева.

Брожение — это внутренний окислительно-восстановительный процесс, при котором акцептором электронов служит органическая молекула и суммарная степень окисления образующихся продуктов, отличается от степени окисления сбраживаемого вещества. Дыхание – это окислительный распад органических веществ при участии кислорода с образованием воды, углекислого газа и макроэргических соединений, которые используются клетками.
С.П. Костычев выдвинул положение о генетической связи процессов брожения и дыхания. При этом он опирался на следующие факты:
1. У высших растений был найден весь набор ферментов, который катализирует отдельные этапы процесса брожения.

2. При временном попадании в условия анаэробиоза высшие растения определенное время существуют за счет энергии, выделяющейся в процессе брожения. Правда, поскольку процесс брожения энергетически значительно менее эффективен, в анаэробных условиях рост растений приостанавливается. Кроме того, продукты брожения, в частности спирт, ядовиты, и их накопление приводит к гибели растения.

3. При добавлении к клеткам факультативных анаэробов (дрожжи) полусброженных Сахаров интенсивность дыхания у них резко возрастает, следовательно, полусброженные продукты являются лучшим субстратом дыхания по сравнению с неизмененными сахарами.
В настоящее время общепризнано, что первые этапы (гликолиз) протекают одинаково при процессах, как дыхания, так и брожения. Поворотным моментом является образование пировиноградной кислоты. В аэробных условиях пировиноградная кислота распадается до СO2 и воды в результате декарбоксилирования и цикла Кребса (дыхание), тогда как в анаэробных она преобразуется в различные органические соединения (брожение). Организм обладает способностью при изменении условий переключать процессы, прекращая брожение и усиливая дыхание и наоборот.

Впервые в опытах Пастера было показано, что в присутствии кислорода процесс брожения у дрожжей тормозится и заменяется процессом дыхания. Одновременно резко сокращается распад глюкозы. Дело в том, что для брожения необходим НАДН, который в аэробных условиях окисляется. Это явление оказалось характерным для всех факультативных анаэробных организмов, включая высшие растения, и получило название эффекта Пастера.
Сокращение расхода глюкозы в присутствии кислорода целесообразно, поскольку при дыхательном распаде выход энергии значительно выше, а следовательно, глюкоза используется более экономно. Однако осуществление разбираемого эффекта требует специальных механизмов. В зависимости от получаемого продукта различают разные типы брожения. При спиртовом брожении пировиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида при участии фермента пируватдекарбоксилазы, а затем восстанавливается до этилового спирта ферментом алкогольдегидрогеназой. Обе эти реакции не сопровождаются образованием АТФ. В связи с этим выход АТФ при спиртовом брожении такой же, как при гликолизе (первой фазы брожения и дыхания), и составляет две молекулы при распаде 1 моль глюкозы. Восстановленные никотинамидные коферменты НАДН + Н+, образовавшиеся в процессе гликолиза, не поступают в дыхательную цепь (у анаэробных организмов ее и нет), а используются для восстановления уксусного альдегида до спирта. Следовательно, энергетический выход процессов брожения крайне низок. Разные микроорганизмы осуществляют и разные типы брожения. Так, молочнокислые бактерии накапливают молочную кислоту. При этом пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты.
Для некоторых облигатных анаэробных микроорганизмов, например азотфиксирующей бактерии Clostridiumpasteurianum, характерно образование в процессе брожения масляной кислоты, СO2 и N2. Процесс брожения служит источником энергии для облигатных (обязательных) или факультативных анаэробных организмов.

Количественные показатели дыхания: интенсивность дыхания, дыхательный коэффициент и его зависимость от природы окисляемого субстрата.

Дыхание, как физиологический процесс, кроме показателя Ф/О, может характеризоваться интенсивностью дыхания и величиной дыхательного коэффициента. Если учитывать количество кислорода, поглощенного за 1 час граммом сухой (или сырой) массы растительного материала, то получим интенсивность (скорость) дыхания. Ее можно измерить и количеством СО₂, который выделяется за 1 час одним граммом растительной массы.

При исследовании процесса дыхания, можно одновременно учитывать количество выделяющего СО₂ и поглощенного О₂; в этом случае получаем дыхательный коэффициент (ДК).

ДК = СО₂/О₂

Таким образом, дыхательный коэффициент – это соотношение количества выделенного СО₂ к количеству поглощенного кислорода.

Выявить и особенно измерить интенсивность дыхания зеленых частей растения на свету нелегко, так как одновременно идет и фотосинтез, в газообмене которого участвуют те же газы. По изменению газовой среды, в которой находятся листья, можно выявить тот из двух процессов, который в данный момент происходит с наибольшей интенсивностью. Днем, как правило, количество поглощенного СО₂ для фотосинтеза больше, чем выделяется при дыхании. Дыхание на свету складывается из фотодыхания и митохондриального дыхания. Когда скорость фотосинтеза снижается, то может наступить момент, когда фотосинтез будет компенсировать одновременно идущее дыхание, и мы не сможем выявить газообмен. При дальнейшем снижении фотосинтеза дыхание начинает превалировать, а в темноте происходит только выделение СО₂, который образуется при дыхании.

Интенсивность дыхания варьирует в очень широких пределах, от 0,02 до 715 мг СО₂/г сухого вещества в час. С разной интенсивностью дышат представители разных систематических групп. Теневыносливые растения дышат менее интенсивно, чем светолюбивые. Интенсивность дыхания зависит также от особенностей органов и их физиологического состояния. Корни дышат слабее листьев, а интенсивность дыхания цветов, наоборот, в 3–4 раза выше по сравнению с листьями.

Если интенсивность – количественная мера дыхания, то дыхательный коэффициент – еще и качественный показатель, так как в первую очередь, он зависит от химической природы окисляемого вещества. Если дыхательным субстратом служат углеводы, тогда ДК = 1, что хорошо видно из суммарного уравнения:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О

Дыхательный коэффициент будет больше 1 при дыхании за счет органических соединений, в которых отношение кислорода к углероду больше, чем у углеводов. Так при окислении ЩУК:

2Н₂С₂О₄ + О₂ → 4СО₂ + 2Н₂О ДК = 4

Когда при дыхании используются вещества, которые более богаты водородом, чем углеводы, например жиры, белки, тогда дыхательный коэффициент будет меньше 1, так как на окисление «лишнего» водорода нужно больше кислорода. Например, при окислении стеариновой кислоты:

С₁₈Н₃₂О₆ + 26О₂ → 18СО₂ + 18Н₂О

ДК = 18: 26 = 0,69

Это теоретические расчеты. Однако в жизни такой строгой зависимости величины дыхательного коэффициента от природы дыхательного субстрата нет, так как на величину ДК влияют разные факторы.

Если окисление субстрата идет не до конца, а запасаются органические кислоты, тогда величина ДК уменьшается. Любой фактор, который повреждает мембраны, приводит к увеличению ДК.

Важным фактором, определяющим интенсивность дыхания клетки, является концентрация АДФ. Зависимость скорости потребления кислорода от концентрации АДФ называют дыхательным контролем или акцепторным контролем дыхания. Содержание Ф_н в клетках обычно является лимитирующим фактором.

Соотношение концентраций различных адениновых нуклеотидов в клетке:

 

называют энергетическим зарядом.

В последние годы дыхание начали делить на дыхание, которое обеспечивает рост, и дыхание, которое поддерживает жизнедеятельность.