Механизм окислительного фосфорилирования

Перенос электронов по дыхательной цепи приводит к выбросу протонов в межмембранное пространство из митохондриального матрикса. В результате матрикс защелачивается, а межмембранное пространство - закисляется.

МЕХАНИЗМ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
Для объяснения механизма сопряжения окисления и фосфорилирования были выдвинуты две принципиальные гипотезы. Химическая гипотеза постулирует прямое химическое сопряжение на всех стадиях процесса, как при образовании АТР в процессе гликолиза. Предполагается, что существует интер-медиат, богатый энергией (I ~ X), связывающий процессы окисления и фосфорилирования. Поскольку такое соединение до сих пор не было обнаружено, эта гипотеза в известной мере дискредитирована и в дальнейшем не будет рассматриваться (подробно об этом вопросе можно прочесть в обзоре: Harper, Rodwell and Mayes,- 1979). Хемиосмотическая теория постулирует, что при окислении компонентов дыхательной цепи генерируются ионы водорода, которые выходят на наружную сторону сопрягающей мито-хондриальной мембраны. Возникающая в результате асимметричного распределения ионов водорода (протонов, Н⁺) разность электрохимических потенциалов используется для приведения в действие механизма образования АТР.
Были выдвинуты и другие гипотезы; согласно одной из них, энергия окисления запасается в форме изменения конформации молекул, а затем используется для генерирования богатых энергией фосфатных связей.

Хемиосмотическая теория Митчела.

ее суть заключается в том, что пластохинон, присоединив два электрона от П680, присоединяет два протона из стромы хлоропласта и переносит их через мембрану во внутритилакоидное пространство. Протоны накапливаются внутри тилакоида и в результате фотоокисления воды. Благодаря неравномерному распределению протонов по обе стороны мембраны создается разность химических потенциалов протонов, и возникает электрохимический мембранный потенциал ионов водорода (DmН). Он включает в себя две составляющие: концентрационную (DрН), возникающую в результате неравномерного распределения протонов по обе стороны мембраны, и электрическую (DY), обусловленную возникновением противоположного заряда на поверхности мембран, т.е. образованием мембранного потенциала.

Энергия DрН и DY используется для обратного транспорта протонов из внутритилакоидного пространства в строму хлоропласта по особым каналам. С оратным транспортом протонов сопряжено фосфорилирование АДФ. Сопряжение обратного транспорта протонов и фосфорилирование АДФ обеспечивает Н⁺-АТФ-синтетаза. Расположенная в тилакоидных мембранах и состоящая из двух частей: каталитической водорастворимой F1, обращенной к строме хлоропласта, мембранной части F0, пронизывающий бислой липидов – это протонный канал, по которому протоны могут возвращаться в строму хлоропласта.

 

АДФ и фосфат соединяются с ферментом в его каталитической части F1. Два протона, перемещаясь по градиенту концентрации электрохимического потенциала по протонному каналу F0, соединяются с кислородом фосфата, образуя воду. Потеря кислорода активирует фосфатную группу, и она присоединяется к АДФ с образованием АТФ. фермент Н⁺-АТФ-синтетаза активен, пока транспортируются протоны. Протоны двигаются, если их концентрация во внутритилакоидном пространстве больше. На каждые два электрона, переданных по электрон-транспортной цепи, внутри тилакоида накапливается 4Н⁺. при возвращении обратно в строму хлоропласта двух протонов синтезируется АТФ – одна молекула.

 

14.Пентозофосфатный путь окисления и его роль

Наряду с разложением глюкозы в процессе гликолиза существует другой, не ме­нее распространенный путь — пентозофосфатный, или апотомический. В этом случае глюкоза также подвергается первоначальному фосфорилированию с об­разованием глюкозо-6-фосфата, затем пути расходятся. Монофосфорный эфир глюкозы подвергается окислению при участии фермента глюкозо-6-фосфатде-гидрогеназы. Коферментом является НАДФ, при этом образуется фосфоглюконовая кислота. Процесс происходит следующим образом:

 

На следующем этапе происходит процесс окислительного декарбоксилирования фосфоглюконовой кислоты. В результате этой реакции отщепляется одна молекула углекислого газа и образуется пятиуглеродный сахар рибулезо-5-фосфат. Отсюда и название — пентозофосфатный цикл или апотомический путь (апотомия — усекновение). Реакция катализируется ферментом фосфоглюконатдегидрогеназой с коферментом НАДФ:

 

Обе рассмотренные реакции необратимы. Последующие реакции представ­ляют цикл. Для прохождения полного цикла реакций необходимы три молекулы гексозомонофосфата, которые превращаются в три молекулы рибулезо-5-фос-фата по уравнению:

 

Три образовавшиеся молекулы пентозы (рибулезо-5-фосфат) претерпевают превращения. Первая молекула рибулезо-5-фосфата под влиянием фермента эпимеразы превращается в ксилулозо-5-фосфат. Вторая молекула рибулезо-5-фосфата превращается в рибозо-5-фосфат под влиянием фермента фосфопентоизомеразы. Ксилулозо-5-фосфат реагирует с рибозо-5-фосфатом, в результате получается семиуглеродный сахар — седогептулозо-7-фосфат и фосфоглицериновый альдегид. Эта последняя реакция идет под влиянием фермента транскетолазы:

 

Семиуглеродный сахар реагирует с ФГА, при этом образуется фруктозо-6-фос-фат и эритрозофосфат. Фруктозо-6-фосфат изомеризуется до глюкозо-6-фосфа-та. Эритрозофосфат вместе с третьей молекулой рибулезо-5-фосфата также дает глюкозо-6-фосфат и ФГА. В целом процесс может быть суммирован в следующем виде:

 

Триоза (ФГА) может претерпевать превращения по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты и далее вступать в цикл Кребса. Как видно из уравнения, в пентозофосфатном цикле из каждых трех молекул глюкозы распадается одна, при этом выделяются 3 молекулы С02 и образуются 6 молекул НАДФН и ФГА. Окисление НАДФН идет через дыхательную цепь, при этом первоначально НАДФН взаимодействует с НАД. При включении 6 молекул НАДФН в дыхательную цепь образуется 18 молекул АТФ. Если считать, что 1 молекула АТФ используется на предварительное фосфорилирование гексозы, то накапливается 17 молекул АТФ. Вместе с тем при превращении фосфоглицеринового альдегида в пировиноградную кислоту и ее окислении через цикл Кребса образуется еще 20 молекул АТФ. Таким образом, при окислении по пентозофосфатному пути одной молекулы глюкозы выделяется 37 молекул АТФ. Следовательно, с энергетической стороны апотомический путь почти не отличается от гликолитического. Однако они сильно различаются по промежуточным продуктам. В процессе апотомического распада глюкозы образуется восстановленный НАДФ, который может быть использован на различные синтетические процессы, в том числе и в темновых реакциях фотосинтеза. Важное значение имеет образование пентоз. Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. Нельзя не отметить, что образующийся в этом процессе эритрозофосфат является предшественником лигнина и ряда других соединений.

 

15.Глиоксилатный цикл

Фотодыхание – это активируемый светом процесс выделения СО₂ и поглощения О₂. Так как первичным продуктом фотодыхания является гликолевая кислота, оно еще называется гликолатным путем. Фотодыхание усиливается при низком содержании СО₂ и высокой концентрации О₂ в воздухе. В этих условиях рибулозобисфаткарбоксилаза хлоропластов катализирует не карбоксилирование рибулозо-1,5-дифосфата, а его расщепление на 3-фосфоглицериновую и 2-фосфогликолевую кислоты. Последняя дефосфорилируется с образованием гликолевой кислоты.

Гликолевая кислота из хлоропласта переходит в пероксисому, где окисляется гликолатоксидазой до глиоксиловой кислоты. Образующаяся при этом перекись водорода разлагается каталазой, присутствующей в пероксисоме. Глиоксиловая кислота аминируется, превращаясь в глицин. Глицин транспортируется в митохондрию, где из двух молекул глицина синтезируется серин и освобождается СО₂.

Серин может поступать в пероксисому и под действием аминотрансферазы передает аминогруппу на пировиноградную кислоту с образованием аланина, а сам превращается в гидроксипировиноградную кислоту. Последняя при участии НАДФН восстанавливается в глицериновую кислоту. Она переходит в хлоропласты, где включается в цикл Кальвина.

Итак еще раз подытожим:

1. СО₂ образуется во время превращения двух молекул глицина в серин,

2. Кислород расходуется для синтеза гликолата и глиоксилата

3. В течение цикла образуется свободный аммиак, который не выделяется во внешнюю среду, а используется для аминирования оксилутарата, в результате образуется глутамат

4. Во время этого цикла, как и при дыхании, поглощается кислород и выделяется углекислый газ

5. ФГК может использоваться для синтеза сахарозы или крахмала.

В настоящее время глиоксилатный цикл рассматривают как процесс, выполняющий важные функции в растительном организме: источник промежуточных веществ для различных синтезов. Во-вторых, глиоксилатный цикл играет важную роль в образовании таких аминокислот как серин, глицин, почти доказано, что при образовании серина и глицина восстанавливается митохондриальный НАД,
при окислении которого образуется АТФ.

16.Дыхательный коэффициент и его изменения в зависимости от дыхательного материала. Общее представление об окислении белков, углеводов, липидов

Дыхательным коэффициентом называется отношение выделенной при дыхании углекислоты к количеству поглощенного кислорода (СО2/О2). В случае классического дыхания, когда окисляются углеводы С6Н2О и в качестве конечных продуктов образуются только СО2 и Н2О, дыхательный коэффициент равен единице. Однако так бывает далеко не всегда, в ряде случаев он изменяется в сторону увеличения или уменьшения, почему и считают, что он является показателем продуктивности дыхания. Изменчивость величины дыхательного коэффициента зависит от субстрата дыхания (окисляемого вещества) и от продуктов дыхания (полного или неполного окисления).

При использовании в процессе дыхания вместо углеводов жиров, которые менее окислены, чем углеводы, на их окисление будет использоваться больше кислорода — в таком случае дыхательный коэффициент будет уменьшаться (до величины 0,6 — 0,7). Этим объясняется большая калорийность жиров по сравнению с углеводами.

Если же при дыхании будут окисляться органические кислоты (вещества более окисленные по сравнению с углеводами), то кислорода будет использоваться меньше, чем выделяться углекислоты, и дыхательный коэффициент возрастает до величины больше единицы. Самым высоким (равным 4) он будет при дыхании за счет.щавелевой кислоты, которая окисляется по уравнению

2 С2Н2О4 + О2 4С0₂ + 2Н20.

Выше было упомянуто, что при полном окислении субстрата (углевода) до углекислого газа и воды дыхательный коэффициент равен единице. Но при неполном окислении и частичном образовании продуктов полураспада часть углерода будет оставаться в растении, не образуя углекислого газа; кислорода будет поглощаться больше, и дыхательный коэффициент опустится до величины меньше единицы.

 

Таким образом, определяя дыхательный коэффициент, можно получить представление о качественной направленности дыхания, о субстратах и продуктах этого процесса.

 

Окисление биологическое — совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в биологических объектах. Под процессом окисления понимают потерю веществом электронов или электронов и протонов одновременно (потерю водородных атомов) или присоединение кислорода. Реакции противоположного направления характеризуют процесс восстановления. Восстановителями называют вещества, теряющие электроны, окислителями — вещества, приобретающие электроны. Окисление биологическое составляет основу тканевого, или клеточного, дыхания (процесса, в результате которого ткани и клетки поглощают кислород и выделяют углекислый газ и воду) — главного источника энергии для организма. Веществом, принимающим (акцептирующим) электроны, т. е. восстанавливающимся, является молекулярный кислород, превращающийся в анион кислорода O^——. Водородные атомы, отщепляемые от органического вещества — субстрата окисления (SH₂), превращаются при потере электронов в протоны или положительно заряженные катионы водорода:
SH₂→S→2H; 2Н→2H⁺ + 2e: ½O₂→О; О→2е→O^——; 2H⁺ + O^——→H₂O+55 ккал. В результате реакции между катионами водорода и анионами кислорода образуется вода, а реакция сопровождается выделением значительного количества энергии на каждые 18 г воды). В качестве побочного продукта биологического окисления образуется углекислый газ. Некоторые из реакций О. б. приводят к образованию перекиси водорода, под влиянием каталазы распадающейся на H₂O и O₂.
Поставщиками энергии в организме человека служат продукты питания — белки, жиры и углеводы. Однако эти вещества не могут служить субстратами О. б. Они предварительно подвергаются расщеплению в пищеварительном тракте, где из белков образуются аминокислоты, из жиров — жирные кислоты и глицерин, из сложных углеводов — моносахариды, в первую очередь гексозы. Все эти соединения всасываются и поступают (прямо или через лимфатическую систему) в кровь. Вместе с аналогичными веществами, образованными в органах и тканях, они составляют «метаболический фонд», из которого организм черпает материал для биосинтезов и для удовлетворения энергетических запросов. Главными субстратами О. б. являются продукты тканевого обмена аминокислот, углеводов и жиров, получившие название веществ «лимоннокислого цикла». К ним относятся кислоты:
лимонная, цисаконитовая, изолимонная, щавелевоянтарная, α-кетоглютаровая, янтарная, фумаровая, яблочная, щавелевоуксусная.
Пировиноградная кислота СН₃—СО—СООН не входит непосредственно в лимоннокислый цикл, но играет в нем существенную роль, как и продукт ее декарбоксилирования — активная форма уксусной кислоты СН₃СОКоА (ацетил-коэнзим А).

 

17.Влияние внешних и внутренних факторов на интенсивность дыхания

Влияние внешних и внутренних факторов на интенсивность дыхания

Показатели интенсивности дыхания прямо противоположны показателям интенсивности фотосинтеза. Интенсивность дыхания можно определить:

 

1) по количеству выделенного С02;

2) по количеству поглощенного кислорода;

3) по убыли сухой массы. Все эти три показателя рассчитываются на единицу массы в единицу времени.

 

Влияние внешних условий на процесс дыхания растений

Температура.

 

Дыхание у ряда растений осуществляется и при температуре ниже 0°С. Так, у хвои ели процесс дыхания идет даже при температуре —25°С. Как всякая ферментативная реакция с повышением температуры интенсивность дыхания возрастает. Однако это происходит до определенного предела, выше которого начинается инактивация ферментов и интенсивность дыхания снижает­ся. При этом надо учитывать длительность выдерживания растения при данной температуре. При кратковременной экспозиции интенсивность дыхания воз­растает при повышении температуры до 35°С и даже 40°С. При длительном выдерживании в такой температуре интенсивность дыхания уменьшается. Для суждения о влиянии температуры на какой-либо процесс обычно используют такой показатель как температурный коэффициент. Температурный коэффициент (Q10) процесса дыхания зависит от типа растений и от градаций температу­ры. Так, при повышении температуры от 5 до 15°С Q10 может возрастать до 3, тогда как повышение температуры от 30 до 40°С увеличивает интенсивность дыхания менее значительно (Q10 около 1,5). Это может быть связано с тем, что повышение температуры в большей степени ускоряет ферментативные процес­сы по сравнению с поступлением кислорода в клетки. В силу этого возникает недостаток кислорода, что и лимитирует процесс. В процессе эволюции расте­ния приспосабливаются к определенным температурным условиям. На харак­тер реагирования сказывается происхождение растений, географический ареал их распространения. Большое значение имеет фаза развития растений. По данным Б.А. Рубина, на каждой фазе развития растений для процесса дыхания наиболее благоприят­ны те температуры, на фоне которых обычно происходит эта фаза. Изменение оптимальных температур при дыхании растений в зависимости от фазы их развития связано с тем, что в процессе онтогенеза меняются пути дыхательного обмена. Между тем для разных ферментных систем наиболее благоприятными являются различные температуры. Так, температурный минимум работы цитохромов лежит выше по сравнению с флавиновыми дегидрогеназами. В этой связи интересно, что в более поздние фазы развития растений наблюдаются случаи, когда флавиновые дегидрогеназы выступают в роли конечных оксидаз, переда­вая водород непосредственно кислороду воздуха.

 

Снабжение кислородом.

 

Кислород необходим для протекания дыхания, поскольку является конечным акцептором электронов, движущихся по дыхательной цепи. Увеличение содержания кислорода до 5—8% сопровождается повы­шением интенсивности дыхания. Дальнейшее возрастание концентрации 02 обычно уже не сказывается на интенсивности дыхания. Однако из этого общего положения имеются исключения. Снабжение растительных тканей и клеток ки­слородом зависит не только от его содержания во внешней среде, но и от скоро­сти его поступления. Между тем часто проникновение кислорода к тем или иным тканям затруднено. Это обстоятельство может проявляться на семенах и на пло­дах с плотной оболочкой. В этом случае увеличение концентрации кислорода в среде до 20% и более повышает интенсивность дыхания. Если семя гороха ли­шить оболочки, то интенсивность дыхания возрастает с повышением содержа­ния кислорода в среде примерно до 5—10%. Однако дыхание неповрежденных семян возрастает при увеличении содержания кислорода до 20% и более. Большое значение в снабжении кислородом отдельных органов и тканей имеет система межклетников, способствующая циркуляции воздуха. Воздух, прони­кая через устьица листа, достигает по межклетному пространству других орга­нов, что и позволяет им осуществлять аэробное дыхание. Доступ кислорода по межклетникам важен для корневых систем растений, произрастающих на плохо аэрируемых почвах. Известно, что приспособление корневых систем к росту в анаэробных условиях связано с развитием особенно большого объема межклетников. Вместе с тем нельзя забывать, что корни многих растений не имеют подобных приспособлений и для них очень важна хорошая аэрация почвы. В отсутствие кислорода дыхание уступает место брожению. При содержании кислорода ниже 5% брожение усиливается, и выделение углекислого газа начина­ет превышать поглощение кислорода. Это приводит к тому, что дыхательный коэффициент, как правило, становится больше единицы. При повышении содержания кислорода процесс брожения полностью ингибируется (эффект Пастера) и дыхательный коэффициент становится равным единице. Так, в опытах с плодами яблони было показано, что при снижении концентрации 02 выделение С02 начинает расти. Это увеличение выделения С02 по сравнению с поглощением 02 связано с усилением гликолиза и сопровождаемым броже­нием. Вместе с тем добавление 02 ингибирует гликолиз. Необходимо также отметить, что кислород оказывает стимулирующее влияние на процесс фото­дыхания.

 

Содержание углекислого газа.

 

С02 является конечным продуктом как броже­ния, так и аэробного дыхания. При довольно высоких концентрациях С02, значительно превышающих те, которые обычно окружают растительный организм (выше 40%), процесс дыхания тормозится. Торможение вызывается несколькими причинами: 1) высокая концентрация С02 может оказывать общее анестезирующее влияние на растительный организм; 2) С02 тормозит активность ряда дыхательных ферментов; 3) повышение содержания С02 вызывает закрытие устьиц, что затрудняет доступ кислорода и косвенно тормозит про­цесс дыхания.

 

Содержание воды.

 

Небольшой водный дефицит растущих тканей увеличива­ет интенсивность дыхания. Это связано с тем, что водный дефицит и даже подвядание листьев усиливают процессы распада сложных углеводов (крахмала) на более простые (сахара). Увеличение содержания Сахаров (основного субстрата дыхания) усиливает сам процесс. Вместе с тем при водном дефиците нарушается сопряжение окисления и фосфорилирования. Дыхание в этих условиях пред­ставляет в основном бесполезную трату сухого вещества. При длительном завядании растение расходует сахара, и интенсивность дыхания падает. Иная законо­мерность характерна для органов, находящихся в состоянии покоя. Увеличение содержания воды в семенах с 12 до 18% уже увеличивает интенсивность дыхания в 4 раза. Дальнейшее повышение содержания воды до 33% приводит к увели­чению интенсивности дыхания примерно в 100 раз. При перемещении растения или ткани из воды в раствор солей дыхание усиливается — это так называемое солевое дыхание.

 

Свет.

 

Вопрос о влиянии света на интенсивность дыхания изучался многими физиологами. Решение этого вопроса осложнено методическими трудностями, поскольку на свету трудно разграничить процессы фотосинтеза и дыхания, прямое и косвенное влияние света. В свою очередь, влияние фотосинтеза на дыхание может быть различным и даже противоположным. Так, в процессе фотосинтеза образуются основные субстраты дыхания — углеводы. Вместе с тем промежу­точные продукты, образовавшиеся при дыхании, могут вовлекаться в фотосин­тетический цикл. Установлено, что свет стимулирует процесс фотодыхания. Все же применение метода меченых атомов позволило, хотя и не полно­стью, отграничить процесс фотосинтеза от дыхания. В настоящее время полага­ют, что влияние света на процесс дыхания многообразно. Под влиянием света, особенно коротковолновых сине-фиолетовых лучей, интенсивность обычного темнового дыхания возрастает. Активация дыхания светом показана на бесхлорофилльных растениях. Возможно также, что свет активирует дыхательные фер­менты (оксидазы).

 

Питательные соли.

 

Интенсивность дыхания сильно зависит от снабжения рас­тения элементами минерального питания. Такие элементы, как фосфор, сера, железо, медь, марганец, принимают непосредственное участие в процессе дыха­ния, входя в промежуточные продукты (фосфор) или являясь составной частью дыхательных ферментов.

 

Поранение.

 

Поранение органов и тканей растения усиливает интенсивность дыхания. Это связано с разрушением клеток, из-за чего повышается соприкосновение дыхательных субстратов и ферментов. Частично поранение может вы­зывать переход клеток в меристематическую фазу роста. Интенсивность дыха­ния делящихся клеток всегда выше по сравнению с клетками, закончившими рост.

 

Влияние внутренних факторов на процесс дыхания

Различные виды и экологические формы растений дышат с разной интенсивностью. Как уже упоминалось, светолюбивые растения характеризуются более высокой интенсивностью дыхания по сравнению с теневыносливыми. Расте­ния северных широт по сравнению с растениями, произрастающими на юге, ды­шат более интенсивно, особенно при пониженной температуре.

 

Интенсивность дыхания зависит от возраста. Как правило, более молодые растущие органы и ткани дышат более интенсивно. Интенсивность дыхания про­ростков обычно резко возрастает в течение периода их наибольшего роста (пер­вые 4—5 суток после начала прорастания), а затем начинает падать. По-види­мому, это связано с образованием закончивших рост тканей. Определенным закономерным образом изменяется интенсивность дыхания листьев. После по­явления листа в первые дни его роста интенсивность дыхания возрастает, а затем резко падает, а в период пожелтения часто вновь немного повышается. Такое же явление наблюдается у плодов перед их созреванием (климактерический период). Перед отмиранием организма или органа обычно наступает кратковременное усиление процесса дыхания. Это связано, по-видимому, с какими-то необра­тимыми процессами дегенерации тканей, при которых сложные соединения распадаются на более простые, что увеличивает количество субстратов дыхания. В этот период дыхание не сопровождается фосфорилированием. Коэффициент Р/О резко падает. По-видимому, разрушается упорядоченное расположение окис­лительных и фосфорилирующих систем.

 

Изменение возраста всего растительного организма также сказывается на интенсивности дыхания. Наивысшей интенсивностью дыхания обладают растения перед началом цветения. Низкой интенсивностью дыхания отличаются ор­ганы растения, закончившие рост или находящиеся в состоянии покоя. Очень низкое дыхание характерно для сухих семян, завершивших рост плодов, тканей, в которых имеется большой процент мертвых клеток. Низкая интенсивность дыхания у покровных тканей. Высокой интенсивностью дыхания характеризуются цветки (особенно тычинки и пестики), клетки флоэмы и камбия. Как уже упо­миналось, различные органы и ткани растения сильно различаются по условиям снабжения их кислородом. В листе кислород свободно поступает практически к каждой клетке. Сочные плоды, корнеплоды, клубни вентилируются очень пло­хо; они слабо проницаемы для газов, не только для кислорода, но и для углеки­слого газа. Естественно, в этих органах процесс дыхания сдвигается в анаэроб­ную сторону, дыхательный коэффициент возрастает. Возрастание дыхательного коэффициента и сдвиг процесса дыхания в анаэробную сторону наблюдаются в меристематических тканях. Таким образом, разные органы характеризуются не только различной интенсивностью, но и неодинаковым качеством дыхатель­ного процесса.