Дыхание растений

2) Отнятие водорода:

3) присоединение кислорода:

4) образование промежуточного  гидратированного соединения с  последующим отнятием двух электронов  и протонов:

 

Оксидоредуктазы.

Поскольку окисление одного вещества (донора электронов и протонов) сопряжено с восстановлением  другого соединения (их акцептора), ферменты, катализирующие эти реакции, называют оксидоредуктазами. Все они относятся к I классу ферментов:

Донор (Д) отдает электроны  и протоны, акцептор (А) принимает  их, а энзим (Е) осуществляет реакцию  переноса. Существуют три группы оксидоредуктаз:

а)      анаэробные дегидрогеназы передают электроны различным промежуточным акцепторам, но не кислороду;

б)      аэробные дегидрогеназы передают электроны различным акцепторам, в том числе кислороду;

в)      оксидазы способны передавать электроны только кислороду.

Анаэробные дегидрогеназы. Это двухкомпонентные ферменты, коферментом которых может быть НАД⁺ (никотинамидадениндинуклеотид):

При окислении субстрата  НАД⁺ превращается в восстановленную форму НАДH, а второй протон субстрата диссоциирует в среду (НАДH⁺ Н⁺). К анаэробным НАД-зависимым дегидрогеназам относятся такие ферменты, как алкогольдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа и др. Коферментом анаэробных дегидрогеназ может быть также НАДФ⁺(никотинамидадениндинуклеотидфосфат), содержащий на одну фосфатную группировку больше, чем НАД ⁺ . НАДФ- зависимыми дегидрогеназами являются изоцитратдегидрогеназа, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, 6-фосфоглюконатдегидрогеназа и др.

Субстратная специфичность  фермента зависит от его белковой части. Многие НАД- и НАДФ-зависимые  дегидрогеназы нуждаются в присутствии  ионов двухвалентных металлов. Например, алкогольдегидрогеназа содержит ионы цинка.

Окисленные и восстановленные  формы коферментов анаэробных дегидрогеназ могут взаимопревращаться в реакции, катализируемой ферментом НАД(Ф)-трансгидрогеназой:

НАДФH + НАД⁺ = НАДФ⁺ + НАДH

Анаэробные дегидрогеназы  передают водород, т. е. электроны и  протоны, различным промежуточным  переносчикам и аэробным дегидрогеназам.

Аэробные дегидрогеназы. Это также двухкомнонентные ферменты, получившие названиефлавиновых (флавопротеины).

Помимо белков, в их состав входит прочно связанная с ними простетическая группа — рибофлавин (витамин В₂).

Различают два кофермента этой группы: флавинмононуклеотид (ФМН), или желтый дыхательный фермент  Варбурга, и флавинадениндинуклеотид (ФАД).

ФМН (рибофлавин-5-фосфат) содержит гетероциклическое азотистое основание  — диметилизоаллоксазин, спирт рибит (производное рибозы) и фосфат:

 

В ФАД кроме ФМН имеется  еще один нуклеотид — аденозинмонофосфата:

Активной группой в  реакции присоединения и отдачи электронов и протонов в ФМН и  ФАД служит изоаллоксазин. Взаимодействие с восстановленным переносчиком, например НАДH, происходит следующим  образом:

Примером дегидрогеназы, в состав которой входит ФАД, является сукцинатдегидрогеназа. Доноры электронов для аэробных дегидрогеназ — анаэробные дегидрогеназы, а акцепторы —  хиноны, цитохромы, кислород.

Цитохромная система. Среди оксидаз очень важную роль играют железосодержащие ферменты и переносчики, относящиеся к цитохромной системе. В нее входят цитохромы " и цитохромоксидаза. Включаясь в определенной последовательности в процесс переноса электронов, они передают их от флавопротеинов на молекулярный кислород.

Все компоненты цитохромной  системы содержат железопорфириновую простетическую группу.

При переносе электронов цитохромами  железо обратимо окисляется и восстанавливается, отдавая или приобретая электрон и изменяя таким образом свою валентность. В дыхательной цепи направление транспорта электронов определяется величиной окислительно-восстановительного потенциала цитохромов.

В этой системе передавать электроны непосредственно на кислород способна только цитохромоксидаза (цит. а + а3). Из всех известных оксидаз  она имеет наибольшее сродство к  кислороду. Ингибиторами цитохромоксидазы являются СО, цианид, азид. Б растительных митохондриях кроме цитохромоксидазы функционирует оксидаза, не подавляемая  цианидом и названная альтернативной оксидазой. Например, в митохондриях початков ароидных активность цианидустойчивой оксидазы в 10 раз превышает активность цитохромоксидазы.

Пероксидаза и  каталаза. К пероксидазам относят целую группу ферментов, использующих в качестве окислителя пероксид водорода: классическую пероксидазу, НАД-пероксидазу, НАДФ-пероксидазу, пероксидазу жирных кислот, глутатионпероксидазу, цитохромпероксидазу и др. Все они работают по следующей схеме, где А — субстраты:

В последние 2 — 3 десятилетия  показана полифункциональность пероксидаз. Помимо пероксидазной, у них имеется  оксидазная функция, т. е. способность  переносить электроны в отсутствие пероксидного кислорода на молекулярный кислород. Пероксидаза может также  функционировать как анаэробная дегидрогеназа, например НАДH-дегидрогеназа, передающая электроны от восстановленных пиридиновых нуклеотидов на разные акцепторы.

Пероксид водорода, помимо пероксидазы, расщепляется также каталазой, в результате чего образуется молекулярный кислород. В реакции участвуют две молекулы пероксида, одна из которых функционирует как донор, а другая — как акцептор электронов.

Простетической группой  пероксидазы и каталазы служит гем, в состав которого входит атом железа.

Оксигеназы. Наряду с оксидазами, которые используют молекулярный кислород как акцептор электронов, в клетках  широко представлены оксигеназы, активирующие кислород, в результате чего он может  присоединяться к органическим соединениям. Ферменты, внедряющие в субстрат два  атома кислорода, называют диоксигеназами, а присоединяющие один атом кислорода — монооксигеназамиили гидроксилазами. В качестве доноров электронов оксигеназы используют НАД(Ф)H, ФАДH₂ и др.

Оксигеназы присутствуют во всех типах клеток. Они участвуют  в гидроксилировании многих эндогенных соединений в частности аминокислот, фенолов, стеринов и др., а также  в детоксикации чужеродных токсических  веществ (ксенобиотиков).

 

4.Основные пути  диссимиляции углерода

Существуют два основных пути окисления углеводов: 1) дихотомический (гликолитический) и 2) апотомический (пентозофосфатный). Белки, жиры и органические кислоты  окисляются в глиоксилатном цикле.

Относительная роль этих путей  дыхания может меняться в зависимости  от типа растений, возраста, фазы развития, а также в зависимости от условий  внешней среды. Процесс дыхания  растений осуществляется во всех внешних  условиях, в которых возможна жизнь. Растительный организм не имеет приспособлений к регуляции температуры, поэтому  процесс дыхания осуществляется при температуре от – 50 до +50°С. Нет  приспособлений у растений и к  поддержанию равномерного распределения  кислорода по всем тканям. Именно необходимость  осуществления процесса дыхания  в разнообразных условиях привела  к выработке в процессе эволюции разнообразных путей дыхательного обмена и к ещё большему разнообразию ферментативных систем, осуществляющих отдельные этапы дыхания. При  этом важно отметить взаимосвязь  всех процессов обмена в организме. Изменение пути дыхательного обмена приводит к глубоким изменениям во всем метаболизме растительных организмов.

4.1 Дихотомический  путь

Это основной путь распада  органических веществ для всех живых  организмов. Выделяют 2 этапа дихотомического  пути: гликолиз и цикл Кребса.

 

 

Рис. 1 Основные этапы дыхания  

 

4.1.1 Гликолиз. Механизмы регуляции цикла. Энергетическая эффективность процесса, значение. Связь с другими процессами

Гликолиз — процесс анаэробного распада глюкозы, идущий Гликолиз с освобождением энергии, конечным продуктом которого является пировиноградная кислота. Гликолиз — общий начальный этап аэробного дыхания и всех видов брожения. Реакции гликолиза протекают в растворимой части цитоплазмы (цитозоле) и в хлоропластах. В цитозоле гликолитические ферменты, по-видимому, организованы в мультиэнзимные комплексы с участием актиновых филаментов цитоскелета, с которыми гликолитические ферменты обратимо связываются с разной степенью прочности. Такое связывание обеспечивает векторность процесса гликолиза. 

Английский биохимик А. Гарден и ученик К. А. Тимирязева Л. А. Иванов в 1905 г. независимо показали, что в  процессе спиртового брожения наблюдается  связывание неорганического фосфата  и превращение его в органическую форму. Гарден установил, что глюкоза подвергается анаэробному распаду только после ее фосфорилирования. Полностью весь процесс гликолиза расшифровали немецкие биохимики Г. Эмбден, О. Ф. Мейергоф и советский биохимик Я. О. Парнас, с именами которых связывают название этого катаболического

Цепь реакций, составляющих суть гликолиза, можно разбить на три этапа: 

I. Подготовительный этап  — фосфорилирование гексозы и  ее расщепление на две фосфотриозы.  

II. Первое субстратное  фосфорилирование, которое начинается  с 3-фосфоглицеринового альдегида  и кончается 3-фосфоглицериновой  кислотой. Окисление альдегида до  кислоты связано с освобождением  энергии. В этом процессе на  каждую фосфотриозу синтезируется  одна молекула АТФ.

III. Второе субстратное  фосфорилирование, при котором 3-фосфоглицериновая  кислота за счет внутримолекулярного  окисления отдает фосфат с  образованием АТФ.

Поскольку глюкоза стабильное соединение, на ее активацию необходима затрата энергии, что осуществляется в процессе образования фосфорных  эфиров глюкозы в ряде подготовительных реакций. Глюкоза (в пиранозной форме) фосфорилируется АТФ с участием гексокиназы (1), превращаясь в глюкозо-6-фосфат, который изомеризуется в фруктозо-6-фосфат с помощью глюкозофосфатизомеразы (2).

Этот - переход необходим  для образования более лабильной  фуранозной формы молекулы гексозы. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется  вторично фосфофрукгокиназой с использованием еще одной молекулы АТФ (3).

 

Рис. 2. Реакции гликолиза

Фруктозо-1,6-дифосфат — лабильная  фуранозная форма с симметрично  расположенными фосфатными группами. Обе эти группы несут отрицательный  заряд, отталкиваясь друг от друга электростатически. Такая структура легко расщепляется альдолазой на две фосфотриозы. Следовательно, смысл подготовительного этапа  состоит в активации молекулы гексозы за счет двойного фосфорилирования и перевода в фуранозную форму  с последующим распадом на 3-фосфоглицериновый  альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА) (5), причем бывший 6-й атом углерода в молекуле глюкозы и фруктозы (фосфорилированный) становится 3-м  в 3-ФГК, а 1-й атом углерода фруктозо-1,6-дифосфата  остается 1-м углеродом (фосфорилированным) в ФДА. 3-ФГА и ФДА легко превращаются друг в друга с участием триозофосфатизомеразы (6). Из-за расщепления молекулы гексозы  на две триозы гликолиз иногда называют дихотомическим путем окисления глюкозы.

С 3-ФГА начинается II этап гликолиза — первое субстратное фосфорилирование. Фермент дегидрогеназа фосфоглицеринового альдегида (НАД-зависимый SH-фермент) (7) образует с 3-ФГА фермент-субстратный комплекс, в котором происходит окисление субстрата и передача электронов и протонов на НАД⁺. В ходе окисления фосфоглицеринового альдегида до фосфоглицериновой кислоты в фермент-субстратном комплексе возникает меркаптанная высокоэнергетическая связь (т. е. связь с очень высокой свободной энергией гидролиза). Далее осуществляется фосфоролиз этой связи, в результате чего SH-фермент отщепляется от субстрата, а к остатку карбоксильной группы субстрата присоединяется неорганический фосфат, причем ацилфосфатная связь сохраняет значительный запас энергии, освободившейся в результате окисления 3-ФГА. Высокоэнергетическая фосфатная группа с помощью фосфоглицераткиназы передается на АДФ и образуется АТФ (8). Так как в данном случае высокоэнергетическая ковалентная связь фосфата формируется прямо на окисляемом субстрате, такой процесс получил название субстратного фосфорилирования. Таким образом, в результате II этапа гликолиза образуются АТФ и восстановленный НАДH.

Последний этап гликолиза  — второе субстратное фосфорилирование. З-Фосфоглицериновая кислота с  помощью фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (9). Далее  фермент енолаза катализирует отщепление молекулы воды от 2-фосфоглицериновой  кислоты (10). Эта реакция сопровождается перераспределением энергии в молекуле, в результате чего образуется фосфоенолпируват — соединение, содержащее высокоэнергетическую фосфатную связь. Таким образом, в этом случае высокоэнергетическая фосфатная связь формируется  на основе того фосфата, который имелся в самом субстрате. Этот фосфат при  участии пируваткиназы (11) передается на АДФ и образуется АТФ, а енолпируват  самопроизвольно переходит в  более стабильную форму — пируват  — конечный продукт гликолиза.