Биология

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⁺.

У растений существует иной путь переноса элект­ронов на кислород. Этот путь не ингибируется цианидом и поэтому назван цианидустойчивым, или альтернативным. Цианидустойчивое дыхание связано с функционированием в дыхательной цепи помимо цитохромоксидазы альтернативной оксидазы, которая впервые была выделена в 1978 г. При этом пути дыхания энергия в основном не аккумулируется в АТФ, а рассеивается в виде тепла. Ингибируется цианидустойчивое дыхание салициловой кислотой. Ученым удалось установить, что функцию альтернативной оксидазы в разных тканях вы­полняют 1—3 белка, которые кодируются в ядерном геноме. У большинства рас­тений цианидустойчивое дыхание составляет 10—25%, но иногда может достигать 100% общего поглощения кислорода. Это зависит от вида и условий произра­стания растений. Функции альтернативного дыхания до конца не ясны. Этот путь активируется при высоком содержании АТФ в клетке и ингибировании ра­боты основной цепи транспорта электронов при дыхании. Предполагают, что цианидустойчивый путь играет роль при действии неблагоприятных условий. Доказано, что альтернативное дыхание принимает учас­тие в образовании тепла. Рассеивание энергии в виде тепла может обеспечивать повышение температуры растительных тканей на 10—15°С выше температуры окружающей среды. Впервые этот процесс был описан Ж.Б. Ламарком у предста­вителей семейства Ароидные. Выделение тепла имеет важное значение в осуще­ствлении функции опыления и оплодотворения (выделение нектара, испарение эфирных масел, привлекающих насекомых-опылителей), а также для выживания растений в условиях действия низких температур.

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.

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.

Нитритредуктаза — это фермент с молекулярной массой 60—70 КДа содер­жит в качестве простетической группы гем. Активность этого фермента значительно выше, чем нитратредуктазы. Нитритредуктаза локализована в хло­ропластах листьев или пропластидах корней. Донором электронов в листьях слу­жит восстановленный ферредоксин, который образуется при функционирова­нии на свету ФС I. Нитриты образуются не только на промежуточной стадии восстановления нитратов. Они, как и нитраты могут поступать в растение из почвы. При этом нитриты также подвергаются восстановлению до аммиака при участии нитритредуктазы. Однако нитриты при накоплении в цитоплазме могут оказаться ядовитыми, поскольку фермент локализован в хлоропластах. Передвижение нит­ритов в хлоропласты стимулируется Са. При недостатке Са нитриты не восста­навливаются до аммиака и накапливаются в клетках. Установлено, что в высших растениях, так же как у прокариот и грибов, на­ряду с восстановлением нитратов до аммиака осуществляется и обратный процесс — окисление аммонийной формы азота в нитратную, что опровергает широко распространенное мнение об исключительно экзогенном происхожде­нии нитратов в растениях

Нитратредуктаза — это фермент с молекулярной массой 200—270 КДа, со­держащий в своем составе ФАД, гем и молибден. Фермент локализован в цитозоле, где и протекает процесс восстановления нитратов до нитритов. Донором электронов при этой реакции у грибов является НАДФН, а у растений НАДН. В свою очередь поставщиком этих соединений являются процесс дыхания и от­части световые реакции фотосинтеза. Именно поэтому восстановление нитра­тов тесно связано с дыхательным газообменом. Вместе с тем для нормального протекания процесса дыхания растение должно быть достаточно обеспечено углеводами. При искусственном снижении содержания углеводов (выдерживание растений в темноте) нитраты не восстанавливаются, а накапливаются во всех органах растения. При усиленном поступлении нитратов содержание углеводов падает. Интересно, что растения-нитратонакопители, например, некоторые среднеазиатские солянки, содержат мало углеводов и большое количество органиче­ских кислот. Показано, что нитратредуктаза относится к индуцибельным ферментам. Ее новообразование вызывается присутствием в среде нитратов. Вместе с тем на­копление продукта реакции — нитритов репрессирует образование нитратредуктазы. Интересно, что фитогормоны цитокинины также индицируют синтез нитратредуктазы. На восстановление нитратов большое влияние оказывает свет. Прежде всего, на свету в процессе фотосинтеза образуются углеводы, необходимые для вос­становления, а также для дальнейшего превращения нитратов. Вместе с тем для восстановления нитратов могут быть непосредственно использованы продук­ты, образующиеся в процессе нециклического фотофосфорилирования (НАДФН, АТФ). Свет влияет и на уровень фермента нитратредуктазы. Пока­зано, что при низкой освещенности, дефиците Fe и Мо активность фермента снижается, и нитраты накапливаются в клетке. Восстановление нитратов сти­мулируется при освещении синим светом. Возможно, это связано с тем, что флавин, который входит в состав нитратредуктазы, поглощает синий свет и ак­тивируется им.

Значение в распределении питательных веществ в растении имеют фитогормоны. Транспорт питательных веществ идет в направлении к тем органам, которые характеризу­ются большим содержанием фитогормонов, в частности ауксинов и цитокининов. Обработка отдельных органов растений ауксином вызывает усиление притока к ним различных органических веществ. Влияние фитогормонов на пе­редвижение ассимилятов связано с усилением напряженности энергетического обмена (Н.И. Якушкина). Направление передвижения ассимилятов несколько ограничено расположением производящих их органов, а именно листьев. Известно, что листья, расположенные по разные стороны стебля, а также различные но ярусу (верхние и нижние), снабжают продуктами фотосинтеза разные части и органы растения. Так, известно, что плоды томатов и других растений снабжаются ассимилятами, главным образом образовавшимися в листьях, расположен­ных в непосредственной близости от них.

В 1930 г. Э. Мюнх выдвинул гипотезу «массового тока», согласно которой по ситовидным трубкам из одного членика в другой через поры движется жидкость с растворенными веществами. Движущей силой этого потока является тургорное давление. Клетки, в которых образуются сахара (вещество-донор), характеризуются высокой концентрацией клеточного сока и высоким тургорным давлением, а клетки, в которых сахара потребляются,— низким тургорным давлением (структура-акцептор). Если эти клетки соединены между собой, то жидкость должна перетекать из клеток с высоким давлением в клетки с низким давлением. Гипотеза Мюнха в последнее время приобрела сторонников, однако она не согласуется с многими факторами. Далеко не всегда передвижение идет по градиенту тургорного давления (в сторону его уменьшения). Эта гипотеза не объясняет как происходит переброска ассимилятов из опадающих листьев или завядающих лепестков цветка, которые обладают, низким тургорным давлением. Расчеты показывают также, что для передвижения раствора сахарозы с той скоростью, которая наблюдается в ситовидных трубках, нужна сила, значительно превосходящая силу тургорного давления, развиваемую в клетках-донорах. Альтернативной является гипотеза, согласно которой передвижение органических веществ идет с затратой энергии. По данным А.Л. Курсанова, существует взаимосвязь между флоэмным транспортом и напряженностью энергетического обмена. Источником энергии для транспорта веществ может быть АТФ, образовавшаяся как в самих ситовидных элементах, так и, главным образом, в клетках-спутницах. Известно, что клетки-спутницы характеризуются исключительно высокой интенсивностью дыхания и окислительного фосфорилирования. Возможно, что периодические сокращения белковых тяжей ситовидных трубок могут способствовать перемещению веществ в определенном направлении. Ряд исследователей говорят о электроосмотических явлениях при транспорте веществ по флоэме. Со­гласно этой гипотезе, на каждой ситовидной пластинке возникает электрический потенци­ал. Возникновение электрического потенциа­ла связано с циркуляцией ионов К⁺. Предпо­лагается, что К⁺ активно (с затратой энергии АТФ) поглощается выше ситовидной перего­родки и проникает через нее в нижний членик. По другую сторону перегородки ионы К⁺ пас­сивно выходят в сопровождающую клетку. Активное поступление К⁺ с одной стороны ситовидной трубки обеспечивается тем, что ас­симиляционный поток обогащает ситовидную трубку АТФ именно с той стороны, к которой он первоначально подходит. Возникающий на каждой ситовидной пластинке электрический потенциал и является движущей силой потока сахарозы по флоэме. Важно отметить, что флоэма, имеет и вто­рую функцию — распространение импульсов возбуждения, что может являться одним из механизмов, обеспечивающих транспорт (В.А. Опритов). Д. Фенсом выдвинута гипоте­за, что транспорт ассимилятов по флоэме осу­ществляется с помощью нескольких механизмов. Основное значение при этом придается тем механизмам, которые были рассмотрены, т.е. перетеканию рас­твора под давлением, электроосмотической гипотезе и передвижению, свя­занному с перистальтическим сокращением белковых тяжей. Каждый из этих механизмов может осуществляться и усиливаться при отсутствии условий для функционирования других. Важное значение имеет направление движения и распределение ассимилятов. Оно во многом определяется интенсивностью использования веществ, потребностями того или иного органа, интенсивностью его роста.

Как известно, азот составляет около 1,5% сухой массы растений. Он входит в состав важных органических веществ, таких, как аминокис­лоты и белки, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, фосфолипиды, алкалоиды, многие витамины, фитогормоны (ауксины и цитокинины). Азот содержится в соединениях группы порфиринов, которые лежат в основе хлорофилла и цитохромов, многочисленных коферментов, в том числе НАД и НАДФ. Формы азота в окружающей среде разнообразны: в атмосфере — газообразный азот и пары аммиака, в почве — неорганические формы азота (азот аммиака, аммония, нитратов, нитритов) и органические (азот аминокислот, амидов, белка, гумуса и др.). В растениях соединения азота также находятся в разнообразной форме. Наиболее часто в естественных условиях встречаются растения, испытывающие недостаток азота. Решить эту проблему можно с помощью внесения в почву азотных удобрений. Важно помнить, что рациональное применение азотных удобрений требует обязательного знания особенностей азотного обмена. Большая роль в выяснении всех указанных вопросов принадлежит работам академика Д.Н. Прянишникова и его учеников. Французский ученый Ж.Б. Буссенго установил, что при выращивании растений на прокаленном песке они содержат столько азота, сколько было в семени. Это доказало, что высшие растения не могут усваивать азот атмосферы. Таким образом, несмотря на то, что в атмосфере содержится около 80% азота, боль­шинство растений не усваивают его. Однако есть растения, обогащающие почву азотом за счет атмосферы. К ним относятся представители семейства Бобовые. Г. Гельригель установил, что на корнях бобовых растений образуются вздутия — клубеньки, заполненные живыми клетками бактерий. Эти бактерии живут в сим­биозе с высшими растениями и фиксируют азот атмосферы. Дальнейшие иссле­дования показали, что фиксировать (усваивать) молекулярный азот атмосферы могут некоторые прокариотические организмы.