- •Физиология растений.
- •История развития физиологии растений и ее методы
- •Задачи физиологии растений
- •Место физиологии растений среди других наук
- •Современные направления исследований по физиологии растений
- •2.Биохимический этап. Цикл Кальвина. (слайд 21)
- •3.Разновидности биохимического этапа.
- •Обратный цикл Кребса
- •4. Значение фотосинтеза
- •5.Влияние внешних условий на процесс фотосинтеза.
- •Дыхание
- •Водный режим. Минеральное питание
- •Движения растений
- •Задание: Студентам необходимо знать примеры разных видов движения растений
- •Гетеротрофный способ питания у растений
- •Задание: Студентам необходимо знать примеры растений с гетеротрофным способом питания
- •Рост растений
- •Развитие растений
Дыхание
Определение процесса. Дыхание — один из центральных процессов обмена веществ растительного организма.
Долгое время считалось, что растения не дышат. Однако Никола́ Теодо́р де Соссю́р (1804) своими опытами доказал существование дыхания у растений, при котором поглощается кислород и выделяется углекислый газ и вода.
Современные представления о дыхании позволяют дать следующее определение этого процесса – это физиологический процесс постепенного окисления органических веществ с выделением энергии, которая запасается в молекулах АТФ, являются, в свою очередь, донорами энергии для выполнения любой работы в клетки.
Вместе с тем значение дыхания не ограничивается тем, что это процесс, поставляющий энергию. Дыхание, подобно фотосинтезу, сложный окислительно-восстановительный процесс, идущий через ряд этапов. На его промежуточных стадиях образуются органические соединения, которые затем используются в различных метаболических реакциях.
Суммарное уравнение процесса дыхания:
C6H12O6+6O2 6C02+6H2O+2824 кДж
Дыхание это – это физиологический процесс постепенного окисления органических веществ с выделением энергии, которая запасается в молекулах АТФ, являющихся донорами энергии для выполнения любой работы в клетке.
Дыхательные субстраты. Дыхательный коэффициент. Органические вещества, разрушающиеся в процессе дыхания, называют дыхательным субстратом. Главным дыхательным субстратом являются углеводы. Окисление дыхательного субстрата – сложный процесс, состоящий из большого числа химических реакций. Дыхательный коэффициент – это объемное или молярное отношение СО2, выделившегося в процессе дыхания, к поглощенному за это же время О2. При нормальном доступе кислорода величина коэффициента зависит от субстрата дыхания. Если используются углеводы, то коэффициент равен 1. Если разложению подвергаются более окисленные соединения, например, органические кислоты, то поглощение кислорода уменьшается и коэффициент становится больше 1. Так, при использовании яблочной кислоты он равен 1,33. При окислении более восстановленных соединений (жиры, белки) требуется больше кислорода и коэффициент становится меньше 1. Например, при использовании жиров коэффициент равен 0,7.
При недостатке углеводов используются другие субстраты. Особенно это проявляется при прорастании семян, в которых запасными питательными веществами являются белки и жиры. Белки предварительно расщепляются до аминокислот. Затем аминокислоты окисляются до ацетилкоэнзима А и кетокислот, которые участвуют в цикле Кребса. Жиры гидролизуются липазой до глицерина и жирных кислот. Глицерин фосфорилируется и затем окисляется до 3-фосфоглицеринового альдегида, который включается в обмен углеводов. Жирные кислоты окисляются с образованием ацетилкоэнзима А.
Основные ферменты
Оксиредуктазы
Окисление дыхательных субстратов в ходе дыхания осуществляется с участием ферментов. Они называются оксиредуктазами, так как окисление одного вещества (донора электронов и протонов) сопряжено с восстановлением другого вещества (акцептора). Различают следующие группы ферментов.
Анаэробные или пиридиновые дегидрогеназы. Это двухкомпонентные ферменты, коферментом которых является НАД или НАДФ. Они передают электроны различным акцепторам, но не кислороду и отнимают два протона от субстрата. Один протон присоединяется к коферменту, а другой выделяется в среду. В зависимости от белковой части различают более 150 ферментов.
Аэробные или флавиновые дегидрогеназы. Они катализируют отнятие двух протонов от субстратов и передают электроны от анаэробных дегидрогеназ разным акцепторам (хиноны, цитохромы), в том числе и кислороду. Простетической группой служат производные витамина В2 – флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид.
Оксидазы. Эти ферменты передают электроны от субстрата только на кислород. При этом образуются вода (переносятся на О2 4 электрона), перекись водорода (Н2О2) или супероксидный анион кислорода (О-2). Н2О2 и О-2 весьма токсичны и поэтому быстро превращаются в воду и кислород под действием каталазы и супероксиддисмутазы, соответственно.
Оксигеназы. Они активируют кислород и катализируют его присоединение к различным органическим соединениям (аминокислоты, фенолы, ненасыщенные жирные кислоты, ксенобиотики – чужеродные токсичные вещества).
Общая характеристика процесса дыхания
Существуют две основные системы и два основных пути превращения дыхательного субстрата, или окисления углеводов: 1) гликолиз + цикл Кребса (гликолитический); 2) пентозофосфатный (апотомический).
Гликолиз – это процесс постепенного превращения сахара – глюкозы в пируват (см схема) в результате которого клетка обогащается энергией. Реакции гликолиза идут в цитозоле и в хлоропластах. Процесс состоит из 10 реакций в аэробных условиях, в анаэробных – дополнительные реакции брожения. В зависимости от конечного продукта различают разные типы брожения: спиртовое и молочнокислое. В присутствии кислорода может происходить уксуснокислое брожение. Аэробная фаза дыхания локализована в митохондриях в основном пути пируват окисляется и декарбоксилируется при участии пируватдегидрогеназного комплекса с образованием ацетил-КоА, который вступает в цикл Кребса см схема. Цикл Кребса происходит в матриксе митохондрий и состоит из одинаковых реакций у животных и у растений.
При окислении одной молекулы пировиноградной кислоты образуется 3 молекулы НАДН, 1 молекула НАДФН и 1 молекула ФАДН2, при окислении которых в дыхательной электронтранспортной цепи синтезируется 14 молекул АТФ. Кроме того, 1 молекула АТФ образуется в результате субстратного фосфорилирования.
Функции цикла Кребса: восстановление коферментов НАД и ФАД, при последующем окислении которых образуются молекулы АТФ, кроме того они служат донорами Н для восстановительных реакций, промежуточные вещества могут использоваться для синтеза белков, жиров и углеводов. Например, кетоглутарат может превращаться в глутамат, а фумарат или оксалоацетат в аспартат. Сукцинат является предшественником аминолевулиновой кислоты, используемой для синтеза хлорофилла.
Другой путь дыхания – пентозофосфатный путь см схема - апотомический путь. Физиологическое значение: снабжает клетки НАДФН, являющимся донором водорода для синтеза жирных кислот, восстановительного аминирования, пентозы используются для синтеза АТФ, АДФ, АМФ, нуклеиновых кислот, пиридиновых ферментов, веществ клеточной стенки и других соединений, эритрозо-4-фосфат участвует в образовании шикимовой кислоты, необходимой для синтеза горомнов.
Если дыхательным субстратом являются жиры или белки, то они сначала гидролизуются, образовавшиеся при гидролизе аминокислоты дезаминируются и могут войти в цикл трикарбоновых кислот. Жиры в результате гидролиза превращаются в глицерин и жирные кислоты, которые из цитозоля поступают в митохондрии, где при их -окислении образуется ацетил-КоА, который может вступить в цикл трикарбоновых кислот.
В семенах масличных растений ацетил-КоА может включиться в другой цикл, названный глиоксилатным. Глиоксилатный цикл осуществляется в глиоксисомах – специальных органеллах с одинарной мембраной. Первые реакции до образования изоцитрата такие же как и в цикле Кребса. Затем ход меняется изоцитрат под действием фермента изоцитратлиазы расщепляется на сукцинат и глиоксилат. Сукцинат выходит из цикла, а глиоксилат соединяется со второй молекулой ацетил-КоА и образуется малат, фермент малатсинтаза. Малат окисляется до оксалоацетата и цикл заканчивается. Этот цикл обычно идет при прорастании богатых жиром семян. Какое значение имеет этот цикл: с помощью него жиры превращаются в углеводы – сукцинат выходит из глиоксисомы и поступает в митохондрии, где включается в цикл Кребса. Кроме того, глиоксилат используется для синтеза порфиринов и хлорофилла, а восстановленный НАД может окисляться с образованием трех молекул АТФ.
Окислительное фосфорилирование и ЭТЦ. АТФ синтезируется в результате окислительного фосфорилирования в ходе работы дыхательной цепи, в которой переносчики расположены в порядке возрастания окислительно-восстановительных потенциалов:
НАДН-ФМН-убихинон-цитб-цитс1-цитс-цитаа3 - кислород
ФАД
Каждый компонент должен располагаться в цепи так, чтобы он мог принять электрон и передать следующему. Переносчики, за исключением убихинона и цитохрома с, образуют во внутренней мембране 4 комплекса. Комплекс 1 – НАДН-дегидрогеназный комплекс, самый большой, содержит более 22 полипептидных цепей, а также флавинмононуклеотид и 5 железосерных центров. Переносит электроны от НАДН через ФМН и железосерные белки на убихинон. Одновременно этот комплекс переносит и протоны. Комплекс 2 содержит ФАД-зависимую сукцинат- убихинон-оксидоредуктазу и три железосерных белка. Этот комплекс катализирует окисление сукцината.
Убихинон или кофермент Q – самый простой переносчик электронов, он может принять или отдать как один так и два электрона и временно захватить из окружающей водной среды протон при переносе каждого электрона, когда он отдает электрон другому переносчику, протон освобождается. Убихинон передает электроны от первого и вторго комплексов третьему. Комплекс 3 б-с1 состоит из 8 разных полипептидных цепей и является димером. В его состав входят цитохромы б с1 и железосерный белок. Этот комплекс переносит электроны от восстановленного убихинона к цитс.
Цитохром с – небольшой водорастворимый белок, располагающийся на обращенной к межмембранному пространству стороне внутренней мембраны митохондрии между комплексами 3 и 4. цитохром с переносит электроны на комплекс 4. комплекс 4 – димер состоящий из 8 полипептидных цепей. Каждый мономер содержит 2 цитохрома а и а3 и 2 атома меди. Этот комплекс получает электроны от цитохрома с и передает их кислороду воздуха. Транспорт электронов через данный комплекс сопряжен с транспортом протонов через внутреннюю мембрану митохондрии в межмембранное пространство. Этот процесс ингибируется цианидом, азидом и СО.
Движение электрона начинается с НАДН как и у животных и такой транспорт электронов – главный, получил название цитохромного. Кроме того, в растениях существует еще другой путь переноса электронов – альтернативный, когда электроны от убихинона передаются на кислород воздуха с помощью альтернативной оксидазы, цитохромы не участвуют.
Образование АТФ описывает теория Митчелла. При окислении одной молекулы НАДН образуется 3 АТФ, при окислении ФАДН – 2.
Так при полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 АТФ – аэробное дихотомическое окисление.
При ПФП окислительном цикле восстанавливаются 12 молекул НАДФ, в результате их окисления в дыхательной цепи может синтезироваться 36 АТФ.
Коэффициент фосфорилирования. В качестве показателя, характеризующего количество образовавшихся молекул АТФ, а следовательно и степень сопряжения окисления и фосфорилирования используют отношение Р/О, где Р- число молей неорганического фосфата, использованного для фосфорилирования АДФ, О- количество поглощенного кислорода. Величина Р/О увеличивается под влиянием гормонов, например ауксина. В молодых тканях окисление и фосфорилирование сопряжены лучше, чем в старых. Существуют вещества, разобщающие транспорт электронов и образование АТФ, они называются разобщающими агентами или дыхательными ядами. Это липофильные низкомолекулярные вещества, например динитрофенол. Они работают как переносчики протонов, в их присутствии протоны, попавшие в результате работы дыхательной цепи в межмембранное пространство митохондрии, возвращаются в матрикс органеллы, т.е. разобщающие агенты открывают для протонов дополнительный путь через внутреннюю мембрану, минуя АТФазу. Поэтому электрохимический потенциал на мембране не возникает, АТФ не синтезируется, Р/О равен 0.
Зависимость дыхания от внешних и внутренних условий
Дыхание характеризуется интенсивностью – измеряется количеством кислорода поглощенного за один час одним граммом сухого или сырого растительного материала, а также количеством углекислого газа, выделенным за час одним граммом растительной массы.
Дыхательный коэффициент – отношение количества выделенного углекислого газа к количеству поглощенного кислорода.
Внутренние факторы, влияющие на интенсивность дыхания: снабжение клеток кислородом, местоположение ткани, возраст растения, принадлежность к экологической группе растений – теневыносливые дышат менее интенсивно, чем светолюбивые.
Различные виды и экологические формы растений дышат с разной интенсивностью. Как уже упоминалось, светолюбивые растения характеризуются более высокой интенсивностью дыхания по сравнению с теневыносливыми. Растения северных широт по сравнению с растениями, произрастающими на юге, дышат более интенсивно, особенно при пониженной температуре.
Интенсивность дыхания зависит от возраста. Как правило, более молодые растущие органы и ткани дышат более интенсивно. Интенсивность дыхания проростков обычно резко возрастает в течение периода их наибольшего роста (первые 4—5 суток после начала прорастания), а затем начинает падать. По-видимому, это связано с образованием закончивших рост тканей. Определенным закономерным образом изменяется интенсивность дыхания листьев. После появления листа в первые дни его роста интенсивность дыхания возрастает, а затем резко падает, а в период пожелтения часто вновь немного повышается. Такое же явление наблюдается у плодов перед их созреванием (климактерический период). Перед отмиранием организма или органа обычно наступает кратковременное усиление процесса дыхания. Это связано, по-видимому, с какими-то необратимыми процессами дегенерации тканей, при которых сложные соединения распадаются на более простые, что увеличивает количество субстратов дыхания. В этот период дыхание не сопровождается фосфорилированием. Коэффициент Р/О резко падает. По-видимому, разрушается упорядоченное расположение окислительных и фосфорилирующих систем.
Изменение возраста всего растительного организма также сказывается на интенсивности дыхания. Наивысшей интенсивностью дыхания обладают растения перед началом цветения. Низкой интенсивностью дыхания отличаются органы растения, закончившие рост или находящиеся в состоянии покоя. Очень низкое дыхание характерно для сухих семян, завершивших рост плодов, тканей, в которых имеется большой процент мертвых клеток. Низкая интенсивность дыхания у покровных тканей. Высокой интенсивностью дыхания характеризуются цветки (особенно тычинки и пестики), клетки флоэмы и камбия. Как уже упоминалось, различные органы и ткани растения сильно различаются по условиям снабжения их кислородом. В листе кислород свободно поступает практически к каждой клетке. Сочные плоды, корнеплоды, клубни вентилируются очень плохо; они слабо проницаемы для газов, не только для кислорода, но и для углекислого газа. Естественно, в этих органах процесс дыхания сдвигается в анаэробную сторону, дыхательный коэффициент возрастает. Возрастание дыхательного коэффициента и сдвиг процесса дыхания в анаэробную сторону наблюдаются в меристематических тканях. Таким образом, разные органы характеризуются не только различной интенсивностью, но и неодинаковым качеством дыхательного процесса.
Внешние факторы: влажность, газовый состав среды, температура, свет, химические и механические раздражители
Температура.
Дыхание у ряда растений осуществляется и при температуре ниже 0°С. Так, у хвои ели процесс дыхания идет даже при температуре —25°С. Как всякая ферментативная реакция с повышением температуры интенсивность дыхания возрастает. Однако это происходит до определенного предела, выше которого начинается инактивация ферментов и интенсивность дыхания снижается. При этом надо учитывать длительность выдерживания растения при данной температуре. При кратковременной экспозиции интенсивность дыхания возрастает при повышении температуры до 35°С и даже 40°С. При длительном выдерживании в такой температуре интенсивность дыхания уменьшается. Для суждения о влиянии температуры на какой-либо процесс обычно используют такой показатель как температурный коэффициент. Температурный коэффициент (Q10) процесса дыхания зависит от типа растений и от градаций температуры. Так, при повышении температуры от 5 до 15°С Q10 может возрастать до 3, тогда как повышение температуры от 30 до 40°С увеличивает интенсивность дыхания менее значительно (Q10 около 1,5). Это может быть связано с тем, что повышение температуры в большей степени ускоряет ферментативные процессы по сравнению с поступлением кислорода в клетки. В силу этого возникает недостаток кислорода, что и лимитирует процесс. В процессе эволюции растения приспосабливаются к определенным температурным условиям. На характер реагирования сказывается происхождение растений, географический ареал их распространения. Большое значение имеет фаза развития растений. По данным Б.А. Рубина, на каждой фазе развития растений для процесса дыхания наиболее благоприятны те температуры, на фоне которых обычно происходит эта фаза. Изменение оптимальных температур при дыхании растений в зависимости от фазы их развития связано с тем, что в процессе онтогенеза меняются пути дыхательного обмена. Между тем для разных ферментных систем наиболее благоприятными являются различные температуры. Так, температурный минимум работы цитохромов лежит выше по сравнению с флавиновыми дегидрогеназами. В этой связи интересно, что в более поздние фазы развития растений наблюдаются случаи, когда флавиновые дегидрогеназы выступают в роли конечных оксидаз, передавая водород непосредственно кислороду воздуха.
Снабжение кислородом.
Кислород необходим для протекания дыхания, поскольку является конечным акцептором электронов, движущихся по дыхательной цепи. Увеличение содержания кислорода до 5—8% сопровождается повышением интенсивности дыхания. Дальнейшее возрастание концентрации 02 обычно уже не сказывается на интенсивности дыхания. Однако из этого общего положения имеются исключения. Снабжение растительных тканей и клеток кислородом зависит не только от его содержания во внешней среде, но и от скорости его поступления. Между тем часто проникновение кислорода к тем или иным тканям затруднено. Это обстоятельство может проявляться на семенах и на плодах с плотной оболочкой. В этом случае увеличение концентрации кислорода в среде до 20% и более повышает интенсивность дыхания. Если семя гороха лишить оболочки, то интенсивность дыхания возрастает с повышением содержания кислорода в среде примерно до 5—10%. Однако дыхание неповрежденных семян возрастает при увеличении содержания кислорода до 20% и более. Большое значение в снабжении кислородом отдельных органов и тканей имеет система межклетников, способствующая циркуляции воздуха. Воздух, проникая через устьица листа, достигает по межклетному пространству других органов, что и позволяет им осуществлять аэробное дыхание. Доступ кислорода по межклетникам важен для корневых систем растений, произрастающих на плохо аэрируемых почвах. Известно, что приспособление корневых систем к росту в анаэробных условиях связано с развитием особенно большого объема межклетников. Вместе с тем нельзя забывать, что корни многих растений не имеют подобных приспособлений и для них очень важна хорошая аэрация почвы. В отсутствие кислорода дыхание уступает место брожению. При содержании кислорода ниже 5% брожение усиливается, и выделение углекислого газа начинает превышать поглощение кислорода. Это приводит к тому, что дыхательный коэффициент, как правило, становится больше единицы. При повышении содержания кислорода процесс брожения полностью ингибируется (эффект Пастера) и дыхательный коэффициент становится равным единице. Так, в опытах с плодами яблони было показано, что при снижении концентрации 02 выделение С02 начинает расти. Это увеличение выделения С02 по сравнению с поглощением 02 связано с усилением гликолиза и сопровождаемым брожением. Вместе с тем добавление 02 ингибирует гликолиз. Необходимо также отметить, что кислород оказывает стимулирующее влияние на процесс фотодыхания.
Содержание углекислого газа.
С02 является конечным продуктом как брожения, так и аэробного дыхания. При довольно высоких концентрациях С02, значительно превышающих те, которые обычно окружают растительный организм (выше 40%), процесс дыхания тормозится. Торможение вызывается несколькими причинами: 1) высокая концентрация С02 может оказывать общее анестезирующее влияние на растительный организм; 2) С02 тормозит активность ряда дыхательных ферментов; 3) повышение содержания С02 вызывает закрытие устьиц, что затрудняет доступ кислорода и косвенно тормозит процесс дыхания.
Содержание воды.
Небольшой водный дефицит растущих тканей увеличивает интенсивность дыхания. Это связано с тем, что водный дефицит и даже подвядание листьев усиливают процессы распада сложных углеводов (крахмала) на более простые (сахара). Увеличение содержания Сахаров (основного субстрата дыхания) усиливает сам процесс. Вместе с тем при водном дефиците нарушается сопряжение окисления и фосфорилирования. Дыхание в этих условиях представляет в основном бесполезную трату сухого вещества. При длительном завядании растение расходует сахара, и интенсивность дыхания падает. Иная закономерность характерна для органов, находящихся в состоянии покоя. Увеличение содержания воды в семенах с 12 до 18% уже увеличивает интенсивность дыхания в 4 раза. Дальнейшее повышение содержания воды до 33% приводит к увеличению интенсивности дыхания примерно в 100 раз. При перемещении растения или ткани из воды в раствор солей дыхание усиливается — это так называемое солевое дыхание.
Свет.
Вопрос о влиянии света на интенсивность дыхания изучался многими физиологами. Решение этого вопроса осложнено методическими трудностями, поскольку на свету трудно разграничить процессы фотосинтеза и дыхания, прямое и косвенное влияние света. В свою очередь, влияние фотосинтеза на дыхание может быть различным и даже противоположным. Так, в процессе фотосинтеза образуются основные субстраты дыхания — углеводы. Вместе с тем промежуточные продукты, образовавшиеся при дыхании, могут вовлекаться в фотосинтетический цикл. Установлено, что свет стимулирует процесс фотодыхания. Все же применение метода меченых атомов позволило, хотя и не полностью, отграничить процесс фотосинтеза от дыхания. В настоящее время полагают, что влияние света на процесс дыхания многообразно. Под влиянием света, особенно коротковолновых сине-фиолетовых лучей, интенсивность обычного темнового дыхания возрастает. Активация дыхания светом показана на бесхлорофилльных растениях. Возможно также, что свет активирует дыхательные ферменты (оксидазы).
Питательные соли.
Интенсивность дыхания сильно зависит от снабжения растения элементами минерального питания. Такие элементы, как фосфор, сера, железо, медь, марганец, принимают непосредственное участие в процессе дыхания, входя в промежуточные продукты (фосфор) или являясь составной частью дыхательных ферментов.
Поранение.
Поранение органов и тканей растения усиливает интенсивность дыхания. Это связано с разрушением клеток, из-за чего повышается соприкосновение дыхательных субстратов и ферментов. Частично поранение может вызывать переход клеток в меристематическую фазу роста. Интенсивность дыхания делящихся клеток всегда выше по сравнению с клетками, закончившими рост.
Лекция 5