Фізіологічне значення цитоплазми ферментів і фотосинтезу

Межміцеллярние простору в протоплазмі, крім води, містять ще й липоиди, які перебувають у неміцній зв'язку з деякими бічними ланцюгами білкових речовин. Ці бічні ланцюжки закінчуються однією або двома гідрофобними групами СН3, що володіють здатністю приєднувати до себе жири. 2, которые определяют способность липоидов взаимодействовать с водой. Крім того, молекули ліпоїдний речовин мають гідрофільні групи СООН, СОН, NH 2, які визначають здатність ліпоїдів взаємодіяти з водою. Отже, гідрофобні групи молекул будуть орієнтовані до плазмалемма, а гідрофільні - до мезоплазме. Ліпіди здатні знижувати поверхневий натяг рідин; згідно із законами фізичної хімії, вони концентруються головним чином на поверхні.

У дорослих клітинах, які мають вакуолі, на внутрішній поверхні протоплазми, що межує з клітинним соком, також утворюється збагачений ліпідами зовнішній шар, аналогічний плазмалемма; одночасно відбувається скупчення містяться в клітинному соку ліпідів біля поверхні вакуолі, яка межує з протоплазмою. Тому тонопласт багатшими ліпідами, ніж мезоплазма. Структура протоплазми надзвичайно рухлива, і наявні в протоплазмі речовини безперервно вступають у взаємодію як один з одним, так і з органічними речовинами або мінеральними солями, які надходять в клітину або виробляються протоплазмою.

Так, під впливом цукру структура протоплазми може змінитися (з золю перейти на гель).

Таким чином, протоплазма є складною гетерогенної колоїдної структурою, яка включає велику кількість різних компонентів. Дисперсним середовищем є комплексний гідрозолі з високим вмістом білкових та інших макромолекул, Сахаров, неорганічних солей, наприклад фосфатів. Важливу роль відіграє вода, яка насичує всю систему колоїдів протоплазми, утворюючи безперервну фазу.

У живій протоплазмі постійно відбуваються процеси новоутворення та розпаду різних речовин, коагуляція колоїдів та їх зворотне перетворення в золі, освіта коацерватів, гелів і т. д. Ці у протоплазмі процеси безпосередньо залежать від стану і властивостей структур, з яких вона складається. Зміни протоплазмова структур під впливом зовнішніх умов мають пристосувальний характер.

2. Ферменти, їх хімічна природа та функціональне значення. Фактори, що впливають на активність ферментів

Ферменти поділяються на одно-і двокомпонентні. Перші складаються тільки з молекул білка, другі з білкової частини, що отримала назву апофермента, і з'єднання небілкової природи, званої простетичної групою. У двокомпонентних ферментах білок-носій називають ще ферона, а небілкової активну групу - агоном. У двокомпонентних ферментів, небілкова частина яких легко відокремлюється від апофермента, проететіческіе групи називають коферментами. Розміри коферменту у багато разів менше розмірів білкової молекули (апофермента).

Коферментами ферментів піридинових дегідрогеназ є:

- Никотинамидадениндинуклеотида (НАД);

- Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ);

- Флавіннуклеотіди - коферменти флавінових ферментів;

- Похідні фолієвої кислоти - коферменти ферменту гліцінтрансформімінази.

Специфічна діяльність ферментів є одним з найважливіших чинників організації процесів обміну речовин в живому організмі, їх узгодженості та спрямованості.

Численні біологічні каталізатори в організмі - ферменти, що відрізняються винятковою специфічністю й ефективністю дії, прискорюють тільки певні перетворення даної речовини.

Розподіл швидкостей ферментативних перетворень, які створюються в організмі, значною мірою визначає специфічність процесів обміну речовин.

Дії ферментів узгоджені: продукти каталізу одного ферменту надходять до іншого, а не розсіюються у вмісті клітки; реакції, виділяють енергію, тісно пов'язані з реакціями, які вимагають витрат енергії. Встановлено, що окислення цукрів і жирів відбувається з виділенням енергії, тоді як синтез білків вимагає витрат її.

Активність ферментів залежить від умов зовнішнього середовища, що оточує молекулу ферменту. Кожен фермент працює в певних межах температури і рН. Для більшості ферментів температурний оптимум лежить в межах 40-50 ° С. У клітині одночасно працює безліч ферментних систем, і кожен фермент вимагає певної реакції середовища.

Найвища активність більшості рослинних ферментів відзначається при слабокислою або нейтральної реакції, характерної для рослинних клітин. Такий вплив рН пояснюється безпосереднім впливом концентрації водневих іонів на властивості центру, що визначають освіта фермент-субстратного комплексу. Крім того, іони водню впливають на ступінь іонізації субстрату і молекули ферментного білка.

Швидкість ферментативної реакції в сильному ступені залежить від концентрації субстрату в середовищі, але якщо достатньо субстрату, то й від змісту ферменту.

Активність ферментів в сильному ступені залежить від вмісту в реакційному середовищі різних додаткових іонів і з'єднань. Речовини або іони, що збільшують каталітичну активність ферментів, отримали назву активаторів.

Роль активаторів ферментів виконують іони різних металів: К +, Са2 +, Mg2 +, Fe2 +, Cа2 + та ін Активація може здійснюватись одним або кількома іонами. Наприклад, амілаза, що каталізує розщеплення крохмалю і ліпаза, - розпад жирів, активуються іонами Са2 +; алкогольдегідрогенеза, що каталізує окислення спиртів до альдегідів,-Zn2 +; пероксидаза і каталаза - Fe2 +; аргінази, що бере участь у гидролитическом розщепленні аргініну, - Со2 +; Mn2 +; Ni2 +.

Для прояву максимальної активності ферменту потрібна певна концентрація іонів-активаторів в середовищі.

Посилення активності ферментів під дією іонів пояснюється насамперед тим, що багато ферментів містять їх у своїй молекулі і являють собою так звані металоферменти.

До металоферментів відносяться каталаза і пероксидаза, що містять залізо, амілаза, до складу якої входить кальцій; нітратредуктази, що містить молібден. У ряді випадків активність ферментів у присутності іонів металів підтримується освітою координаційних зв'язків між активним центром ферменту і субстратом.

Існують речовини, що пригнічують дію ферментів, які отримали назву інгібіторів ферментів. Інгібітори ділять на два класи: загальні і специфічні. До загальних інгібіторів відносять солі важких металів - свинцю, срібла, ртуті, вольфраму, які денатурують білок і, отже, пригнічують дію ферментів.

Найбільше значення мають специфічні інгібітори, які знаходять практичне застосування. Вони діють тільки на одну ферментативну реакцію. Приєднуючись до активного центру ферменту, інгібітор перешкоджає утворенню комплексу фермент - субстрат, внаслідок чого частина молекул ферменту переходить у неактивний стан і швидкість ферментативної реакції сповільнюється або припиняється.

3. Активна роль кореневої системи в поглинанні води і мінеральних речовин

Внаслідок інтенсивного витрати води, особливо в процесі транспірації, рослини потребують активної її надходження. Для цього існує коренева система. У хлібних злаків коренева система проникає на глибину 1,5-2 м і поширюється широко в сторони. Залежно від виду рослин розподіл кореневої системи в грунті різному.

З фізіологічної точки зору, коренева система неоднорідна. Далеко не вся поверхня кореня бере участь в поглинанні води.

У первинному будову кореня (рис. 2.3) розрізняють кілька тканин: кореневий чохлик, апикальную меристему, ризосферу, первинну кору, ендодерми, перициклу і провідні тканини, зосереджені в центральному циліндрі. Зростаюча частина кореня зазвичай не перевищує 1 см в довжину і складається з меристеми (1,5-2 мм від кінчика) і зони розтягування (2-7 мм).

Рис. 2.3. Схема будови кореня:

А - поздовжній розріз: 1 - кореневої чохлик; 2 - меристема, 3 - зона розтягування; 4 - зона кореневих волосків; 5 - зона розгалуження; Б - поперечний розріз (за М. Ф. Данилової): 1 - різодерма; 2 - кореневої волосок, 3 - паренхіма; 4 - ендодерми, 5 - паски Каспарі; 6 - перициклу; 7 - флоема; 8 - ксилема.

Стрілки - шляхи пересування речовин, що поглинаються з зовнішнього розчину. Суцільні стрілки - шлях розчину по симпласти; переривчасті - по апопласту.

На самому кінчику кореня знаходиться кореневої чохлик, клітини зовнішніх шарів якого секретують слиз (полісахаридних) і злущуються при переміщенні кореня в грунті. Клітини центральній частині чохлика (статоціти) містять багато амілопластов, заповнених крохмалем (статоліти) та беруть участь у сприйнятті коренем напрямки дії сили тяжіння. Основними функціями кореневого чохлика є: а) запобігання апікальної меристеми кореня від пошкодження при зіткненні з грунтом, б) полегшення просування кінчика кореня в грунті; в) сприйняття геотропіческого стимулу.

Апікальні клітини меристеми кореня (1-2% від загального числа клітин в меристемі) відрізняються від інших значно більш рідкісним поділом, повільним синтезом ДНК і РНК і білків, меншим числом плазмодесми з сусідніми клітинами. Вони отримали назву спочиваючого центру. При пошкодженні апікальної меристеми фонд її клітин відновлюється за рахунок поділу клітин спочиваючого центру.

За час життя в меристемі кореня кожна клітина ділиться 6-7 разів. Кількість клітин збільшується вздовж осі кореня, формується перициклу.

Припинили поділ, клітини кореня переходять до розтягування також у напрямку осі кореня. Це призводить до просторового роз'єднання клітин, які діляться меристеми і клітин, що ростуть розтягуванням. У зоні розтягування закінчується диференціювання флоеми і формуються елементи протоксілеми.

Диференціація тканин кореня закінчується в зоні кореневих волосків, де завершується утворення основних тканин кореня (рис. 2.2): різодерми, первинної кори, ендодерми та системи тканин центрального циліндра.

Різодерма - це найчастіше одношарова тканина, що покриває корінь зовні. У більшості видів рослин клітини різодерми мають здатність формувати кореневі волоски.

При подальшому збільшенні віку клітин, а також відстані від кінчика кореня, кореневі волоски зникають, починається кутінізація і опробковеніе клітинних стінок. Поглинання води відбувається головним чином клітинами зони розтягування і зони кореневих волосків.

Розглянемо будову кореня в зоні кореневих волосків.

Поверхня кореня цієї зони покрита різодермой. Це одношарова тканина з двома видами клітин: формують і не формують кореневі волоски. Клітини, що формують кореневі волоски, відрізняються особливим типом обміну речовин. Кореневі волоски ростуть шляхом розтягування клітинної оболонки, яке відбувається з великою швидкістю (0,1 мм / год). Для їх зростання необхідний кальцій.

За різодермой до перициклу йдуть клітини кори. Кора складається з декількох шарів паренхімних клітин. Важливою особливістю кори є розвиток системи великих межклеточніков. На кордоні кори і центрального циліндра розвивається один шар щільно прилеглих один до одного клітин - ендодерми, для якої характерна наявність пасків Каспарі. Цитоплазма клітин ендодерми щільно прилягає до клітинних оболонок. У міру старіння вся внутрішня поверхня клітин ендодерми, за винятком пропускних клітин, покривається суберіном. Тому клітини ендодерми є основним фізіологічним бар'єром для пересування води.

У центральному циліндрі розташовані провідні тканини кореня. Судини ксилеми контактують з паренхімних клітинах центрального циліндра, які активно транспортують іони в провідні елементи ксилеми. Контакт здійснюється через полуокаймленние пори у вторинній клітинній стінці з боку судини і пори з боку паренхімної клітини. Між цими клітинами немає плазмодесми.

4. Дія нестачі води на рослину

Вплив посухи на рослину. Якщо в грунті є недостатня кількість доступної для рослини води, то негативний вплив перегріву стає особливо сильним. Перегрів може пошкодити рослини, зване запалом. Запал виявляється через деякий час у вигляді різному пофарбованих некротичних плям на листі. На пшениці з'являються жовті плями, на вівсі - червоні, у більшості рослин - коричневі.

Зустрічається і інший вид пошкоджень від атмосферної посухи - захоплення. Він спостерігається рідше, ніж запал, і проявляється в тому випадку, коли за порівняно не дуже високих температурах спостерігаються сильний вітер і велика сухість повітря. При цьому листя просто висихають, зберігаючи зелене забарвлення.

Нестача води в тканинах рослин (водний дефіцит) може виникнути в жарку сонячну погоду до середини дня, при цьому збільшується сосущая сила листя, що активує надходження води з грунту. Рослина регулює рівень водного дефіциту відкриттям або закриттям продихів. У цей період відбувається тимчасове завядания листя. Зазвичай у вечірні та ранкові години це явище усувається.

Відсутність в грунті доступної для рослини води призводить до глибокого завядания. Це завядания найчастіше призводить до загибелі рослини. Характерною ознакою сталого водного дефіциту є збереження його в тканинах вранці, припинення виділення пасок із зрізаного стебла. Дія посухи призводить в першу чергу до зменшення в клітинах вільної води, що порушує гідратів оболонки білків цитоплазми і позначається на функції білків-ферментів.

При тривалому завядания знижується активність ферментів синтезу та активуються гідролітичні процеси, що призводить до зростання вмісту в клітинах низькомолекулярних білків. У результаті гідролізу полісахаридів в тканинах накопичуються розчинні вуглеводи. У листах знижується кількість РНК, спостерігається розпад полірібосомних комплексів, зростає концентрація вакуолярного соку, полегшується вихід іонів з клітин.

Відбувається зниження швидкості фотосинтезу з-за нестачі СО2, порушення синтезу хлорофілу і АТФ, зміни протягом фотохімічних реакцій і затримки відтоку асимілятів з листя.

При зневодненні у рослин, не пристосованих до посухи, значно посилюється інтенсивність дихання, а у посухостійких рослин таке явище не спостерігається.

В умовах водного дефіциту гальмуються клітинний розподіл і особливо розтяг, що призводить до формування дрібних клітин. Внаслідок цього затримується ріст листя, стебла рослини в цілому.

При водному дефіциті відбувається гідроліз полімерів, в тому числі і білків. Розпад білків йде з утворенням аміаку, який може надавати отруйну дію на клітини.

Пристосування рослин до посухи. Відомо, що рослини неоднаково реагують на перегрів і зневоднення у різні періоди онтогенезу. У кожного виду в онтогенезі є такий період, коли брак води різко позначається на перебігу всіх фізіологічних процесів, цей період називається критичним періодом. З цього, однак, не випливає, що інші періоди свого розвитку рослина не потребує води і не страждає від її нестачі.

Встановлено, що в'язкість цитоплазми, її еластичність в критичний період різко падають, що і є однією з умов високої чутливості рослин до перегріву і зневоднення в цей період розвитку. У критичний період відбуваються інтенсивні ростові процеси і утворення нових органів - квіток.

Ф.Д. Сказкин вважав, що вищі рослини в своєму онтогенезі повторюють риси далекого минулого і під час формування статевих органів і запліднення потребують підвищеної обводненості тканин. Сказкин вважає, що початком критичного періоду слід вважати момент появи материнських клітин пилку в археспоріальной тканини пиляків, а кінцем даного періоду - запліднення.

У рослин посушливих місцезростань - ксерофітів - вироблялися пристрої, що дозволяють переносити посухи. Група ксерофітів дуже різноманітна. За здатністю переносити умови посухи розрізняють такі їх типи (по П. А. Генкель):

5. Фотосинтез, його значення. Сучасні уявлення про сутність фотосинтезу

Фотосинтез - це процес перетворення енергії світла в хімічну енергію органічних сполук. Синтезовані органічні сполуки служать основним джерелом енергії для всієї біосфери. Процес синтезу органічної речовини за рахунок вуглецю в живій природі здійснюється за допомогою фотосинтезу рослин, бактеріального фотосинтезу і хемосинтезу.

Провідне значення фотосинтезу може характеризуватися такими даними. У період інтенсивного росту добові прирости сухої маси становлять у середньому 150 кг, а в кращих випадках - 500 кг на 1 га. При цьому коріння засвоюють у вигляді іонів 2 кг азоту, 0,5 кг фосфору, 4 кг калію і 4 кг інших елементів. За цей же час листя засвоюють 1000 кг СО2. При середній врожайності коренів цукрових буряків 300 ц з 1 га рослини за вегетаційний період засвоюють 150 кг азоту, 30 кг фосфору, 160 кг калію і 4200 кг вуглецю, що відповідає поглинанню 20 т СО2. У врожаї акумулюється 167,2 ГДж енергії. Це необхідно мати на увазі при обгрунтуванні цілей і завдань землеробства, яке являє собою систему використання основної функції зелених рослин - фотосинтезу.

Фотосинтез рослин міг виникнути лише на певному етапі існування і розвитку життя на Землі як подальше ускладнення і розвиток менш досконалих форм фіксації вуглекислого газу. Очевидно, типи асиміляції СО2 в процесі еволюції обміну речовин розвивалися від гетеротрофного до автотрофне (фотосинтезу) через хемотрофи, фоторедукцію. Фотосинтез здійснюють вищі рослини, водорості та деякі бактерії.

Англійська ботанік і хімік С. Гейлс (1727) висловив припущення, що рослини значну частину «їжі» отримують з повітря. Подібні ідеї висловлював і російський учений, М. В. Ломоносов. У 1753 році, вивчаючи різні повітряні явища, М. В. Ломоносов писав: «безмірне зрошення огрядних дерев, які на безплідному піску корінь свій стверджували, ясно виявляє, що листами жирний лій з повітря вбирають ...». Так виникла ідея про повітряне живлення рослин.

Початком експериментальних робіт у галузі фотосинтезу послужили досліди англійського хіміка Дж. Прістлі. У 1771 році він виявив, що рослини м'яти, поміщені в скляний глек, перекинутий в посудину з водою, «виправляють» у ньому повітря, «зіпсований» горінням свічки або диханням миші. У зв'язку з цим висновком і наступними дослідами Прістлі в 1774 році відкрив кисень. Через рік незалежно від нього кисень був відкритий у Франції А. Л. Лавуазьє, який і дав назву цьому газу.

У 1766 році шведський хімік К. В. Шеєле повторив досліди Прістлі, але не отримав того ж ефекту, який був описаний Прістлі. Пояснив протиріччя голландський лікар Я. Інгенхауз, який довів, що зелені рослини виділяють кисень лише на світлі.

Швейцарський дослідник Ж. Сенеба в 1782 році встановив, що рослини на світлі поглинають СО2, і назвав це явище «вуглецевим харчуванням».

У 1804 році швейцарський дослідник Т. Соссюр встановив, що рослини на світлі поглинають СО2 і воду і виділяють кисень, і зробив висновок, що органічна маса рослин утворюється за рахунок СО2 і води, тобто вода є необхідним елементом харчування.

Французькі хіміки П. Ж. Пелети і Ж. Кавенту в 1817 році виділили з листя зелений пігмент і назвали його хлорофілом. У 1865 році німецький фізіолог Ю. Сакс продемонстрував, що на світлі в листках утворюється крохмаль і він знаходиться в хлоропластах. Сам процес виявлення крохмалю в листках стали називати «пробою Сакса».

Перші досліди щодо з'ясування ролі листа утворення кисню при фотосинтезі були зроблені німецьким фізіологом Т. В. Енгельманом (1881). Було встановлено, що кисень на світлі виділяють хлоропласти.

Значенням світла в процесі фотосинтезу займався американський фізик Дж. У. Дрепер (1846), який слідом за Ю. Саксом і В. Пфеффер вважав, що фотосинтез краще протікає в жовтих променях. Але вже в той час було відомо, що хлорофіл має два максимуми поглинання в червоній і синій частинах спектра. Виходячи з цих даних, робить висновок, що процес фотосинтезу не підкоряється закону збереження енергії, а світло діє як подразник. Проти цього твердження виступили Ю. Р. Майєр і Г. Гельмгольц, сформулювали закон збереження і перетворення енергії. На підставі теоретичних міркувань вони стверджували, що зелені рослини поглинають променисту сонячну енергію і перетворюють її в хімічну, тобто фотосинтез - це процес трансформації енергії в енергію хімічних зв'язків.

Експериментальні докази цієї точки зору були отримані російським фізіологом К. А. Тімірязєвим в 1875 році. Тімірязєв ​​постулював, що при асиміляції СО2 хлорофіл служить оптичним сенсибилизатором (тобто речовиною, що збільшує чутливість до світла) і що він безпосередньо бере участь у процесі фотосинтезу, необоротно переходячи з відновленого стану в окислене. Він сформулював ідею про космічну ролі фотосинтезу.

Таким чином, до кінця 19-го сторіччя склалося уявлення про загальний рівнянні фотосинтезу.

6. Каротиноїди, їх фізіологічна роль

Крім хлорофілів, в клітинах листа в невеликій кількості (0,07-0,2% сухої маси) містяться каротиноїди.

Це з'єднання, розчинні в жирах і органічних розчинниках, з довгим ланцюгом зв'язаних подвійних зв'язків.

Поглинаючи короткохвильові промені, каротиноїди виконують роль екрана, що захищає хлорофіл і клітину від їх згубної дії. Це велика група пігментів жовтого, помаранчевого і червоного кольору. Каротиноїди широко поширені в природі: їх виявлено більше трьохсот. Однак у фотосинтезі беруть участь лише деякі з них.

Термін «каротиноїди» ввів у науку М.С. Колір для жовтих супутників хлорофілу, тобто речовин, що супроводжують хлорофіл в пластидах. У пилку рослин, оцвітиною каротиноїди знаходяться під внепластідном стані. Каротиноїдів в хлоропластах зазвичай в три рази менше, ніж хлорофілів (відношення хлорофілів до каротиноїдів одно 3).

Основна частина молекул всіх каротиноїдів - вісім з'єднаних між собою залишків ізопрену, що утворюють ланцюг. Каротиноїди (рис. 3.8) діляться на з'єднання з відкритою ланцюгом - ациклічні (наприклад, лікопін) і містять у своїй молекулі один або два цикли (α-, β-каротин). Крім того, за хімічною будовою каротиноїди діляться на безкисневі, що містять тільки вуглець і водень, що мають елементарну формулу С40Н56 каротини, а також окислені, які крім вуглецю і водню містять ще кисень - ксантофиллу.

Каротиноїди розчиняються в органічних розчинниках, такі, як сірковуглець і ацетон, але нерозчинні у воді (крім кроцин). Багато каротиноїди розчиняються в спирті, петролейном ефірі, хлороформі, вони добре розчиняються в жирах.

У хімічному відношенні молекули каротиноїдів характеризуються великою кількістю сполучених подвійних зв'язків, які є хромофорних групами. Каротиноїди поглинають світло в синьо-фіолетовою області спектра і мають три максимуму, положення яких визначається головним чином кількістю подвійних зв'язків. Флюоресцируют каротиноїди від слабо жовтого до зеленого забарвлення. У місці знаходження подвійних зв'язків може легко відбуватися приєднання кисню, в результаті чого утворюються перекиси і фарбування зникає. До групи безкисневих каротиноїдів відносяться каротини: лікопін, що міститься у плодах томатів. До окисленим каротиноїдів відносяться ксантофилл: лютеїн, криптоксантин, що міститься в жовтих зернах кукурудзи, шкірці мандаринів і ін

Каротиноїди мають велику кількість кон'югованих подвійних зв'язків, тому вони здатні до окисно-відновних реакцій.

Поглинання світла каротиноїдами, а, отже, їх забарвлення обумовлені наявністю кон'югованих подвійних зв'язків, β-каротин має два максимуми поглинання, відповідні довжинах хвиль 482 та 452 нм. Червоні промені, що поглинаються хлорофіл, каротиноїди не поглинаються. Каротиноїди на відміну їх від хлорофілу не мають здатність до флюоресценції. Подібно хлорофілу, каротиноїди в хлоропластах вступають у взаємодію з білками.

Вже сам той факт, що каротиноїди завжди присутні в хлоропластах, дозволяє вважати, що вони беруть участь у процесі фотосинтезу, але їх роль допоміжна. Вони поглинають певні ділянки спектру світла і передають енергію на хлорофіл, одночасно захищаючи молекулу хлорофілу від незворотного фотоокислення. Можливо, каротиноїди беруть участь у кисневому обміні при фотосинтезі. У вищих рослин, мохів, зелених і бурих водоростей здійснюється світлозалежною взаємоперетворення ксантофиллов.

7. Хімізм аеробної фази дихання. Заслуга Г. Кребса

Друга фаза дихання - аеробна - вимагає присутності кисню. У аеробну фазу вступає піровиноградна кислота. У присутності достатньої кількості О ₂ піруват повністю окислюється до СО2 і Н2О.

Ще в 1910 році шведським хіміком Т. Тунберга було доведено участь органічних кислот у процесі дихання. У 1935 році А. Сент-Дьордь в Угорщині встановив, що додавання органічних кислот до живої тканини різко активує поглинання нею кисню.

У 1937 році Г. А. Кребс запропонував схему послідовності окислення три-і дикарбонових кислот до СО2 через «цикл лимонної кислоти" за рахунок відібрання водню. Цей цикл і був названий його ім'ям. (Мал. 4.3).

У циклі окислюється не сама піровиноградна кислота, а її похідна - активний ацетат. Таким чином, першим етапом окисного розщеплення піровиноградної кислоти (ПВК) є процес утворення активного ацетату в ході окисного декарбоксилювання. Окислювальне декарбоксилювання ПВК здійснюється за участю складної ферментної системи піруватдегідрогенази. Ця ферментна система включає в себе три ферменту і п'ять коферментів (тіамінпірофосфат, липова кислота, коензим А, ФАД і НАД). У результаті цього процесу утворюється активний ацетат (ацетил-КоА), відновлений НАД (НАДН) і виділяється перша молекула СО2.

Ферментна система піруватдегідрогеназа інгібується АТФ. При накопиченні АТФ вище певного рівня перетворення ПВК припиняється. Це один з механізмів регулювання аеробної фази дихання.

Утворився в ході етапу активний ацетат вступає в цикл три-і дикарбонових кислот.

Другий етап починається з взаємодії активного ацетату з енольної формою щавлево-оцтової кислоти, результатом реакції є утворення лимонної кислоти. У цій реакції бере участь фермент цітратсінтетаза.

Наступний етап циклу включає дві реакції і каталізується ферментом аконітазой. У першій реакції в результаті дегідратації лимонної кислоти утворюється цісаконітовая. У другій реакції цісаконітовая кислота гідратіруются в ізолімонную. Ізолімонная під дією НАД або НАДФ - залежної ізоцитратдегідрогенази окислюється в нестійке з'єднання - щавлево-янтарну кислоту, яка декарбоксилуєтся з утворенням оскетоглутаровой кислоти.

Подібно ПВК, α-кетоглутарової кислота піддається реакції окислювального декарбоксилювання з аналогічною мультиферментного системою. У ході цієї реакції α-кетоглутарової кислота перетворюється в сукцініл-КоА, утворюється НАДН і виділяється одна молекула СО2.

Подібно до активного ацетату, сукцініл-КоА є високоенергетичним тіоефірів. Проте якщо у випадку з ацетил-КоА енергія тіоефірні зв'язку витрачається на синтез лимонної кислоти, енергія сукцініл-КоА може трансформуватися в освіті фосфатної зв'язку АТФ. За участю сукцініл-КоА-синтетази з сукцініл-КоА, АДФ і Н3РО4 утворюється янтарна кислота (сукцинат), АТФ, регенерується молекула KoA-SH. АТФ утворюється в результаті субстратного фосфорилювання.

На наступному етапі бурштинова кислота окислюється до фумарової. Реакція каталізується сукцинатдегідрогенази, коферментом якої є ФАД. Фумарова кислота під дією фумарази, приєднуючи воду, перетворюється в яблучну кислоту (малат). І, нарешті, на останньому етапі яблучна кислота з допомогою НАД-залежної малатдегідрогенази окислюється в щавлево-оцтової (щук). А щук вступає в новий цикл.

Слід зазначити, що більшість реакцій циклу оборотно, проте хід циклу в цілому практично незворотній. Причина цього в тому, що в циклі є дві сильно екзооргіческіе реакції - цітратсінтетазная і сукцініл-КоА-синтетазної.

Протягом одного обороту циклу при окисленні ПВК відбувається виділення трьох молекул СО2, включення трьох молекул Н2О і видалення п'яти пар атомів водню. Роль води в циклі Кребса підтверджує правильність рівняння Палладіна, який зазначав, що дихання йде за участю Н2О, кисень якої включається в окислюється субстрат, а водень за допомогою «дихальних пігментів» (за сучасними уявленнями - коферментів дегідрогеназ) переноситься на кисень. Більшість ферментів циклу Кребса локалізовано (рис. 4.4) в матриксі мітохондрій, аконітаза і сукцинатдегідрогеназа - у внутрішній мембрані мітохондрій.

Третій етап циклу Кребса - це електрон-транспортна ланцюг (ЕТЦ). В процесі окислення піровиноградної кислоти у циклі Кребса утворилися пари водню 2Н, які ми можемо розглядати як 2Н + + 2е-. Саме в такому вигляді вони і передаються по ланцюгу переносників. Рушійною силою транспорту водню в дихальній ланцюга (рис. 4.5) є різниця потенціалів. У зв'язку з цим розташування окремих переносників в дихальному ланцюзі, також як і в ланцюзі фоосінтетіческой, визначається величиною їх окислювально-відновного потенціалу. На початку ланцюга розташований НАД, що володіє найбільшою величиною окисно-відновного (ОВ) потенціалу (-0,32 В), а в кінці - кисень з найбільш позитивною величиною (+0,82 В).

Решта переносники розташовані між ними у порядку послідовного підвищення позитивного потенціалу. Це і дозволяє електронам передаватися у напрямку до кисню.

Б. Чана та ін (США) у 50-х роках запропонували таке розташування переносників в ЕТЦ:

Пара електронів від НАДН або сукцинату передається по ЕТЦ до кисню, який, відновлюючись і приєднуючи два протони, утворює воду.

Окисне фосфорилювання. Перенесення електронів від НАДН до молекулярного кисню через ЕТЦ мітохондрій супроводжується втратою вільної енергії.

В. А. Енгельгард ще в 30-х роках було показано, що при аеробному диханні накопичується АТФ. Він перший висловив ідею про сполученні між фосфорилируют-ванним АДФ і аеробних диханням. У 1937-1939 рр.. біохіміки В. А. Беліцер в СРСР і Г. Калькари в США встановили, що при окисленні проміжних продуктів циклу Кребса, зокрема янтарної і лимонної кислот, утворюється АТФ. В анаеробних умовах фосфорилювання не відбувається.

Процес фосфорилювання АДФ з утворенням АТФ, пов'язаний з перенесенням електронів по ЕТЦ мітохондрій, отримав назву окислювального фосфорилювання. У ЕТЦ синтезується три молекули АТФ. Так, перша молекула АТФ утворюється при переході пари електронів від піридинових до флавінових дегідрази. Друга - при перенесенні пари електронів від цитохрому б до цитохрому с, і третя - при перенесенні пари електронів від цитохрому а до цитохромоксидази (а3).

Місця утворення АТФ у дихальному ланцюзі не є випадковими. Саме на цих ділянках виділяється достатня для утворення молекул АТФ кількість енергії.

Показником спряженості окислення і фосфорилювання служить коефіцієнт фосфорилювання Р / О. У даному випадку коефіцієнт Р / О = 3. Існують речовини, роз'єднувальний процес окислення і фосфорилювання (динітрофенол, солі важких металів). Вся енергія в даному випадку перетворюється в тепло, а коефіцієнт Р / О = 0. Таке явище може спостерігатися і при посухи чи захворюванні організму.

З приводу механізму окисного фосфорилювання існує три теорії: хімічна, конформаційна і хеміосмотічеськой.

В даний час найбільшим визнанням користується хеміосмотічеськой теорія англійського біохіміка М. Мітчелла (1961). Він висловив припущення, що потік електронів через систему молекул-переносників супроводжується транспортом іонів Н + через внутрішню мембрану мітохондрій. У результаті на мембрані створюється електрохімічний потенціал іонів Н +, що включає хімічний або осмотичний градієнт і електричний градієнт (мембранний потенціал). Згідно хеміосмотічеськой теорії, електрохімічний трансмембранний потенціал іонів Н + і є джерелом енергії для синтезу АТФ за рахунок звернення транспорту іонів Н + через протонний канал мембранної Н + АТФ-ази.

Теорія Мітчелла виходить з того, що переносники перешнуровивают мембрану, чергуючись таким чином, що в одну сторону можливий перенос і протонів, і електронів, а в іншу - тільки електронів. У результаті іони Н + накопичуються на одній стороні мембрани. Енергія запасена, таким чином, використовується для синтезу АТФ як результат розрядки мембрани при зворотному транспорті протонів через АТФ-азу.

Список використаної літератури

1. Альошин Є.П., Пономарьов А.А. Фізіологія рослин. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Агропромиздат, 1985. - 255 с., Іл. - (Підручники і навч. Посібники для середовищ. С.-г. навч. Закладів).

2. Кирилов Ю.І., Кокін Г.А. Фізіологія рослин: Навчальний посібник. Курган, видавництво «Зауралля», 1998, 304 с. мул.

3. Лебедєв С.І. Фізіологія рослин. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Колос, 1982. - 463 с., Іл. - (Підручники і навч. Посібники для вищ. С.-г. навч. Закладів).