Документ. Курс лекций 2 Лекция физиология растений наука

• Название: Курс лекций 2 Лекция физиология растений наука
• Анкор: Документ
• Дата: 01.03.2022
• Размер: 1.59 Mb.
• Имя файла: 14327975702.pdf
• Тип: Курс лекций; #377955
• страница: 5 из 16

7.4. Цикл трикарбоновых кислот. Образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где осуществляется вторая, аэробная фаза дыхания. Основу этой фазы представляет цикл ди- и трикарбоновых кислот, называемый циклом Кребса. Еще до вхождения в цикл пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию, осуществляющемуся с участием КоА и НАД. В процессе указанной реакции от пирорвиноградной кислоты отщепляется молекула СО и 2 атома водорода. При этом образуется НАД·Н
2
и ацетил-КоА (Ацетил-кофермент А) (СН
3
СО

S-КоА) содержащий уже макроэргическую связь. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты осуществляет пируватдегидрогеназный ферментный комплекс.

38 Этот сложный многоступенчатый процесс можно представить следующим суммарным уравнением
ПВК + КоА – Н + НАД СН
3
СО S – КоА + СО + НАД·Н
2
КоА ацетил – КоА Затем ацетил – КоА реагирует со щавелевоуксусной кислотой (ЩУК) и водой. Образуется лимонная кислота и восстанавливается КоА: ЩУК + ацетил – КоА + НО лимонная кислота + КоА Дальнейшим превращением подвергается не лимонная, а изолимонная кислота, которая образуется через промежуточный этап цис-аконитовой кислоты
аконитоза лимонная кислота – НО цис-аконитовая кислота + Н
2
О
изолимонная кислота
Изолимонная кислота окисляется путѐм дегидрирования до щавелевоянтарной кислоты изолимонная к-та + НАДФ щавелевоянтарная к-та + НАДФ·Н
2
От щавелевоянтарной кислоты отщепляется молекула СО
2
ферментом декарбоксилазой и образуется α-кетоглутаровая кислота
щавелевоянтарная кислота α-кетоглутаровая кислота + СО
2
Кетоглутаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию и образуется янтарная кислота. В реакции участвует дегидрогеназа a-кетоглутаровой кислоты и КоА:
α-кетоглутаровая к-та + НО + НАД янтарная к-та + СО + НАД·Н
2
Янтарная кислота подвергается окислению до фумаровой кислоты. В реакции участвует ФАД: янтарная кислота + ФАД фумаровая кислота + ФАД·Н
2 Фумаровая кислота присоединяет воду и превращается в яблочную:
фумараза
фумаровая кислота + НО яблочная кислота Яблочная кислота взаимодействует с НАД и окисляется до щавелевоуксусной кислоты яблочная кислота + НАД щавелевоуксусная кислота + НАД·Н
2
На щавелевоуксусной кислоте цикл Кребса замыкается. Она вновь конденсируется с ацетил-КоА и дает начало лимонной кислоте (рис.

39 Рис. Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Как видно из схемы, при одном обороте цикла образуется три молекулы СО, отщепляется пять пар водородных атомов, присоединяются четыре молекулы и отщепляется одна молекула воды. Биологический аспект аэробных превращений пировиноградной кислоты заключается в образование продуктов, способных к реакциям дегидрирования и декарбоксилирования, что в конечном счете обеспечивает распад исходных продуктов доводы и углекислого газа. Кроме этого, образуются промежуточные продукты, служащие материалом для образования аминокислот и кислот жирного ряда.
7.5. Дыхательная электронтранспортная цепь. Потребление О – характерная черта процесса дыхания всех живых организмов. Потребность в кислороде возникает вследствие того, что значительная доля энергии, находившейся ранее в гексозе, содержится теперь в восстановленных переносчиках
НАД·Н и ФАД·Н
2
, из которых она должна высвободиться в третьей стадии дыхания, когда эти переносчики вновь окислятся, передав свои электроны свободному кислороду. Поскольку в НАД·Н и ФАД·Н
2
заключено большое количество энергии, высвобождаться она должна постепенно, путем передачи электрона от этих кофакторов целому ряду переносчиков. Конечным акцептором электрона служит молекулярный кислород, который вместе с протоном, поступившим из окружающей водной среды, образует новую молекулу воды Не+ ОНО Первичным акцептором водорода при окислении ФГА, пировиноградной кислоты, изолимонной, a-кетоглутаровой и яблочной кислот служит НАД, а при дегидрировании янтарной кислоты – ФАД. Далее водород и электроны поступают в ЭТЦ, где совместный перенос электронов и протонов проходит до места расположения цитохромов, после чего переносятся одни электроны. Отметим, что ферменты цикла
Кребса расположены в матриксе, а ЭТЦ – в мембранах митохондрии. Схема работы дыхательной цепи митохондрий приведена на рис.

40 Рис. Схема работы дыхательной цепи митохондрий
В цепи переноса электронов их энергия высвобождается и используется на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, а электроны переходят на более низкий энергетический уровень. На каждую молекулу НАД·Н, передающую свои электроны в цепь переноса электронов, синтезируется три молекулы АТФ, а на каждую молекулу
ФАД·Н
2
– две. Поскольку АТФ образуется в результате окисления каждого предшествующего переносчика и электроны в конце концов переходят на кислород, процесс этот получил название окислительного фосфорилирования. (рис. Механизм окислительного фосфорилирования объясняет хемиосмотическая теория Митчелла Рис. Схема окислительного фосфолирования Сущность теории состоит в следующем. Из субстратов, образующихся в цикле
Кребса, дегидрогеназы НАД и ФАД отщепляют водород и при переходе на Электрический потенциал Низкая концентрация протонов Грибовидный вырост Дыхание
АДФ + Р
н
АТФ
НАД·Н
½ О
2
2Н
+
Фосфорилирование Высокая концентрация протонов
2Н
+
2Н
+
2Н
+
++++
--------
2е
-
2е
-
2е
-
(фактор сопряжения) НАД
Ц.Кребса
ФМН
Убихинон
ФАД·Н
2
2е
-
+ Не-
+ 2Н
+
АДФ + Ф
н АТФ
Цит. b
Цит. с
Цит. а
Цит. а
3
Н
2
О
АДФ + Ф
н
АТФ
АДФ + Ф
н
АТФ
2е
-
2е
-
2е
-
2е
-
2е
-
2Н
+
2Н
+
1/2
О

41 цитохромную систему осуществляется перенос электронов. Ионы водорода выбрасываются из мембраны митохондрии, что создает градиент рН и приводит к поляризации мембраны с наружной стороны мембраны находятся ионы Нас внутренней – ОН. Этот мембранный потенциал представляет собой источник энергии для окислительного фосфорилирования. Каждая пара электронов, переносимая по цепи переносчиков от НАД·Н
2
к кислороду воздуха, приводит к переносу через мембрану митохондрии шести ионов Н. При обратном движении протонов через особые канальцы в грибовидных выростах, называемых факторами сопряжения, высвобождается энергия, за счет которой с участием АТФазы происходит синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Это явление носит название сопряжения дыхания с фосфорилированием. Если сопряжения не происходит, например под действием разобщителей фосфорилирования (динитрофенол) или сильных стрессов, то энергия окисляющихся веществ выделяется виде тепла, и эффективность дыхания резко падает. Таким образом, вдыхательной цепи цикла Кребса при окислении ПВК, изолимонной, α-кетоглутаровой и яблочной кислот акцептором водорода является НАД, а при окислении янтарной кислоты – ФАД. Окисление каждой молекулы НАД·Н
2
дает три молекулы АТФ, а окисление ФАД·Н
2
– две молекулы АТФ. Следовательно, при полном окислении ПВК образуется 15 молекул АТФ и 30 АТФ при двух оборотах цикла. При полном окислении молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ (8 молекул образуется входе гликолиза и 30 АТФ – в цикле Кребса). Если принять, что энергия третьей сложноэфирной фосфатной связи АТФ равняется примерно 42 кДж/моль (10 ккал/моль), то при полном окислении глюкозы до СО и НО образуется
1591 кДж/моль (380 ккал/моль) энергии. Остальная энергия рассеивается в виде теплоты. Общее уравнение процесса дыхания
С
6
Н
12
О
6
+ ОНО+ 38АДФ + 38Н
3
РО
4 СО + НО + 38 АТФ В анаэробных условиях у растений происходит диссимиляция по типу спиртового брожения. При этом затрачивается во много раз больше органических веществ, чем придыхании, а образующиеся продукты, прежде всего ацетальдегид и этанол, ядовиты. Поэтому растения без кислорода быстро истощаются и отравляются продуктами собственного метаболизма.
7.6. Окислительное фосфорилирование. Главной особенностью внутренней мембраны митохондрии является присутствие в ней белков — переносчиков электронов. Эта мембрана непроницаема для ионов водорода, поэтому перенос последних через мембрану осуществляется с помощью специфических переносчиков. Так, например, в мембране локализована система цитохромоксидазы, включающая цитохром с, локализованный вблизи внешней поверхности мембраны, цитохрома, расположенный в центре мембранного матрикса, и цитохрома, примыкающий к ее внутренней поверхности. По мнению П. Митчелла (1961), именно особенности структуры внутренней мембраны, локализации в ней переносчиков и функционирования ферментных белков обеспечивают разделение зарядов атома водорода протонов на внешней, а электронов
— на внутренней поверхности мембраны. Вследствие этого на внутренней митохондриальной мембране возникает протонный градиент АцЯ, поддерживаемый

42 непроницаемостью мембраны для протонов. Большая его часть приходится на градиент электрического заряда (Д, меньшая — на градиент концентрации (АрН). Если же применять ядовитые вещества, образующие протонные каналы через мембрану, то происходит утечка ионов водорода, и протонный градиент исчезает. В мембране имеются три петли, организованные белками — переносчиками электронов, прошивающими мембрану насквозь при переносе ѐ от НАДН на кислород. В результате этого электроны трижды выносятся на внутреннюю поверхность, а протоны остаются снаружи, что и создает между сторонами мембраны протонный градиент ДцЯ. При этом с внутренней стороны митохондриальная мембрана оказывается более щелочной, ас наружной — более кислой. Кроме этой в мембране имеются еще несколько систем, генерирующих мембранный потенциал. Например, АТФ-аза создает на мембране АцЯ за счет гидролиза макроэргической связи АТФ И/активного переноса протона на внешнюю поверхность мембраны. Энергетическая емкость сопрягающих мембран невелика, что не дает возможности запасать большое количество энергии в форме АН. Поэтому последняя превращается в более стабильную связей в молекулах АТФ -входе окислительного фосфорилирования. Суть его заключается в образовании молекулы АТФ из АДФ и неорганического фосфата Рн. Суммарный заряд молекулы АДФ равен -
6, а продукта реакции АТФ -4. Поэтому превращение АДФ в АТФ требует двух положительных зарядов
АДФ
-6
+ Рн + Н -> АТФ + НО. Эти два протона переносятся по каналам, имеющимся в грибовидных выростах с внешней поверхности мембраны, за счет Д, в результате чего с помощью встроенной в мембрану АТФ-синтетазы образуется АТФ. Поскольку движение протонов, АДФ и
Рн через мембрану происходит по градиенту концентрации (осмотически), теория окислительного фосфорилирования получила название хемиосмотической. АТФ — молекула, богатая энергией, поскольку ее трифосфатный компонент содержит две фосфоангидридные связи. Образующаяся при гидролизе молекулы АТФ энергия может быть использована на синтез веществ, активный транспорт против электрического градиента, всякого рода движения, сократительную деятельность белков, генерацию заряда на мембране, биохемилюминесценцию. АТФ является главным донором свободной энергии в растении, а не формой ее запасания. АТФ в клетке используется в течение минуты после ее образования, те. оборот АТФ очень высок. Вопросы для самоконтроля
1. Общее представление о дыхании, функции.
2. Гликолиз.
3. Окислительный пентозофосфатный цикл.
4. Цикл трикарбоновых кислот.
5.
Глиоксилатный цикл.
6. Дыхательная электронтранспортная цепь основные компоненты, способы регистрации редокс- состояний.
7. Структура и функции комплексов ЭТЦ дыхания.
8. Особенности ЭТЦ дыхания растений.
9. Альтернативный путь переноса электронов вдыхательной цепи растений и его физиологическое значение.

43 10. Окислительное фосфорилирование.
11.
Энергизация мембран при функционировании ЭТЦ дыхания.
12. Энергетическая эффективность дыхания. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная
1. Ильина Н.А.Физиология и биохимия растений Учебное пособие / НА. Ильина, ИВ.
Сергеева, АИ. Перетятко - Ульяновск-Саратов, 2013. - 335 с 978-5-86045-613-6 2. Кошкин, Е. И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур учебник / Е. И. Кошкин. - М Дрофа, 2010. - 638 сил- (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений. - ISBN 978-5-358-07798-0 3. Сергеева, И.В.Физиология растений с основами экологии Учебное пособие / ИВ.
Сергеева, АИ. Перетятко - Саратов, 2011. - 348 с 978-5-7011-0740-1 4. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / под ред. Н.Н. Третьякова. М.
: Колосс Дополнительная
1. Биохимия учебник / В. Г. Щербаков, В. Г. Лобанов, Т. Н. Прудникова. - е изд, испр. и доп. - СПб.: ГИОРД, 2009. - 472 сил. Козьмина, Н. П. Зерноведение с основами биохимии растений научное издание / Н. П.
Козьмина, В. А. Гунькин, ГМ. Суслянок. - М Колосс ил. - (Теоретические основы прогрессивных технологий биотехнология. - ISBN 5-10-0039.

44 Лекция 8.
ВОДООБМЕН.
8.1. Количество потребляемой растением воды, содержание воды в клетках, тканях и органах. Составляющие водного потенциала клетки. Водный режим (водообмен) растений представляет собой совокупность ряда процессов
— поглощение воды растением
— проведение воды по растению
— потеря воды в процессе транспирации (испарения
— усвоение воды клетками. Сравнение прихода воды и ее расхода носит название водного баланса растения. Если расход воды превышает ее приход, тов растении возникает водный дефицит.
Оводненность тканей растений выражают в процентах на общую сырую или сухую массу, причем первое более предпочтительно. Относительное содержание воды в тканях определяется по формуле а - b) а 100, где а — сырая масса b — абсолютно сухая масса. Расчеты содержания воды на сухую массу в ряде случаев не дают желаемых результатов. Сезонные изменения влажности листьев нередко являются в большей мере следствием увеличения или уменьшения сухой массы, нежели содержания воды. Сухая масса растущего листа, например, быстро увеличивается благодаря постоянному утолщению клеточных стенок. Колебания сухой массы наблюдаются при различной интенсивности фотосинтеза, дыхания, оттока продуктов фотосинтеза и т. д. Выражают оводненность и через водный дефицит — отношение недостатка насыщения клеток водой к количеству воды при полном насыщении. Водный дефицит рассчитывают по формуле d = (с - ас где d — водный дефицит, %; с — масса исследуемой ткани при полном насыщении остальные величины идентичны тем, которые используются при расчете относительной влажности тканей. В растениях поддерживается постоянный ток воды, обеспечивающий водой живые клетки на протяжении всей жизни растения. Жидкая фаза воды в растении непрерывна от всасывающей поверхности корней до испаряющих клеток листа. Водообмен растения сложен и многообразен. Корневая система поглощает воду из почвы, затем вода движется по растению и, наконец, теряется в атмосфере. Небольшая часть воды принимает участие в процессе гидратации ив метаболизме клеток непосредственно фотосинтез и другие процессы. Важным показателем, определяющим поступление воды в растение, является водный потенциал (Ψ). Водный потенциал (Ψ) характеризует способность воды диффундировать, испаряться и поглощаться. Самый высокий водный потенциалу чистой воды, условно принятый равным нулю. В растворах по мере увеличения их концентрации он уменьшается. Если водный потенциал почвы выше, чем в растении, а в растении выше, чем в атмосфере, то вода постоянно будет перетекать из почвы в растение, а из него в атмосферу.

45 Рано утром при оптимальных для растений внешних условиях водный потенциал почвы равен таковому растения, а тот – водному потенциалу атмосферы. Движение воды по растению приостанавливается. Если же водный потенциал почвы ниже, чем водный потенциал растения, то вода должна, наоборот, выходить из растения наружу. Растение при продолжительном действии таких условий засыхает. Практически вся вода поступает в организм высших растений через корневую систему из почвы (хотя небольшие количества воды могут поглощаться и надземными частями растений.
8.2. Аквапорины (белки водных каналов, их структура, принцип работы. Молекулы воды могут преодолевать биологические мембраны двумя путями через липидный бислой и через поры, образуемые специфическими белками — аквапоринами. Хотя молекула воды является диполем, она электронейтральна и вследствие этого может в отличие от ионов диффундировать через липидную фазу мембраны. Долгое время путь воды через липидный бислой рассматривался как единственный. Однако наличие в мембранах пор, пропускающих молекулы воды, стали предполагать начиная уже с х гг. Позднее существование таких пор было доказано, и они получили название водных каналов. Одним из критериев участия водных каналов в транспорте воды является высокое отношение осмотического коэффициента водной проницаемости (Pj) к диффузионному коэффициенту водной проницаемости мембраны (Pd). Pj характеризует общую водную проницаемость мембраны, когда ток воды осуществляется как через водные каналы, таки через липидный бислой. Значение Распределяют при наложении на мембрану градиента водного потенциала (градиента осмотического или гидростатического давления. P
d характеризует проницаемость мембраны, связанную только с диффузией, тес движением молекул воды, которое происходит даже в отсутствие градиента водного потенциала. Соответственно, его определяют в условиях, когда A*F на мембране равен нулю. Значения Pfi\P
d приблизительно равны, если транспорт воды осуществляется только через липидный бислой, что, в частности, наблюдается на искусственных липидных бислоях, а также на биологических мембранах, в которых водные каналы отсутствуют или инактивированы. Показано, что для ПМ клеток многих растений Pf намного превосходит P
d
. Это свидетельствует об участии водных каналов в транспорте воды через эту мембрану. В отличие от диффузионной водопроницаемости осмотическая водопроницаемость оказалась чувствительной к соединениям ртути. Последняя ковалентно связывает сульфгидрильные группы. Ингибирование транспорта воды соединениями ртути в условиях наложенного на мембрану A*F позволило предположить, что водные каналы образованы белками, содержащими остатки цистеина. Чувствительность транспорта воды к ртутьсодержащим соединениям используется в качестве другого критерия участия в нем водных каналов. Еще одним критерием вовлечения водных каналов в транспорт воды является его низкая энергия активации (Е
а
< 21 кДж/моль). В отличие от движения воды через каналы диффузия воды через липидный бислой характеризуется намного более высокими значениями энергии активации (Е
а
= 58 — 70 кДж/моль). На основании вышеприведенных критериев исследователи пришли к выводу, что водные каналы отвечают за основной поток воды через мембраны.

46 Использование молекулярно-биологических подходов в исследованиях позволило идентифицировать белки водных каналов
— аквапорины. Первым идентифицированным белком с выраженной воднотранспортной активностью был белок мембраны эритроцитов CHIP28 (channel-forming integral protein), переименованный затем в AQP1. На основании гомологии с AQP1 позже были идентифицированы аквапорины у представителей различных систематических групп, в частности у бактерий, грибов, растений и животных. В растительных клетках аквапорины обнаружены в плазматической мембране и тонопласте. Аквапорины ПМ входят в семейство интегральных белков PIP (plasma membrane intrinsic protein), аквапорины то но пласта — в семейство интегральных белков TIP (tonoplast intrinsic protein). Для многих идентифицированных на основании гомологии с AQP1 растительных белков была продемонстрирована воднотранспортная активность. С этой целью кДНК идентифицированных белков (предполагаемых аквапоринов) были транскрибированы in Полученная РНК была введена в ооциты африканской травяной лягушки Xenopus laevis. Через некоторое время, необходимое для синтеза белка и встраивания его в плазматическую мембрану, ооциты переносили на гипотонический раствори регистрировали скорость их набухания (скорость входа воды. Набухание происходило значительно быстрее у ооцитов, ПМ которых содержала продукт внедренной РНК, свидетельствуя, что исследуемый белок является аквапорином. Такого рода доказательство наличия воднотранспортной активности было получено для гомологов AQP1 ПМ и тонопласта из арабидопсиса (Arabidopsis thaliand)