Показатели эффективности дыхания

Как было сказано, восстановленные при распаде дыхательного субстрата коферменты включаются в ЭТЦ, окисляются, что приводит к синтезу АТФ. При окислении НАДН, НАДФН синтезируется 3, а при окислении ФАДН₂ – 2 молекулы АТФ. Следовательно, при окислении молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ: в результате гликолиза образуется 10 молекул (2 расходуются на первоначальное активирование глюкозы) при окислительном карбоксилировании пирувата – 6, в цикле Кребса – 24.

Если принять, что для образования макроэргической фосфатной связи каждой молекулы АТФ при ее синтезе из АДФ и неорганического фосфата необходимо затратить 7,3 ккал/моль, тогда организм запасает 7,3 · 38 АТФ = 277. Известно, что при полном окислении 1 грамм-молекулы глюкозы выделяется 686 ккал. Таким образом, растение запасает в макроэргических связях АТФ до 277/686 ≈ 40 % энергии. Остальная энергия рассеивается в виде тепла. Из этого общего количества запасенной энергии наибольшее (26 %) приходится на долю цикла Кребса, 9 % – на гликолиз.

Приведенный расчет подчеркивает малую эффективность гликолиза как источника АТФ. Энергетическая эффективность гликолиза мала, так как его конечный продукт ПВК является восстановленным веществом, т. е. в нем еще остается большой запас энергии.

Почему в таком случае гликолиз, возникший на первых этапах эволюции сохраняется у высших растений? Это связано, во-первых, с тем, что он может действовать в качестве «аварийного» механизма в условиях временного анаэробиоза как поставщик АТФ и НАДН для клеточных биосинтезов. Во-вторых, он является источником метаболитов для синтеза веществ, о чем мы уже говорили.

В пентозофосфатном окислительном цикле восстанавливается 12 молекул НАДФ⁺; в результате их окисления синтезируется 12 · 3 = 36 молекул АТФ. Если в начале цикла была потрачена 1 молекула АТФ на фосфорилирование глюкозы, то общий выход составляет 35 молекул АТФ.

При работе ЭТЦ в результате поглощения одного атома кислорода могут синтезироваться 3 молекулы АТФ. Однако в реальной обстановке количество синтезируемых молекул АТФ может быть меньшим. Последнее определяется степенью сопряжения окисления и фосфорилирования. Любые воздействия, увеличивающие проницаемость мембран для протонов или нарушающих размещение компонентов электрон-транспортной цепи, приводят к уменьшению или прекращению синтеза АТФ. В качестве показателя, характеризующего количество образованных молекул АТФ и степень сопряжения аэробного дыхания и фосфорилирования, используется соотношение Ф/О, (Ф – количество молей неорганического фосфата, которое пошло на фосфорилирование АДФ, О – количество поглощенного кислорода).

При поглощении одного атома кислорода и переносе электронов от НАДН или НАДФН на кислород с образованием воды максимально могут синтезироваться 3 молекулы АТФ, поэтому Ф/О = 3.

Когда электроны транспортируются от ФАДН₂, то Ф/О = 2. Таким образом, величина Ф/О зависит от природы окисляемого вещества. При окислении α-кетоглутората, кроме фосфорилирования в дыхательной цепи при окислении НАДН, происходит субстратное фосфорилирование и образуется еще одна молекула АТФ, поэтому Ф/О = 4.

Зная, сколько синтезировалось молекул АТФ, можно подсчитать количество энергии (см. выше), запасенной в макроэргических связях. Чем больше энергии запасается в клетке, тем лучше будет она работать, поэтому показатель Ф/О называют физиологическим показателем эффективности дыхания. Выше мы подсчитали, что при сопряжении окисления и фосфорилирования в макроэргических связях запасается 40 % энергии, которая освобождается при разрушении глюкозы в процессе гликолиза и цикле Кребса, таким образом, 60 % этой энергии выделяется в виде тепла. Когда сопряжение транспорта электронов и фосфорилирования нарушается, то еще больше энергии рассеивается в виде тепла.

Соотношение Ф/О меньше 3, в большинстве случаев, указывает на нарушение сопряжения транспорта электронов с фосфорилированием. Это нарушение может быть вызвано разными причинами, например температурой. Увеличение температуры до 45 ^оС практически не влияет на соотношение Ф/О, но при 46–47 ^оС величина Ф/О быстро падает до нуля, т. е. происходит разъединение окисления и фосфорилирования. При этих температурах разрушаются кристы митохондрий, что и является причиной разобщения и резкого снижения величины Ф/О.

В состоянии разобщения происходит распад дыхательного субстрата, клетка выделяет СО₂, поглощает кислород, образуется вода, идет транспорт электронов, но не синтезируется АТФ. В результате вся энергия рассеивается в виде тепла. Может нарушаться и транспорт электронов по дыхательной цепи.

Величина Ф/О снижается как при обезвоживании, так и при набухании митохондрий. Вообще, при любых воздействиях, нарушающих внутреннюю мембрану митохондрий, размещение дыхательной цепи или расстояния между ними, показатель Ф/О уменьшается, так как нарушается сопряжение окисления и фосфорилирования.

В молодых тканях сопряжение этих процессов лучше, чем в старых. Вещества, увеличивающие проницаемость мембраны для протонов (например, динитрофенол), получили название дыхательных ядов. При их воздействии на клетку протоны, попавшие на наружную сторону внутренней мембраны митохондрий в результате функционирования ЭТЦ, возвращаются в матрикс органеллы, поэтому электрохимического потенциала на мембране не возникает, и АТФ не синтезируется. Происходит разъединение окисления и фосфорилирования, и величина Ф/О снижается до нуля. Величина показателя Ф/О увеличивается под воздействием стимуляторов роста, например под воздействиемИУК.

Какая же удельная доля дыхания в энергетическом обмене веществ в незеленой клетке? Все процессы обмена, при которых освобождается энергия, делят на три основные фазы. На первой фазе большие молекулы органических веществ разрушаются на более мелкие: сложные углеводы преобразуются в гексозы и пентозы, белки – в аминокислоты, жиры в глицерин и жирные кислоты. На этой фазе выделяется менее 1 % запаса энергии этих веществ.

На второй фазе сравнительно небольшие молекулы гексоз, аминокислот, глицерина и жирных кислот окисляются. Кроме воды и СО₂, образуется ацетил-СоА, α-кетоглуторат и оксалоацетат (ЩУК). Ацетил-СоА образуется через пируват из гексоз и глицерина, а также из некоторых амино- и жирных кислот. Часть аминокислот преобразуется в кетоглуторат или ЩУК. Во время второй фазы освобождается от 15 до 30 % энергии, заключенной в этих веществах.

Ацетил СоА, оксалоацетат и кетоглуторат полностью окисляются во время третьей фазы разрушения веществ через цикл Кребса до СО₂ и воды. Цикл Кребса представляет собой окончательный путь окисления всех органических веществ. Во время третьей фазы освобождается 70–80 % энергии.

В зеленых же клетках источником АТФ служит и фотосинтез.

Дыхание, как физиологический процесс, кроме показателя Ф/О, может характеризоваться интенсивностью дыхания и величиной дыхательного коэффициента. Если учитывать количество кислорода, поглощенного за 1 час граммом сухой (или сырой) массы растительного материала, то получим интенсивность (скорость) дыхания. Ее можно измерить и количеством СО₂, который выделяется за 1 час одним граммом растительной массы.

При исследовании процесса дыхания, можно одновременно учитывать количество выделяющего СО₂ и поглощенного О₂; в этом случае получаем дыхательный коэффициент (ДК).

ДК = СО₂/О₂

Таким образом, дыхательный коэффициент – это соотношение количества выделенного СО₂ к количеству поглощенного кислорода.

Выявить и особенно измерить интенсивность дыхания зеленых частей растения на свету нелегко, так как одновременно идет и фотосинтез, в газообмене которого участвуют те же газы. По изменению газовой среды, в которой находятся листья, можно выявить тот из двух процессов, который в данный момент происходит с наибольшей интенсивностью. Днем, как правило, количество поглощенного СО₂ для фотосинтеза больше, чем выделяется при дыхании. Дыхание на свету складывается из фотодыхания и митохондриального дыхания. Когда скорость фотосинтеза снижается, то может наступить момент, когда фотосинтез будет компенсировать одновременно идущее дыхание, и мы не сможем выявить газообмен. При дальнейшем снижении фотосинтеза дыхание начинает превалировать, а в темноте происходит только выделение СО₂, который образуется при дыхании.

Интенсивность дыхания варьирует в очень широких пределах, от 0,02 до 715 мг СО₂/г сухого вещества в час. С разной интенсивностью дышат представители разных систематических групп. Теневыносливые растения дышат менее интенсивно, чем светолюбивые. Интенсивность дыхания зависит также от особенностей органов и их физиологического состояния. Корни дышат слабее листьев, а интенсивность дыхания цветов, наоборот, в 3–4 раза выше по сравнению с листьями.

Если интенсивность – количественная мера дыхания, то дыхательный коэффициент – еще и качественный показатель, так как в первую очередь, он зависит от химической природы окисляемого вещества. Если дыхательным субстратом служат углеводы, тогда ДК = 1, что хорошо видно из суммарного уравнения:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О

Дыхательный коэффициент будет больше 1 при дыхании за счет органических соединений, в которых отношение кислорода к углероду больше, чем у углеводов. Так при окислении ЩУК:

2Н₂С₂О₄ + О₂ → 4СО₂ + 2Н₂О ДК = 4

Когда при дыхании используются вещества, которые более богаты водородом, чем углеводы, например жиры, белки, тогда дыхательный коэффициент будет меньше 1, так как на окисление «лишнего» водорода нужно больше кислорода. Например, при окислении стеариновой кислоты:

С₁₈Н₃₂О₆ + 26О₂ → 18СО₂ + 18Н₂О

ДК = 18 : 26 = 0,69

Это теоретические расчеты. Однако в жизни такой строгой зависимости величины дыхательного коэффициента от природы дыхательного субстрата нет, так как на величину ДК влияют разные факторы.

Если окисление субстрата идет не до конца, а запасаются органические кислоты, тогда величина ДК уменьшается. Любой фактор, который повреждает мембраны, приводит к увеличению ДК.

Важным фактором, определяющим интенсивность дыхания клетки, является концентрация АДФ. Зависимость скорости потребления кислорода от концентрации АДФ называют дыхательным контролем или акцепторным контролем дыхания. Содержание Ф_н в клетках обычно является лимитирующим фактором.

Соотношение концентраций различных адениновых нуклеотидов в клетке:

называют энергетическим зарядом.

В последние годы дыхание начали делить на дыхание, которое обеспечивает рост, и дыхание, которое поддерживает жизнедеятельность.