Дыхание. Схематичное изображение цикла Кребса

Дыхание — одна из важнейших жизненных функций большинства организмов (в т. ч. всех растений).

Главным проявлением дыхания является поглощение организмом кислорода и выделение углекислого газа, т. е. газообмен. А основная функция дыхания — выработка энергии за счет окислительных реакций, в результате которых происходит отнятие электронов от атомов или ионов. К числу важнейших окислителей относится кислород.

У растений газообмен происходит через устьица на листьях и стеблях, а также через чечевички и трещины в коре. Внутри тканей кислород следует по межклетникам, потом растворяется в воде, пропитывающей клеточные стенки, и проникает в клетки. Хотя потребность в кислороде у растений меньше, чем у животных (потому им и не требуются такие сложные органы дыхания, как легкие или жабры), все же и они могут испытывать кислородное голодание.

Это случается, если растение крупное по размеру и массивное. Некоторые высшие водные растения (например, кувшинки и кубышки) имеют воздушные полости в подводных частях. Интенсивность дыхания различна в разных органах растений — больше в молодых, активно растущих тканях, особенно в цветках и листьях, меньше — в стеблях и корнях.

Итак, кислород проник в клетку, вернее, в особые клеточные структуры, митохондрии. Здесь-то и начинаются сложные процессы клеточного дыхания: окисление кислородом углеводов (жиры и белки играют у растений гораздо меньшую роль в дыхании) до углекислого газа. В результате выделяется химическая энергия, которую клетка запасает в особом веществе — аденозинтрифосфорной кислоте, или АТФ.

АТФ образуется не только в митохондриях, но и в цитоплазме клетки в результате гликолиза — расщепления глюкозы под действием различных ферментов без участия кислорода. При гликолизе одна молекула глюкозы дает возможность синтезировать две молекулы АТФ. Продукты расщепления глюкозы могут затем вступать в реакцию брожения, превращаясь в этиловый спирт или молочную кислоту. Некоторым анаэробным, т. е. живущим исключительно в бескислородной среде, бактериям хватает энергии, образующейся в результате гликолиза и брожения. Но этот запас необходимо дополнять.

Рис. Схематичное изображение цикла Кребса

Рис. Дыхательная цепь и цикл Кребса

Продукты расщепления глюкозы попадают в митохондрию. Там от них сначала отщепляется молекула углекислого газа, который выводится из организма при выдохе. «Дожигание» происходит в т. н. цикле Кребса (по имени описавшего его английского биохимика) — цепи последовательных реакций. Каждый из участвующих в ней ферментов вступает в соединения, а после нескольких превращений вновь освобождается в первоначальном виде. В результате синтезируются дополнительные молекулы АТФ, отщепляются дополнительные молекулы углекислого газа и атомы водорода.

Главный по эффективности процесс синтеза АТФ происходит при участии кислорода в многоступенчатой дыхательной цепи. В 1961 г. английский биохимик Питер Митчел предположил, что вещества в дыхательной цепи «выстроены» в строгом порядке не только по очередности вступления в реакции, но и в пространстве клетки. Дыхательная цепь, не меняя своего порядка, закрепляется во внутренней оболочке (мембране) митохондрии.

Кислород способен окислять многие органические соединения и при этом выделять много энергии сразу. Но быстрый процесс для организма был бы губителен. Роль дыхательной цепи и всего аэробного, т. е. связанного с кислородом, дыхания состоит именно в том, чтобы организм обеспечивался энергией непрерывно и небольшими порциями в той мере, в какой это организму нужно. Дыхательная цепь в совокупности с циклом Кребса позволяет получить дополнительно 36 молекул АТФ с каждой окисляемой молекулы глюкозы.