Дыхание и обмен веществ в растительной клетке

Каждый механизм накопления энергии вносит определенный, но неравнозначный вклад в общий фонд образования АТФ в клет­ке. Разные пункты сопряженного фосфорилирования в ЭТЦ также неравноценны с точки зрения энергетической эффектив­ности. При величине Р : О = 3 около 2/3 всего количества АТФ, образуемого при аэробном дыхании, должно поставляться вторым и третьим фосфорилированием дыхательной цепи, т.е. переносом электронов, связанным с цитохромной системой. Из основных субстратов только янтарная кислота и ацетил-КоА окисляются, минуя НАД⁺ и первую точку фосфорилирования в ЭТЦ.

За счет субстратного фосфорилирования в цикле Кребса обра­зуются только две молекулы АТФ, за счет коферментного - 34. В ходе гликолитического фосфорилирования за вычетом затрат на запуск гликолиза образуются две молекулы АТФ, за счет коферментного - 34. Хотя вклад гликолиза как анаэробной фазы в общий фонд энергии клетки ниже, чем вклад аэробной фазы, гликолиз является одним из важных поставщиков энергии при дефиците кислорода в ткани. Кроме того, факторы, нарушающие фосфорилирование в митохондриях, не затрагивают гликолитической энергетической системы.

Роль гликоза в синтезе АТФ возрастает и тогда, когда энергия ЭТЦ дыхания используется не для фосфорилирования, а на эндэргонические функции митохондрий (активный транспорт ионов, конформационные изменения митохондрий и др.). Значе­ние гликолиза как поставщика энергии заключается еще в том, что биосинтетические процессы, локализованные в цитоплазме, легче используют АТФ, образующуюся в гликолитическом фосфорилировании непосредственно в цитоплазме.

Таким образом, гликолиз, как и субстратное фосфорилирова­ние, не требует высокой степени структурной организации фосфорилирующих механизмов, которые необходимы сопряженному фосфорилированию в ЭТЦ. Поэтому они не нарушаются при повреждении структуры митохондрий. Кроме того, субстратное фосфорилирование нечувствительно к факторам, угнетающим коферментное фосфорилирование, например, при разрушении митохондрий. Вышесказанное позволяет считать гликолиз и субстратное фосфорилирование более надежными ис­точниками энергии в клетке, особенно в неблагоприятных усло­виях выращивания. Однако для оптимального функционирова­ния клетки важны все механизмы образования макроэргов, поскольку растительные организмы произрастают в изменяющихся условиях среды. Например, существенные изменения в соотно­шении между отдельными путями дыхания наступают у растений под влиянием фотопериодического воздействия. Так, длинный день активирует аэробные превращения дыхательного субстрата, а короткий день - гликолитические процессы и пентозофосфатный цикл. В период роста листа растяжением скорость гликолиза и цитохромного пути снижается, а скорость альтернативного пути остается постоянной.

Роль дыхания в биосинтетических процессах.Тесная связь дыхания с биосинтетическими функциями клет­ки не ограничивается использованием реализуемой в ходе окис­лительных процессов химической энергии дыхательного субстрата. Промежуточные продукты дыхания могут использоваться в процессах новообразования компонентов протоплазмы. Например, аминирование α-кетоглутаровой кислоты приводит к образованию глутаминовой кислоты.

К аминированию путем непосредственного присоединения аммиака способны также ПВК и ЩУК. Так, прямое аминирова­ние ПВК приводит к образованию аланина.

В процессах восстановительного биосинтеза используется почти исключительно НАДФ-Н, тогда как НАД-Н потребляется преимущественно для генерирования АТФ.

С окислительными превращениями трикарбоновых кислот в цикле Кребса тесно связаны процессы биосинтеза жиров. Кон­денсация двух молекул уксусной кислоты при участии КоА при­водит к образованию ацетоуксусной кислоты, при восстановле­нии которой получается масляная кислота.

Путем последовательного присоединения ацетильных радика­лов, активируемых КоА, и происходит наращивание углеродной цепи - синтез жирных кислот в организме.

В ходе гексозомонофосфатного дыхания образуются активные формы пентоз, участвующие в построении важнейших соедине­ний клетки. У гетеротрофных организмов гексозомонофосфатное Дыхание представляет единственный путь в образовании пентоз.

Таким образом, промежуточные продукты дыхания могут дать начало всем основным компонентам растительной клетки, и ды­хание в этом случае выполняет функции, которые по своему значению для синтетической функции клетки не уступают фото­синтезу. Далее эритрозо-4-фосфат, образующийся на одном из этапов пентозофосфатного цикла, образует в результате взаимодействия с ФЕП циклическое соединение - шикимовую кисло­ту. Последняя составляет материальную основу для синтеза всех ароматических аминокислот и в их числе триптофана, который, в свою очередь, является предшественником гетероауксина - основного ростактивирующего гормона растительной ткани.

Шикимовая кислота после ряда превращений может дать на­чало ароматическим аминокислотам - фенилаланину и тирози­ну, последующее дезаминирование которых приводит к образованию веществ вторичного происхождения - коричных кислот и кумаринов. С синтезом последних, в свою очередь, связано об­разование полифенолов. При декарбоксилировании аминокислот образуются амины, являющиеся предшественниками алкалоидов. Важная роль принадлежит дыханию в биосинтезе зеленых пиг­ментов листа, что свидетельствует о тесной связи фотосинтеза и дыхания.

Из изложенного видно, что окислительные превращения ды­хательного субстрата занимают важное место в процессах био­синтеза не только белков, жиров и углеводов, но и регуляторов процессов обмена - ферментов и коферментов, веществ вторич­ного происхождения и гормонов.

Связь дыхания и фотосинтеза. Взаимосвязь дыхания и фотосинтеза - одна из важных и вместе с тем сложных проблем физиологии растений. Хотя при фотосинтезе растение использует конечные продукты дыхания, а субстратами дыхания служат продукты фотосинтеза, эти два про­цесса в течение длительного периода рассматривали как диамет­рально противоположные. Действительно, при фотосинтезе про­исходит синтез органического вещества, при дыхании - его рас­пад, при фотосинтезе осуществляется восстановление, а при дыхании - окисление вещества. АТФ, образуемый в митохондриях, используется практически на все внутриклеточные процес­сы, а АТФ хлоропластов - главным образом на процессы асси­миляции СО₂. Кроме того, при дыхании укорочение углеродной цепи происходит в результате декарбоксилирования веществ, а при фотосинтезе - карбоксилирования.

Однако, несмотря на все различия, фотосинтез и дыхание тесно связаны. Например, если рассматривать на молекулярном уровне одинаковые начальные и конечные этапы цикла Кальви­на и пентозофосфатного пути, многие промежуточные продукты и каталитические системы тождественны. Промежуточные про­дукты обоих процессов широко используются в различных био­синтезах. Основными функциями как митохондрий, так и хлоро­пластов являются транспорт электронов и сопряженные с пере­носом электронов процессы связывания энергии в видеАТФ при фосфорилировании.

При фотосинтезе активирование электрона происходит за счет энергии кванта света, при дыхании - за счет энергии хими­ческих связей, сосредоточенной в молекуле дыхательного суб­страта. Однако свободная энергия любого органического соеди­нения генетически связана с фотосинтезом. Следовательно, как при фотосинтезе, так и при дыхании источник образования ак­тивного электрона - это электромагнитная энергия кванта света.

Много общего обнаруживают компоненты ЭТЦ митохондрий и хлоропластов. Последнее позволяет считать, что при формиро­вании каталитических систем аэробного дыхания, возникших в эволюционном отношении вслед за фотосинтезом, были широко использованы важнейшие компоненты ЭТЦ фотосинтеза.

Ультраструктура и химический состав органелл не только принципиально близки, но и во многих отношениях общие. Обе органеллы способны самостоятельно осуществлять синтез бел­ков. Это свидетельствует о большой автономности этих органелл и способности к самовоспроизведению, подтверждает идею об их происхождении от общего предшественника - пропластиды. Кроме того, практически все продукты процесса гликолиза, цикла Кребса и гексозомонофосфатного пути обычно обнаружи­ваются в группе соединений, относящихся к самым ранним про­дуктам фотосинтеза.

Все это свидетельствует о несостоятельности попыток проти­вопоставить дыхание фотосинтезу с общебиологической точки зрения. Как отмечал П.С. Беликов (1980), гликолиз - анаэроб­ное дыхание - филогенетически, вероятно, был первым постав­щиком энергии для клетки. Фотосинтез, появившийся в эволю­ции позднее, обогатил атмосферу кислородом, в результате чего стало возможным аэробное дыхание. Пентозофосфатный цикл, проходящий в условиях высокого содержания кислорода, мог возникнуть еще позднее.

Тесная связь между фотосинтезом и дыханием сохраняется также на уровне целого растения. С тех пор как П. Бойсен-Йенсен (1932) ввел понятие «нетто-ассимиляция», а А.Я. Кокин составил известное уравнение: «Прирост = фотосинтез - дыха­ние», последнее стало рассматриваться главным образом как рас­трата ассимилятов. В этот период считалось, что уменьшение дыхания приводит к повыше­нию продуктивности растения.

Концепция «медленное дыхание - высокая продуктивность» обязана своим происхождением обнаруженной среди зерновых культур отрицательной корреляции между интенсивностью дыха­ния корней и скоростью роста при дефиците влаги. Сорта с низкой ИД корней имели, как правило, более высокую продук­тивность при одинаковой ИФ. Однако позже было отмечено, что высокая активность дыхания может компенсироваться увеличе­нием фотосинтеза, а также ускорением роста и развития расте­ний. Подобная неоднозначная оценка роли дыхания подтвержда­ет высказывание В.А. Бриллиант о том, что вопрос о соотноше­нии фотосинтеза и дыхания в процессе создания урожая выходит далеко за рамки простого сопоставления функций синтеза и распада органических соединений растения.

Действительно, скорость как дыхания, так и фотосинтеза может служить показателем функциональной стойкости растений, и их измерение позволяет выявить причины изменений продуктивности в конкретных условиях среды. По мнению О.В. Заленского (1977), в ряде случаев по изменениям фото­синтеза и дыхания можно пред­сказать не только направление изменений продуктивности рас­тений, но и ее величину.

В конце 60-х годов для посе­вов многих сельскохозяйствен­ных культур (пшеница, рис, лю­церна, хлопчатник и др.) было установлено, что дыхание воз­растает не прямо пропорцио­нально увеличению листового индекса или сырой массы расте­ния, как считали ранее.

При оп­ределенной величине листового индекса кривая дыхания, как и фотосинтеза, выходит (или почти выходит) на плато. Скорость накопления биомассы также не имеет максимума и, следовательно, нет оптимального ИЛП. Эти данные привели ис­следователей к мысли о тесной связи фотосинтеза и дыхания посева, что количественно было впервые выражено голландским ученым Мак Кри в 1970 г.: R = aPq + bW, где R и Pq — соответственно скорость дыхания и суммарный фотосинтез единицы площади посева, г СО₂/(м² ·сут); W— сухая биомасса, г, выраженная в эквивален­тах СО₂; а и b - коэффициенты дыхания соответственно на рост и на поддержа­ние.

Таким образом, дыхание посева состоит из дыхания на рост (aPq) и дыхания на поддержание (bW).

Коэффициент дыхания на рост изменяется в небольших пре­делах (0,2-0,3), гораздо шире изменяется коэффициент дыхания на поддержание - 0,01-0,04, имеющий размерность скорости — г/(г·сут). Величины коэффициентов указывают на то, что в су­точном балансе углерода от 20 до 30 % гросс-фотосинтеза тра­тится на дыхание роста и 1-4 % уже накопленной биомассы - на дыхание поддержания. Дыхание на рост обеспечивает энер­гией синтез новой биомассы, т.е. превращение продуктов фото­синтеза, например глюкозы, в белки, жиры, липиды и углеводы.

Круг процессов, именуемых термином «поддержание», четко не очерчен. В целом они связаны с энергией, затрачиваемой на ресинтез ферментативных и структурных белков, липидов, РНК и ДНК, обновляющихся в ходе обмена веществ; поддержание в клетках необходимой концентрации ионов и величины рН; со­хранение внутриклеточного фонда метаболитов; физиологичес­кую адаптацию, обеспечивающую функционально активное со­стояние структур.

Количественное разделение дыхания на компоненты и оценка их величин с физиологических позиций позволяют выявить осо­бенности использования ассимилятов растениями в зависимости от условий произрастания. Это хорошо видно на следующей схеме:

Гросс-фотосинтез растения (Pq), суммированный в течение фотопериода, формирует определенное количество субстрата (ΔS), часть которого (ΔSm) используется для генерации энергии и углеродного скелета, необходимого для поддержания статус-кво клетки. Иными словами, ΔSm = bW. Остальная часть суб­страта (ΔSq) расходуется на процессы роста массы (ΔW) и связанное с последним дыхание, называемое дыханием роста (ΔS_R или aPq). Разделение на дыхание роста и дыхание поддер­жания только количественное, так как обе компоненты имеют одинаковую биохимическую основу. Принципиальная разница между ними в том, что дыхание роста не зависит от темпера­туры, но сильно зависит от обеспеченности дыхания субстра­том, в то время как дыхание поддержания сильно зависит от температуры, но не зависит непосредственно от поступления субстрата.