«...Дыхание служит стимулом главнейших жизненных отправлений растений... подобно животным, они поглощают при переработке органических соединений в органические образования кислород, выделяют углекислоту и освобождают тепловую энергию...» А. С. Фаминцын «И дышит сад легко, глубоко, всей грудью яблонь, груш и слив» Вс. Рождественский
Энергетический цикл жизни. История развития учения о дыхании. Дыхание и его значение в жизни растений. АТФ: структура и функции. Строение и физиологические особенности митохондрий. Величины, определяющие дыхание: интенсивность дыхания, дыхательный коэффициент. Влияние внешних условий и внутренних факторов на дыхание. Схема дыхания по В.И.Палладину Особенности химизма и энергетики дыхания в сравнении с горением. Ферменты дыхания. Пути дыхательного обмена растений. Гликолитический (дихотомический) путь дыхательного обмена. Генетическая связь дыхания и брожения. Пентозофосфатный ( апотомический ) путь дыхательного обмена. Глиоксилатный цикл. Альтернативный путь дыхания
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 2824 кДж 1. Энергетический цикл жизни
Дыхание было обнаружено более 200 лет назад (1771 -1779 гг.) вместе с фотосинтезом как процесс «порчения воздуха» Пристли Джозеф ( 1733-1804) Шееле Карл Вильгельм (1742 –1786)
Лавуазье изображен во время проведения эксперимента по определению состава воды путем поджигания смеси водорода и кислорода электрической искрой (гравюра XIX в.). Антуан Лавуазье (1743-1794) А.Л. Лавуазье (1780) считал, что растения поглощают кислород для сжигания пищи. При дыхании, как и при горении поглощается кислород и образуется СО 2, причем в обоих случаях выделяется теплота. Дыхание - это медленно текущее горение питательных веществ в живом организме. УСТАНОВКА А.ЛАВУАЗЬЕ для определения состава воздуха.
Показал (1778-80 гг.), что растения исправляют воздух на свету и только зелеными частями, а незеленые части на свету и в темноте, зеленые в темноте – портят. Основатель учения (1797-1804 гг.). Ввел термин, уравнение, установил соотношение СО 2 /О 2, которое как правило равно 1. Этот газообмен и есть дыхание. При этом образуется вода. Николя-Теодор де Соссюр (1767-1845) Ян Ингенхауз (1727-1806) «Когда солнце, поднявшееся над горизонтом, разбудит своими лучами заснувшие за ночь растения, оно сделает их способными исполнять свою целительную функцию – исправлять воздух для животных; во мраке ночи эта деятельность совсем прекращается; днем же совершается с тем большим оживлением, чем светлее день и чем выгоднее расположено растение в отношении солнечных лучей. Затененные высокими зданиями или другими растениями, они не исправляют воздух, а, наоборот, выделяют вредный для дыхания животных воздух. К концу дня выработка очищенного воздуха ослабевает и при заходе солнца совершенно прекращается»
Ф.Ю. Мейен (Германия) в 1838 г. утверждал, что растению не свойственно дыхание, как у животных. Л.Гарро (Франция) – в 1850-1851 гг.установил, что дыхание и фотосинтез – разные процессы. Ж.Б. Буссенго в 1848 г.предложил уравнение дыхания. Жан Бат и ст Буссенг о (1802–1887)
Отто Варбург НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ 1933 г. за результаты исследований связи кислорода и рака Альберт Сент-Дьёрдьи американский биохимик, НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ 1937 г. по физиологии и медицине за работы по биологическому окислению. Ханс Адольф Кребс (1900-1981) английский биохимик, НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ 1 953 г. (совместно с Ф. Липманом) по физиологии и медицине за открытие цикла трикарбоновых кислот.
Палладин Владимир Иванович (1859-1922) Автор ферментативной теории дыхания растений Бах Алексей Николаевич (1857-1946) Автор перекисной теории медленного окисления Бородин Иван Парфеньевич (1847-1930) В 1876 году защитил диссертацию «Физиологические исследования над дыханием листовых побегов» и получил степень магистра ботаники Костычев Сергей Павлович (1877-1931) экспериментально обосновал теорию о генетической связи дыхания и брожения
Дыхание – это процесс распада сложных органических соединений до СО 2 и воды при участии кислорода воздуха, сопровождаемый выделением энергии. С 6 Н 12 О 6 +6О 2 →6СО 2 + 6Н 2 О + 2824 кДж
Энергетическое. Энергия, выделяющаяся при дыхании, используется эндорганические процессы: - синтезы, - поступление и транспорт веществ, - рост - поддержание структур - терморегуляция. Дыхание → протонный потенциал → АТФ 2. Конструкционное 3. Образование воды Ж. Б. Ламарк (1744 — 1829)
АДФ + Фн → АТФ + Н 2 О Липман Фриц Альберт ( 1899–1986) Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1953 г.
Вещество ΔG, кДж/моль ФЕП -62,1 1,3-БиФГК -49,5 Креатинфосфат -43,3 АТФ -30,6 АДФ -30,6 АМФ -13,8 Глюкозо-6-фосфат -13,8
Протонный потенциал АТФ Биологические преобразователи энергии, ОВ цепи, связанные с мембранами свет Орг. субстрат Термогенез Движение у прокариот Термогенез Движение (механ.работа) Активный транспорт Активный транспорт Передача Е на расстояния Передача Е на расстояния Биосинтезы
Диаметр 0,5 - 1,0 мкм длина 1- 3 мкм Функции: - окислительное фосфорилирование -биосинтез соединений (некоторые аминокислоты) -протекание метаболических процессов
Северные > южных Теневыносливые < светолюбивые высокогорные > равнинных корни < листья < цветки пестик > лепестки > листьев молодые > старые Камбий, флоэма > ксилема О 2 мм 3 /ч 1 г сыр.массы Ананас 30 Аронник до 30000 Морковь,корни 25-30 Морковь, мол.лист. 1100 Фасоль, растение 97 Фасоль, лист 260-570 Элодея, побег 900 Яблоня, плод 20-35 Ячмень, лист 250 Ячмень, семена 0,06
ДК = VСО 2 / VО 2 Органические вещества, разрушающиеся при дыхании – субстрат С 6 Н 12 О 6 +6 О 2 → 6 СО 2 + 6 Н 2 О 6СО 2 / 6 О 2 =1 2 С 2 Н 2 О 4 + О 2 → 4 СО 2 + 2 Н 2 О 4 О 2 / 1 О 2 = 4 С 18 Н 36 О 2 + 26 О 2 →18 СО 2 + 18 Н 2 О 8СО 2 /26О 2 = 0,7 Факторы влияющие на ДК: 1. Качество дыхательного материала (степень его окисленности ) 2. Концентрация кислорода 3. Расположение ткани 4. Повреждение мембран
Внешние условия С 6 Н 12 О 6 +6О 2 →6СО 2 + 6Н 2 О + 2824 кДж 1. Температура 2. Содержание кислорода 3. Содержание углекислого газа 4. Вода 5. Свет 6. Питательные соли 7. Поранение Внутренние факторы Экологическая группа 2. Возраст 3. Фаза роста
1 ст. - анаэробный С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О + 12R→ 6СО 2 +12RН 2 2 ст. - аэробный 12RН 2 + 6О 2 → 12R + 12Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О R – дыхательный пигмент (окраш.) RН 2 – дыхательный хромоген (бесцвет)
Горение Дыхание Протекают по одному уравнению, выделяется одинаковое количество энергии Энергия выделяется сразу в большом количестве. Энергия выделяется в виде тепла и света Энергия выделяется в процессе присоединения кислорода. Энергия выделяется постепенно, многоступенчатый процесс. Большая часть энергии, заключенной в глюкозе, переходит в АТФ без перехода в тепло и используется организмом. Энергия выделяется в процессе отнятия водорода. Ферментативный процесс 8. Сравнение дыхания и горения
Оксидоредуктазы, участвующие в дыхании, делятся на следующие основные группы: Анаэробные дегидрогеназы передают электроны промежуточным акцепторам, но не О 2. Аэробные дегидрогеназы передают электроны различным акцепторам, в т.ч. и О 2. Оксидазы передают электроны О 2.
двухкомпонентные ферменты коферментом является НАД или НАДФ, которые имеют сходную структуру и после гидролиза образуют рибозу, аденин, никотинамид и фосфорную кислоту НАД и НАДФ связаны с ферментом с помощью ионов металла и сульфгидрильных группировок отнимают от субстрата 2 Н + и 2 ē Присоединяют 1 Н + и 2 ē, 1 Н + выделяется в среду (НАДН+Н + ) при окислении субстрата превращаются в восстановленную форму и легко отрываются от белковой части в восстановленной форме находятся в цитоплазме в свободном состоянии, могут транспортироваться, являются универсальными восстановителями в окисленной форме связаны с мембранами, являются универсальными окислителями. различают более 150 пиридиновых дегидрогеназ: НАД ( алкогольдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа ); НАДФ ( глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, фосфоглюконатдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа,)
двухкомпонентные ферменты простетическая группа прочно прикреплена к белковому носителю простетической группой являются производные витамина В 2 (рибофлавин) — флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) активной частью служит изоаллоксазиновое кольцо отнимают от субстрата два Н + и два ē присоединяют 2Н + и 2ē специфичность определяется белковой частью фермента содержат металлы: Fe, Cu, Mo, Mn доноры ē – анаэробные дегидрогеназы или субстрат акцепторы ē – хиноны, цитохромы, кислород Пример - сукцинатдегидрогеназа (ФАД). ФАД(ФМН) → ФАДН 2 (ФМН Н 2 ) окрашены (ФМН-желтый дых.фермент Варбурга) бесцветны
аэробные дегидрогеназы, передают электроны только на кислород при этом образуются вода (перенос 4ē), Н 2 О 2 -пероксид водорода (2ē) или О 2 - - супероксидный анион кислорода (ē) Примеры: цитохромоксидаза, полифенолоксидаза (вода), флавопротеиновые оксидазы (Н 2 О 2 ), ксантиноксидаза (О 2 - ) Fe -протеиды: геминовые: каталаза, пероксидаза, цитохромы; негеминовые: аконитаза, ксантиноксидаза Cu -протеиды (полифенолоксидаза и аскорбатоксидаза) Цитохромы: известно около 20 цитохромов ( а, b, с, d, отличающихся между собой природой простетической группы): Fe 3+ ± ē ↔ Fe 2+ цит. b → цит. с 1 → цит. с→ цит. аа 3 → О 2
Гликолитический (дихотомический); Пентозофосфатный (апотомический).
1 фаза — анаэробная (гликолиз), 2 фаза — аэробная Локализованы в различных компартментах клетки: анаэробная фаза (гликолиз) — в цитоплазме, аэробная фаза — в митохондриях.
Путь Г.Эмбдена – О.Мейергофа – Я.О.Парнаса С.П. Костычев, Л.А.Иванов, А.Гарден глюкоза → 2 ПВК (аэробный) глюкоза → 2 молочной кислоты (анаэробный) С 6 Н 12 О 6 → 2 С 3 Н 4 О 2 + 2 Н 2 O
Универсальный, древний процесс. Общий начальный этап дыхания и брожения. С биологической точки зрения процесс достаточно примитивный, менее саморегулируемый. Все реакции гликолиза протекают в цитозоле. Включает 10 последовательных реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом.
Глюкоза (С 6 ) С 6 Р 1 С 6 Р 2 АТФ АТФ С 3 - ПВК С 3 Р 1 С 3 Р 1 С 3 - ПВК 2 АТФ 2 АТФ НАДН НАДН
Энергетическое - образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН+Н + Метаболическое - образование промежуточных веществ, необходимых для синтетических процессов в клетке. Гликолиз в хлоропластах обеспечивает синтез АТФ, метаболизацию крахмала до триоз, которые экспортируются из хлоропласта. Первый подготовительный этап дыхания у аэробов.
Л. Пастер обнаружил, что в растительных тканях наряду с выделением СО 2 идет спиртовое брожение Э.Ф. Пфлюгер показал наличие у лягушек интрамолекулярного дыхания (выделение C О 2 в бескислородной среде) и предположил, что оно является начальным этапом аэробного дыхания. Б.Пфефер и Э.Ф. Пфлюгер предложили уравнения механизма дыхания: С 6 Н 12 О 6 → 2С 2 Н 5 ОН +2СО 2 2С 2 Н 5 ОН +6О 2 →4СО 2 + 6Н 2 О С 6 Н 12 О 6 +6О 2 →6СО 2 + 6Н 2 О «Дыхание и брожение – это два русла, по которым энергия изливается во все живые организмы» Энгельгард +О 2 глюкоза дыхание брожение
С.П. Костычев выдвинул положение о генетической связи процесов брожения и дыхания. При этом он опирался на следующие факты : 1. У высших растений 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. 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 сахарами. глюкоза Промежуточный продукт брожение дыхание +О 2 +О 2 -О 2 глюкоза
Дыхание Брожение ферментативный распад органических соединений, сопровождаемый выделением энергии на простые неорганические на более простые органические аэробный анаэробный процесс окислительный степень окисленности не меняется акцептор электрона — кислород акцепторы электрона — орг. соединения Больше энергии Меньше энергии
Эффект Пастера – торможение брожения в присутствие кислорода при одновременном сокращении распада глюкозы.
2ПВК + 5О 2 + 6Н 2 О → 6СО 2 + 5Н 2 О Основные стадии: окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты; цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса); электронтранспортная цепь (ЭТЦ) Первые две стадии происходят в матриксе митохондрий, ЭТЦ локализована на внутренней мембране митохондрий.
СН 3 СОСООН + НАД + КоА – SH → СН 3 СО– S– КоА + НАДН+H + + СО 2 Мультиферментный комплекс пируватдекарбоксилаза (М r 4,0·10 6 ) включает три фермента и пять коферментов (тиаминпирофосфат, липоевая кислота, коэнзим А – КоА- SH, ФАД и НАД)
Цикл трикарбоновых кислот 1910 г. швед.химик Т.Тунберг показал, что в животных клетках содержатся ферменты, способные отнимать Н + от некоторых органических кислот. 1935 г. венгер. ученый А. Сент-Дьердьи установил, что добавление небольших количеств органических кислот (фумаровой, яблочной или янтарной) усиливает поглощение кислорода измельченными мышечными тканями. 1937 г. англ.биохимик Г. Кребс (университет Шеффилда, Великобритания), пришел к выводу, что главным путем окисления углеводов являются циклические реакции, в которых происходит постепенное преобразование ряда органических кислот. Эти преобразования были названы циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса. В 1953 году Кребс был удостоен Нобелевской премии. 1939 г. англ. Чибнелл доказал существование цикла у растений.
«Цикл Кребса объясняет два одновременно происходящих процесса: реакции распада, при которых высвобождается энергия, и синтетические процессы, при которых эта энергия расходуется» Эрик Хаммарстен «Наличие одного и того же механизма образования энергии у всех живых существ позволяет сделать еще два вывода. Во-первых, этот механизм возник на очень ранних этапах эволюции, и, во-вторых, жизнь в ее настоящем виде зародилась лишь однажды». Х.Кребс, Нобелевская лекция Ханс Адольф Кребс (25.08. 1900– 22.11. 1981)
Энергетическое: в цикле Кребса выделяется: 2 СО 2, 3 НАДН +H + и 1 ФАД·Н 2, 1 АТФ Метаболическое: органические кислоты используются для синтеза аминокислот, жиров и углеводов. Конечный этап окисления углеводов, белков и жиров.
локализована во внутренней мембране митохондрий. состоит из более, чем двух десятков переносчиков и значительного числа белков, сгруппированных в крупные ферментные комплексы. включает четыре погруженных в мембрану основных комплекса и два небольших по молекулярной массе лабильных компонента – кофермент Q и цитохром С.
ЭТЦ служит для передачи электронов от восстановленных субстратов на кислород. С переносом электронов по ЭТЦ сопряжен синтез АТФ. Энергия высвобождается постепенно путем передачи протонов и электронов ряду переносчиков, связанных с белками и образующих ЭТЦ. Расположение переносчиков в ЭТЦ определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала (О/В). Движущей силой транспорта электронов в ЭТЦ является разность потенциалов. Электроны от НАДН (-0,32 В) или ФАДН 2 передаются на О 2 (+0,82 В), который восстанавливается, присоединяя Н + и образуя Н 2 О: 4 Н + + 4 ē + О 2 → 2 Н 2 О
Дыхание сопряжено с окислительным фосфорилированием (сопряженное фосфорилирование). Сопряжение обеспечивается внутренней митохондриальной мембраной. Происходит перекачивание протонов из матрикса и создается протонный градиент. Протонный потенциал - движущая сила синтеза АТФ. При переносе пары электронов от НАД на кислород на внешнюю сторону мембраны выделяется 6 (3 пары) протонов.
Коэффициент фосфорилирования — отношение количества связанного неорганического фосфора (АДФ + Фн→АТФ) поглощенному в процессе дыхания кислороду (Р/О) Коэффициент фосфорилирования — показатель сопряженности окисления и фосфорилирования Коэффициент Р/О может быть не более 3, т.к. перенос двух электронов к кислороду по дыхательной цепи сопровождается не более чем тремя фосфорилированиями. Зависит от условий и от состояния клеток: природы окисляемого вещества внешних условий (температура, обезвоживание и набухание митохондрий, разобщители). снижается при заболевании организмов.
это накопление энергии окисления в АТФ при продвижении электрона по цепи переносчиков. Хемиосмотическая теория разработана в 1961-1966 гг. Дыхание → протонный потенциал (∆μΗ+) → АТФ Сопряжение диффузии протонов с синтезом АТФ осуществляется АТФсинтазным комплексом. П. Митчелл, англ.биохимик, Нобелевский лауреат (1978)
СF 0 – интегральный гидрофобный белок мембраны, протонный канал, 4 типа пептидов ( a, b, b', c 12 ) СF 1 – гидрофильный белковый комплекс, 5 типов полипептидов: α, β, γ, δ, ε.
P. Boyer, J. Walker Нобел. премия, 1997 Ротационный механизм работы ферментного комплекса: Энергия, освобождаемая при диффузии протонов через F 0 -канал, используется для вращения γ -субъединицы
Три этапа синтеза АТФ : Присоединение АДФ и Ф н к активному центру фермента без затраты энергии. Конформационные изменения фермента, синтез АТФ из АДФ и Ф н. Высвобождение АТР и возврат АТР-синтазного комплекса в исходное состояние.
Этапы дыхания Генерация энерг. эквивалентов Энерг. выход дыхания Гликолиз 2АТФ 2 НАДН 2АТФ Окислительное декарбоксилирование ПВК 2НАДН Цикл Кребса 2АТФ 6НАДН 2ФАДН 2 2АТФ ЭТЦ: окисление 10НАДН окисление 2ФАДН 2 30 АТФ 4 АТФ 38 АТФ 38 АТФ Х 30,6 кДж = 1162,8 к Дж - затрачено на образование 2824 кДж – выделяется при распаде глюкозы, следовательно КПД ≈ 40 %
Впервые описан в 1957 г. у бактерий и плесневых грибов Г.Л. Корнбергом и Г.А. Кребсом. Характеристика: функционирует в прорастающих семенах масличных растений и в других объектах, где запасные жиры превращаются в сахара (стареющие листья, при созревании пыльцы) локализован в специализированных микротельцах — глиоксисомах. отсутствуетв клетках животных, в вегетативных тканях растений и в созревающих семенах. Перестает функционировать после того, как израсходован весь запас жира.
В глиоксилатном цикле по сравнению с циклом Кребса: Участвует 2 молекулы ацетил-СоА Ацетил-СоА используется для синтеза янтарной кислоты, которая может выходить из глиоксисом, превращаться в ЩУК и участвовать в глюконеогенезе (обращенном гликолизе) и других процессах биосинтеза. Отсутствует декарбоксилирование Участвует 2 специфических фермента: лиаза и малатсинтаза. Значение: Энергетическое – 1 НАДН (3АТФ) С помощью цикла жиры превращаются в углеводы. Глиоксилатный цикл позволяет утилизировать запасные жиры, при распаде которых образуются молекулы ацетил-СоА.
Цианидустойчивый (цианидрезистентный), не ингибируется цианидом. Характерен для семенных растений, грибов, водорослей. Цианидустойчивое дыхание: - связано с функционированием в дыхательной цепи альтернативной оксидазы. - энергия в основном не аккумулируется в АТФ, а рассеивается в виде тепла. - ингибируется салициловой кислотой - функцию альтернативной оксидазы в разных тканях выполняют 1—3 белка, которые кодируются в ядерном геноме. - составляет 10- 25 % (до 100 %) общего поглощения кислорода. - активируется при высоком содержании АТФ и ингибировании основной цепи транспорта электронов при дыхании.
апотомический, или фосфоглюконатный Этапы: 1) Глюкозо-6-фосфат→ СО 2 +НАДФ + +рибулозо-5-фосфат 2) Регенерация глюкозо-6-фосфата
Энергетическое. Метаболическое, образуются: - НАДФН, который используется на синтетические процессы -углеводы (от С 3 до С 7 ), пентозы -рибулозо-1,5-дифосфат и НАДФН принимают участие в темновой фиксации СО 2. В хлоропластах функционирует в темноте, предотвращает резкое изменение концентрации НАДФН в отсутствие света. При н.у. ПФП составляет 10-40%, зависит от типа ткани и состояния: Преобладает в хлоропластах (ПФП > гликолиз) Снижается в анаэробных условиях (гликолиз > ПФП), т.к. подавляется работа дегидрогеназ цикла. При неблагоприятных условиях активность ПФП увеличивается : засуха, дефицит калия, инфекция, засоление, затенение, старение.
