Биология

Суммируем энергетический выход, который получается в процессе дыхания, т. е. сколько моле­кул АТФ может образоваться при расщеплении одной молекулы глюкозы. В первую анаэробную фазу дыхания при распаде одной молекулы глюкозы до двух мо­лекул пировиноградной кислоты в процессе субстратного фосфорилирования образуется две молекулы АТФ. Одновременно на этой фазе дыхания при окислении ФГА до ФГК в цитозоле клетки образуются две молекулы восстановленных коферментов НАД. Они диффундируют через наружную мембрану и окисляют­ся в дыхательной цепи благодаря наличию у растений НАДН-дегидрогеназы, локализованной на наружной поверхности внутренней мембраны. При этом син­тезируется 6 молекул АТФ.

В аэробной фазе дыхания при окислении пировиноградной кислоты образу­ются 4 молекулы НАДН ^{восстановленного}. Их окисление в дыхательной цепи приводит к образованию 12 АТФ. Кроме того, в цикле Кребса восстанавливается одна молекула флавиновой дегидрогеназы (ФАДН2). Окисление этого соединения R в дыхательной цепи приводит к образованию 2 АТФ, поскольку одно фосфорилирование не происходит. При окислении молекулы альфа-кетоглутаровой кислоты до янтарной кислоты энергия непосредственно накапливается в одной молекуле АТФ (субстратное фосфорилирование). Таким образом, окисление одной моле­кулы пировиноградной кислоты сопровождается образованием углекислого газа и 15 мо­лекул АТФ. Однако при распаде молекулы глюкозы получается две молекулы пировиноградной кислоты.

Следовательно, всего в аэробной фазе дыхания образуется 30 молекул АТФ. В анаэробной фазе образуются 2 молекулы АТФ и еще 6 мо­лекул АТФ при окислении 2 молекул НАДН в дыхательной цепи. Итого за две фазы в образуется 38 молекул АТФ в процессе окис­лительно-дыхательного распада молекулы гексозы.

На образование 38 молекул АТФ затрачено 38-30,6 кДж = 1162,8 кДж. Всего при сжигании 1 моль глюкозы выделяется 8824 кДж: С6Н1206 + 602 -> 6С02 + 6Н20 + 2824 кДж. Таким образом, КПД процесса дыхания при самых благоприятных условиях составляет около 40%. Часть энергии выделяется в виде тепла большая ее часть запасается в виде энергии химических связей при образовании макроэргических соединений (АТФ, НАД и др.)

Существуют две гипотезы, объясняющие механизм синтеза АТФ — прямой и косвенный. Согласно прямому механизму, АДФ и Фн (неорганический фосфат) связываются с активным центром фермента, куда по каналу поступают протоны. Протоны взаимодействуют с кислородом Фн с образованием воды. Это делает Фн активным, и он присоединяется к АДФ. После этого молекула АТФ отделяется от фермента.

Согласно второй гипотезе, синтез АТФ из АДФ и Фн происходит в активном центре фермента самопроизвольно. Однако образующаяся при этом молекула АТФ прочно связывается с ферментом, поэтому для ее освобождения затрачивается энергия протонного градиента. Предполагают, что структурные перестрой­ки фермента, приводящие к высвобождению АТФ, связаны с циклическими про­цессами протонирования и депротонирования функционально важных групп фермента. Что сейчас все больше находит экс­периментальные подтверждения. Доказательством того, что именно градиент протона обеспечивает фосфорилирование, являются опыты с разобщителями окисления и фосфорилирования. Наиболее часто, в качестве разобщителя, выступает динитрофенол, он делает мембрану про­ницаемой для протонов и тем самым ликвидирует протонный градиент. При этом скорость окисления даже усиливается, однако образование АТФ 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, который соответствует отношению 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 (∆μ 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, ∆μ Н⁺ обеспечивает осмотическую работу и транспорт веществ против градиента их концентрации. Наконец, по­казана возможность использования ∆μ Н⁺ на механическую работу (движение бактерий). Вместе с тем важно отметить, что ∆μ 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 ∆μ Н⁺:

1) АТФ — химическая «валюта», растворимая в воде и легко используемая в водной фазе; 2) ∆μ 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 ∆μ Н⁺, при распаде АТФ энергия может аккумулироваться в ∆μ Н⁺.

С химической точки зрения дыхание — это медленное окисление. При окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос водорода или электрона от донора ДН2 (который окисляется) к акцептору Л (который восстанавливается): ДН2 +А ->Д + АН2. Для того чтобы судить о направлении движения электронов между какими-либо двумя веществами, вводится понятие стандартного восста­новительного потенциала (Е0) — это мера электронного давления. За нуль потен­циала условно принят восстановительный потенциал реакции Н2 —> 2Н⁺ + 2е. Чем более отрицательна величина восстановительного потенциала, тем больше способность данного вещества отдавать электроны (окисляться) или служить восстановителем. Наоборот, чем положительнее величина восстановительного потенциала данного вещества, тем больше его способность воспринимать элек­троны (восстанавливаться или служить окислителем). Восстановительный по­тенциал кислорода равен +0,81В. В создании современных представлений о биологическом окислении боль­шое значение имели работы двух крупнейших русских ученых — В.И. Палладина (1859-1922) и А.Н. Баха (1857-1946). Работы А.Н. Баха были посвящены возможности активации кислорода воздуха. Молекулярный кислород — доста­точно инертное соединение. Бах выдвинул предположение, что имеются фер­менты — оксигеназы, активирующие кислород. Он считал, что процесс акти­вации состоит в том, что происходит образование пероксидных соединений. В.И. Палладии впервые стал рассматривать дыхание как ряд ферментативных реакций. Основное значение в процессе окисления он придавал процессу отня­тия водорода от субстрата при участии воды. Содержание своей теории В.И. Пал­ладии выразил в виде следующих уравнений:

С6Н1206 + 6Н20 + 12R -> 6С02 + 12RH2 12RH2 + 6Q2 -> 12R + 12Н20 С6Н1206 +602 -4 6С02 + 6Н20

Символом R В.И. Палладии обозначал дыхательный пигмент, способный к обратимым окислительно-восстановительным превращениям. Из приведен­ной схемы вытекают следующие важные положения:

1. Непременным участником дыхания является вода.

2. Вода наряду с окисляе­мым субстратом выполняет роль донора водорода.

3. В процессе дыхания участву­ют специфические активаторы водорода, отнимающие водород от субстрата.

4. Первые этапы дыхания являются анаэробными и не требуют присутствия молеку­лярного кислорода.

5. Молекулярный кислород используется на заключительном этапе дыхания для регенерации акцепторов водорода с образованием воды.

Все указанные положения легли, как мы увидим, в основу современных пред­ставлений о процессе дыхания, согласно которым дыхание происходит в две фазы — анаэробную и аэробную, и молекулярный кислород используется на реге­нерацию ферментов за счет Н⁺ воды и субстрата. В процессе дыхания активируется как водород субстрата, так и кислород воздуха.

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. 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 С02 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. 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.

1. Аммониотелический  тип , при котором главным конечным продуктом азотистого обмена является аммиак, свойствен рыбам.

2. Уреотелический тип обмена — основным конечным продуктом обмена белков является мочевина, характерен для человека и животных.

3. Урикотелический тип — главным конечным продуктом обмена является мочевая кислота, характерен для птиц и рептилий.

Цитохромы. Простетическая группа цитохромов представлена железопорфиринами. Железопорфириновая группа (гем) в цитохромах прочно связана с бел­ком через атомы серы аминокислоты цистеина. Известно около 20 цитохромов, которые делят 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. 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⁺. В ЭТЦ митохондрий направление транспорта электронов определяется величиной окислительно-восстановительного потенциала цитохромов: цит.b —> цит.с1 —> цит.с —> цит.аа3 -> 02. Непосредствен­но с кислородом воздуха может реагировать только цитохромоксидаза (цитохром аа3), которая кроме железа содержит атомы меди.

Существуют две основные системы и два основных пути превращения дыхатель­ного субстрата, или окисления углеводов:

1) гликолиз + цикл Кребса (гликолитический);

2) пентозофосфатный (апотомический).

Относительная роль этих путей дыхания может меняться в зависимости от типа растений, возраста, фазы развития, а также в зависимости от факторов среды. Процесс дыхания растений осуществляется во всех внешних условиях, при 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 еще большему разнообразию фер­ментных 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 рас­тений.

Скорость передвижения веществ по флоэме определяли, наблюдая за быстротой распространения меченых соединений. Оказалось, что скорость передвижения в ситовидных трубках достаточно высока и составляет в среднем 50—100 см/ч. У разных групп растений этот показатель может несколько варьировать. У одного и того же растения различные органические вещества могут передвигаться с разной скоро­стью. Значительное влияние на скорость передвижения оказывают условия внешней среды. В отличие от перемещения по ксилеме на транспорт веществ по флоэме влияют все факторы, изменяющие напряженность процессов обмена веществ. Передвижение по флоэме зависит от температуры. Это можно проследить на опытах, в которых пластинки листа погружали в раствор сахарозы, а черешки заключали в специальную муфту и подвергали воздействию различных температур. Оказалось, что оптимальная температура колеблется между 20 и 30°С. Дальнейшее повышение температуры уже тормозит отток ассимилятов из пластинки листа. Отношение к резкому охлаждению флоэмы у разных растений неодинаково. У южных растений (фасоль) полностью приостанавливается транспорт при температуре 1—2°С, тогда как у сахарной свеклы подобное охлаждение лишь замедляет передвижение. Условия минерального питания оказывают заметное влияние на транспорт веществ по флоэме. Особенно много исследований посвящено влиянию бора. Известно, что под влиянием бора скорость передвижения сахарозы заметно возрастает. Скорей всего, это связано с образованием комплексных соединений бора с углеводами. Скорость передвижения ассимилятов увеличивается и под влиянием фосфора. Фосфорилированные формы сахаров передвигаются быстрее. Скорость передвижения меняется под влиянием калия. В последнее время появилась гипотеза, согласно которой калий поддерживает мембранный потенциал в ситовидных пластинках и тем самым способствует передвижению ассимилятов. Передвижение веществ по флоэме тормозится в присутствии всех метаболических ингибиторов, таких, как азид натрия, йодацетат, динитрофенол и др. Транспорт по флоэме ускоряется при добавлении АТФ. Все это бесспорно указывает на тесную связь между передвижением веществ по флоэме и метаболизмом.

Выполняя основные химические операции с исследуемыми пробами, пробирки размещают в штативе и пользуются ими поочередно. Нежелательно заполнять их раствором, более чем на треть или, в крайнем случае, половину объема.

Сливая растворы, учитывать возможность их разбрызгивания и не наклоняться над емкостями, во избежание поражения глаз, слизистых оболочек и кожи. В аварийных ситуациях: немедленно промыть пораженное место водой не менее 15 мин., а для оказания первой помощи – использовать аптечку.

Наблюдая за химическими реакциями, держать пробирку на уровне глаз и некотором расстоянии, ни в коем случае, не заглядывая в нее сверху.

Нюхать летучие вещества с осторожностью, как показано на рисунке.

Взбалтывая пробирки с жидкостью, держать их как стакан или колбу за верхнюю часть, слегка покачивая или придавая кистью круговое вращение. При необходимости интенсивного перемешивания – использовать вортекс или закрыть горловину пробкой, обернутой полиэтиленом или алюминиевой фольгой. ЗАПРЕЩАЕТСЯ: закрывать горловину пробирки пальцем или ладонью, во избежание ожогов кожи и загрязнения реакционной смеси.

Избегая пролива исследуемых проб, заполненные пробирки и, особенно их группы, переносить не в руках, а только в штативе.

Отходы реактивов общего назначения, открыв водопроводный кран, сливать в канализацию.

Отходы едких и легковоспламеняющихся жидкостей, соответственно ЕЖ и ЛВЖ, сливать в маркированные емкости, находящиеся в соответствующих вытяжных шкафах.

Пролитые реактивы засыпать песком, а затем – смести его в урну. Место пролива при необходимости, нейтрализовать соответственно кислотой или щелочью и, обильно промыть водой.

При работе со спиртовкой или сухим горючим, поджигать их только спичкой, а гасить – колпачком. ЗАПРЕЩАЕТСЯ: 1) Держать вблизи пламени бумагу, вату, ЛВЖ и другие горючие материалы; 2) Подливать или досыпать горючее вещество во время горения; 3) Нагревать толстостенную стеклянную (банки, склянки, цилиндры, ступки) и измерительную посуду; 4) Нагревая стеклянную посуду, прикасаться ею к фитилю или к твердому горючему.

Пробирку с нагреваемой жидкостью держать с помощью держателя или полоски бумаги, отверстием в сторону от себя и соседей, а для их равномерного нагрева, избегая бурного вскипания, непрерывно пропускать через пламя.

При работе с любыми электроприборами строго следовать рабочим инструкциям и выполнять только операции, связанные с заданием. ЗАПРЕЩАЕТСЯ: устранять любые неисправности на работающих или включенных в сеть приборах.

Перед работой с центрифугой, обязательно уравновесить пробирки на центрифужных весах, установить их по диаметру ротора, закрыть крышку и, лишь затем включать прибор. ЗАПРЕЩАЕТСЯ: 1. Центрифугировать стеклянные пробирки при более чем при 2000 об/мин. 2. Открывать крышку центрифуги до полной остановки ротора.