Меню

Энергетика дыхания растений понятие о физиологической эффективности дыхания

Энергетика дыхания растений понятие о физиологической эффективности дыхания

Дыхание — центральное звено метаболизма клетки. История развития представлений о дыхании. Параметры, характеризующие дыхание и методы их определения. Субстраты дыхания и дыхательный коэффициент. Основные функции дыхания: энергетическая, трофическая, терморегуляторная. Общие и специфические черты дыхания растений и животных.

Пути окисления органических веществ в клетке.

Ферментные системы дыхания.

Характеристика отдельных групп дыхательных ферментов: пиридинзависимые дегидрогеназы, флавинзависимые дегидрогеназы, оксидазы. Промежуточные переносчики электронов: хиноны, железосерные белки, цитохромы, их химическое строение и свойства.

Гликолиз.

Основные ферменты гидролиза сахарозы и крахмала. Ферментативные реакции гликолиза. Фосфорилирование на уровне субстрата. Энергетический баланс процесса. Гликолиз и глюконеогенез. Особенности гликолиза у растений. АТФ-зависимая фосфофруктокиназа и пирофосфатзависимая фосфофруктокиназа — регуляторные ферменты гликолиза.

Фруктозо-2,6 фосфат — регуляторная молекула углеводного обмена в растениях. Анаэробный метаболизм растений.

Окислительный пентозофосфатный цикл.

Ферментативные реакции цикла. Регуляция работы цикла и его роль в метаболизме растительной клетки. Взаимодействие с гликолизом через промежуточные общие метаболиты. Компартментация цикла в клетках растений.

Пируватдегидрогеназный комплекс.

Структура, регуляция, локализация в клетках растений.

Цикл трикарбоновых кислот.

Цикл трикарбоновых кислот в митохондриях растений. Основные метаболиты и ферментативные реакции цикла. Принципы регуляции. Роль маликэнзима в регуляции работы цикла. Энергетическая эффективность процесса. Анаплеротические реакции.

Глиоксилатный цикл.

Глиоксисомы и глиоксилатный цикл. Основные метаболиты и ферменты цикла, его физиологическое значение.

Энергетика дыхания.

Строение митохондрий.

Ультраструктура и функции митохондрий. Физико-химические свойства митохондриальной мембраны. Способы выделения и изучения мембран. Генетический аппарат митохондрий и его особенности у растений. Взаимодействие митохондриального и ядерного геномов.

Основные понятия биоэнергетики.

Энергетика процессов гидролиза и синтеза АТФ. Развитие представлений о механизмах сопряжения окислительно-восстановительных реакций с образованием АТФ. Химическая и конформационная гипотезы сопряжения. Основные положения хемиосмотической гипотезы Митчелла. Мембрана как структурная основа биоэнергетических процессов. Электрохимический потенциал — движущая сила фосфорилирования. Трансформация энергии на сопрягающих мембранах : запасание энергии в конвертируемой форме Н+ и АТФ. Единство элементарный энергетических процессов у организмов разных способов жизни.

Дыхательная электронтранспортная цепь.

Понятие донор, акцептор, окислительно-восстановительный потенциал. Основные компоненты ЭТЦ дыхания, их окислительно-восстановительные превращения и способы их регистрации. Пространственная организация ЭТЦ в мембране. Основные комплексы ЭТЦ, их структура, функции, механизм переноса электронов. НАДН-дегидрогеназный комплекс. Сукцинатдегидрогеназный комплекс. Цитохром b/c комплекс. Цитохромоксидазный комплекс. Механизм образования трансмембранного протонного градиента в процессе электронного транспорта в дыхательной цепи митохондрий. Альтернативные НАДН-дегидрогеназы — характерная особенность растительных митохондрий: локализация в мембранах и функции.. Цианидрезистентное дыхание. Альтернативная оксидаза: структура, функции, принципы регуляции. Альтернативный путь переноса электронов в дыхательной цепи растений и его физиологическое значение. Ингибиторы электронного транспорта и ингибиторный анализ применительно к изучению дыхательной активности растительных митохондрий.

Электронтранспортные цепи плазмалеммы, эндоплазматического ретикулума, микротелец, их состав и функции.

Окислительное фосфорилирование.

Механизм сопряжения электронного транспорта в дыхательной цепи с фосфорилированием. Энергизация мембран при функционировании ЭТЦ дыхания. АТФ-синтаза митохондрий. Структура, локализация, пространственная организация, современные представления о механизме синтеза АТФ. Регуляция электронного транспорта в дыхательной цепи. Дыхательный контроль. Понятие об ионофорах. Природа разобщающего эффекта.

Роль мембранного потенциала в регуляции клеточного метаболизма. Немитохондриальные АТФ-азы клеток растений. Н+-АТФ-азы плазмалеммы и тонопласта.. Их структура, локализация в клетке. Физиологическое значение.

Транспортные системы митохондрий.

Особенности наружной и внутренней мембран митохондрий. Челночные системы транспорта метаболитов. Импорт белков в митохондрии.

Окислительно-восстановительные системы, контролирующие редокс-статус ткани.

Активные формы кислорода, их возникновение и способы нейтрализации. Роль активных форм кислорода в развитии апоптоза. Антиоксидантные системы клетки. Аскорбиновая кислота и глутатион, их функции в метаболизме. Аскорбат-глутатионовый цикл. Функции цитоплазматический оксидаз и связанных с ними ферментов, их локализация, вклад в общее поглощение кислорода растительной тканью.

Дыхание как интегральный процесс.

Взаимосвязь дыхания с фотосинтезом: особенности дыхательного процесса в фотоавтотрофной клетке. Фотодыхание и функционирование растительных митохондрий. Взаимодействие процесса дыхания с ассимиляцией азота. Влияние на процесс дыхания эндогенных и экзогенных факторов. Дыхание роста и дыхание поддержания.

Литература:

Основная:

  1. Скулачев В.П. Биоэнергетика. Мембранные преобразователи энергии. Биохимия мембран. Изд. Высшая школа. М., 1990
  2. Геннис Р. Биомембраны: молекулярная структура и функции. М.: Мир, 1997. 624 с.
  3. Шугаев А.Г. Некоторые особенности структурной организации и окислительной активности дыхательной цепи митохондрий растения. Успехи современной биологии. 1991. Т.111. вып.2. с.178-189.
  4. Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи энергии в живой клетке. Соросовкий образовательный журнал. 1997. N 7. С.10-17.
  1. Lambers H. Oxidation of mitochondrial NADH and the synthesis of ATP. In: Plant Physiology, Biochemistry and Molecular Biology / Eds. Dennis D.T., Turpin D.H. N.Y.: Longman Sci.Techn. 1992. p. 124-143
  2. Douce R., Neuburger R. Metabolite exchange between the mitochondrion and the cytosol In: Plant Physiology, Biochemistry and Molecular Biology / Eds. Dennis D.T., Turpin D.H. N.Y. : Longman Sci.Techn.1992. p. 174-188.
  3. G.C. Vanlerberghe Alternative oxidase: from gene to function. Annu. Rev. Plant Physiol. Pkant Mol. Biol. 1997. 48. P.703-734.
  4. Mackenzi E.S., McIntosh L. Higher plant mitochondria. The Plant Cell. 1998. V.11. p. 571-585.

Составитель: О.Г. Полесская, доцент кафедры физиологии растений.

Источник

Энергетика дыхания

Дыхание — это процесс, в результате которого в живой клетке выделяется свободная энергия.

В живых клетках значительная часть образующейся свободной энергии аккумулируется в высокоэнергетических связях нуклеотидполифосфатов, в частности АТР. АТР затем поставляет энергию для биосинтетических реакций, процессов движения и сокращения.

При дыхании АТР синтезируется как в анаэробной фазе (гликолизе), так и в аэробной.

Синтез АТР из ADP и неорганического фосфора (Н3РО4) в анаэробной фазе называется гликолитическим фосфорилированием, а в аэробной — окислительным фосфорилированием.

Гликолиз является энергетически менее выгодным процессом, чем аэробное дыхание.

В процессах гликолиза выделяется 4 молекулы АТР вследствие того, что глюкоза распадается при гликолизе на две трехуглеродные молекулы — триозы. Однако необходимо учесть, что для активирования гексоз расходуется 2 молекулы АТР. Таким образом, при спиртовом и молочнокислом брожении выделяется всего лишь 2 молекулы АТР (рис. 2,3).

В растениях анаэробные условия встречаются редко, и в клетках высших растений гликолиз протекает нормально в присутствии кислорода. Поэтому NADH + H + , который образовался при окислении глицеральдегид-3-фосфата, не расходуется на восстановление пировиноградной кислоты или уксусного альдегида, а включается в цепь переноса электронов с образованием у растений двух молекул АТР, а в животных организмах — трех.

Из расчета на молекулу глюкозы на этом участке окисления выделяется 4 молекулы АТР. Суммируя молекулы АТР получаем: 2 АТР + 4 АТР = 6 АТР. Это количество свободной энергии, которое получают растительные клетки при окислении глюкозы до пировиноградной кислоты. Основное количество энергии выделяется в аэробных условиях при окислении водорода кислородом воздуха.

При дегидрировании пировиноградной, изолимонной, a-кетоглутаровой, янтарной и яблочной кислот водород отдает электрон и превращается в протон Н + . Электроны водорода по цепи переноса передаются на кислород воздуха, в результате чего образуется молекула воды. Это реакция экзотермическая.

Окисление пировиноградной, изолимонной, a-кетоглутаровой и яблочной кислот происходит под действием дегидрогеназ, коферментом которых является NAD + , при этом NAD + восстанавливается до NADH + H + (длинная дыхательная цепь).

Энергия, высвобождающаяся при переносе одной пары электронов отNADH + H + к кислороду, запасается в виде трех молекул АТР. Таким образом, окисление пировиноградной, изолимонной, a-кетоглутаровой и яблочной кислот сопровождается образованием 12 молекул АТР.

В окислении янтарной кислоты NAD + участия не принимает. Оно начинается с NADH-зависимой дегидрогеназы, коферментом которой является FAD (короткая дыхательная цепь). Поэтому в данном случае образуется только 2 молекулы АТР. Кроме того, в цикле лимонной кислоты, или цикле Кребса, выделяется 1 молекула АТР на уровне субстратного фосфорилирования при образовании янтарной кислоты из сукцинил СоА. Следовательно, при полном окислении одной молекулы пировиноградной кислоты получается 15 молекул АТР.

Суммируя молекулы АТР, образовавшиеся при окислении глюкозы до пирувата (6 молекул АТР) и при окислении пирувата до СО2 и Н2О (30 молекул АТР), получаем 36 молекул АТР. С учетом того что при гидролизе АТР до ADP выделяется 30,5 кДж, эффективность запасания свободной энергии при аэробном дыхании за счет глюкозы составляет 38,3 %.

Энергетический выход при расщеплении одной молекулы глюкозы:

Источник

ЭТЦ дыхания растений, ее особенности. Окислительноефосфорилирование: механизмы и энергетическая эффективность.

Дыхательная электронтранспортная цепь состоит из переносчиков электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород. Расположение переносчиков определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала. Цепь начинается с НАДН, имеющего потенциал –0,32 В, и кончается кислородом с потенциалом +0,82 В. Переносчики расположены по обеим сторонам внутренней мембраны митохондрий и пересекают ее. На внутренней стороне мембраны, расположенной к матриксу митохондрии, два протона и два электрона от НАДН переходят на флавинмононуклеотид и железосерные белки. Флавинмононуклеотид, получив протоны, восстанавливается и переносит их на внешнюю сторону мембраны, где отдает протоны в межмембранное пространство. Железосерные белки, находящиеся внутри мембраны, передают электроны от НАДН окисленному убихинону Q. Он, присоединив еще два протона, диффундирует в мембране к цитохромам. Цитохром b560 отдает два электрона убихинону, который, присоединив еще два протона из матрикса, передает два электрона цитохрому b556 и два электрона цитохрому c1, а протоны выходят в межмембранное пространство. На наружной стороне мембраны цитохром с, получив два электрона от цитохрома c1, передает их цитохрому а, который переносит их через мембрану на цитохром а3. Цитохром а3, связывая кислород, отдает ему электроны. Кислород присоединяет два протона с образованием воды (рис. 6.5).

Таким образом, транспорт электронов в дыхательной электронтранспортной цепи сопровождается трансмембранным переносом протонов. Возникающая разность потенциалов по обеим сторонам внутренней мембране митохондрий используется для синтеза АТФ (окислительное фосфорилирование), как это было показано в разделе 5.2.2. В результате прохождения двух электронов по цепи образуется 3 молекулы АТФ.

Читайте также:  Все почвопокровные растения с картинками

ПФП дыхания, его значение.

В ПФП можно выделить два этапа:

1) окисление глюкозы,

2) рекомбинацию сахаров для регенерации исходного субстрата.

Следует знать, что очень часто на одном из этапов ПФП переходит в гликолитический.

Первый (окислительный) этап апотомического пути включает реакции, катализируемые дегидрогеназно-декарбоксилирующей системой, состоящей из трех ферментов. Первая реакция представляет собой дегидрирование глюкозо-6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой (акцептор электронов − НАДФ + ) с образованием лактона 6-фосфоглюконовой кислоты. Лактон самопроизвольно или под действием глюконолактоназы гидролизуется, образуя 6-фосфоглюконовую кислоту. В следующей окислительной реакции, катализируемой НАДФ- и Мn 2+ -зависимой фосфо-глюконатдегидрогеназой, 6-фосфоглюконовая кислота дегидрируется и декарбоксилируется и образуются D -рибулозо-5-фосфат и восстановленный НАДФH. Таким образом, при окислении каждого атома углерода образуются две молекулы НАДФH:

Второй этап связан с регенерацией исходного метаболита — глюкозо-6-фосфата. Из рибулозо-5-фосфата под действием эпимеразы образуется ксилулозо-5-фосфат, а под действием изомеразы — рибозо-5-фосфат. Рекомбинации сахаров с участием транскетолазы и трансальдолазы приводят к появлению 3-ФГА и седогептулозо-7-фосфата, затем эритрозо-4-фосфата и фруктозо-6-фосфата; в результате образуются фруктозо-6-фосфаты, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфат.

В итоге 6 молекул глюкозо-6-фосфата, участвуя в ПФП дыхания, дают 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6СО2, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата регенерируют 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Для каждого оборота цикла суммарное уравнение ПФП имеет следующий вид:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + + 7Н2О

5 глюкозо-6фосфат + 6СО2 + 12 НАДФН + 12Н + + Н3РО4

Энергетический выход ПФП

Если при окислении субстрата образуется НАДФH, как, например, при апотомическом окислении глюкозо-6-фосфата, то атомы водорода перед поступлением в электронтранспортную цепь должны быть переданы на. НАД + (трансгидрогеназная реакция). Если бы все 12 пар протонов от НАДФH, которые образуются при полном окислении молекулы глюкозо-6-фосфата по ПФП, были бы переданы через ЭТЦ на О2, то получилось бы 3 АТР х 12 = 36 АТР, что составляет 41,868 кДж х 36 = 1507 кДж/моль. Практически это не уступает энергетическому выходу дихотомического пути дыхания (гликолиз и цикл Кребса), в котором образуется 1591 кДж/моль (38 АТР).

Роль ПФП в конструктивном обмене

Основное назначение ПФП состоит в участии не столько в энергетическом, сколько в пластическом обмене клеток. Аспекты участия ПФП в пластическом обмене:

1. ПФП служит основным внемитохондриальным и внехлоропластным источником НАДФH. НАДФH используется главным образом в различных синтетических реакциях и играет значительную роль в поддержании восстановленности SH-соединений в клетке, поскольку является первичным восстановителем глутатиона.

2. В ходе пентозофосфатного цикла синтезируются пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот и различных нуклеотидов. Например, рибозы необходимы для синтеза АТФ, ГTФ, УTФ и других нуклеотидов. Коферменты НАД + , НАДФ + , ФАД, коэнзим А — тоже нуклеотиды и в их состав входит рибоза.

3. ПФП имеет большое значение как источник образования углеводов с различным числом углеродных атомов в цепи (от С3 до С7). Эритрозо-4-фосфат, возникающий в ПФП, необходим для синтеза шикимовой кислоты — предшественника многих ароматических соединений, таких, как ароматические аминокислоты, витамины, дубильные и ростовые вещества, лигнин клеточных стенок и др.

4. Компоненты ПФП (рибулозо-1,5-дифосфат, НАДФH) принимают участие в темновой фиксации СО2. Только две из 15 реакций цикла Кальвина специфичны для фотосинтеза, остальные участвуют в окислительном ПФП дыхания и гликолизе.

5. В хлоропластах окислительный ПФП функционирует в темноте, предотвращая резкое изменение концентрации НАДФH в отсутствие света. Кроме того, триозофосфаты этого цикла в хлоропластах превращаются в 3-ФГК, что важно дляподдержания в них уровня АТФ в темноте.

Окисление глюкозы по ПФП осуществляется в результате 12 реакций, тогда как в дихотомический (гликолитический) путь через ПВК и далее через цикл ди- и трикарбоновых кислот включаются более 30 различных реакций.

9. Экология дыхания (влияние внешних и внутренних факторов); изменение интенсивности дыхания в онтогенезе растений.

Влияние внешних и внутренних факторов на интенсивность фотосинтеза

В физиологии растений пользуются двумя понятиями: истинный и наблюдаемый фотосинтез. Это обусловлено следующими соображениями. Скорость или интенсивность фотосинтеза характеризуется количеством СО2, поглощенного единицей поверхности листа в единицу времени. Определение интенсивности фотосинтеза проводят газометрическим методом по изменению (уменьшению) количества СО2 в замкнутой камере с листом. Однако, вместе с фотосинтезом идет процесс дыхания, во время которого выделяется СО2. Поэтому получаемые результаты дают представление об интенсивности наблюдаемого фотосинтеза. Для получения величины истинного фотосинтеза необходимо сделать поправку на дыхание. Поэтому перед опытом определяют в темноте интенсивность дыхания, а потом уже интенсивность наблюдаемого фотосинтеза. Затем количество СО2, выделенного при дыхании, прибавляют к количеству СО2, поглощенного на свету. Внося эту поправку, считают, что интенсивность дыхания на свету и в темноте одинакова. Но эти поправки не могут дать оценку истинного фотосинтеза потому, что, во-первых, при затемнении листа исключается не только истинный фотосинтез, но и фотодыхание; во-вторых, так называемое темновое дыхание в действительности зависит от света (см. дальше).

Поэтому во всех экспериментальных работах по фотосинтетическому газообмену листа отдают преимущество данным по наблюдаемому фотосинтезу. Более точный метод изучения интенсивности фотосинтеза – метод меченных атомов (измеряют количество поглощенного 14 СО2).

В том случае, когда пересчет количества поглощенного СО2 на единицу поверхности трудно провести (хвойные, семена, плоды, стебель), полученные данные относят к единице массы. Учитывая, что фотосинтетический коэффициент (отношение объема выделенного кислорода к объему поглощенного СО2 равен единице, скорость наблюдаемого фотосинтеза можно оценивать по количеству миллилитров кислорода, выделенной единицей площади листа за 1 час.

Для характеристики фотосинтеза пользуются и другими показателями: квантовый расход, квантовый выход фотосинтеза, ассимиляционное число.

Квантовый расход – это отношение количества поглощенных квантов к количеству ассимилированных молекул СО2. Обратная величина названа квантовым выходом.

Ассимиляционное число – это соотношение между количеством СО2 и количеством хлорофилла, который содержится в листе.

Скорость (интенсивность) фотосинтеза – один из важнейших факторов, влияющих на продуктивность с/х культур, а значит и на урожай. Поэтому выяснение факторов, от которых зависит фотосинтез, должно вести к усовершенствованию агротехнических мероприятий.

Теоретически скорость фотосинтеза, как и скорость любого многостадийного биохимического процесса, должна лимитироваться скоростью самой медленной реакции. Так, например, для темновых реакций фотосинтеза нужны НАДФН и АТФ, поэтому темновые реакции зависят от световых реакций. При слабой освещенности скорость образования этих веществ слишком мала, чтобы обеспечить максимальную скорость темновых реакций, поэтому свет будет лимитирующим фактором.Принцип лимитирующих факторов можно сформулировать следующим образом: при одновременном влиянии нескольких факторов скорость химического процесса лимитируется тем фактором, который ближе всех к минимальному уровню (изменение именно этого фактора будет непосредственно влиять на данный процесс).

Этот принцип впервые был установлен Ф. Блекманом в 1915 г. С тех пор было неоднократно показано, что разные факторы, например концентрация СО2 и освещенность, могут взаимодействовать между собой и лимитировать процесс, хотя часто один из них все же главенствует. Освещенность, концентрация СО2 и температура – вот те главные внешние факторы, влияющие на скорость фотосинтеза. Однако большое значение имеет также водный режим, минеральное питание и др.

Свет.При оценке действия света на тот или иной процесс важно различать влияние его интенсивности, качества (спектрального состава) и времени экспозиции на свету.При низкой освещенности скорость фотосинтеза пропорциональна интенсивности света. Постепенно лимитирующими становятся другие факторы, и увеличение скорости замедляется. В ясный летний день освещенность составляет примерно 100 000 лк, а для светового насыщения фотосинтеза хватает 10 000 лк. Поэтому свет обычно может быть важным лимитирующим фактором в условиях затенения. При очень большой интенсивности света иногда начинается обесцвечивание хлорофилла, и это замедляет фотосинтез; однако в природе, растения находящиеся в таких условиях, обычно тем или иным образом защищены от этого (толстая кутикула, опущенные листья и т. п.). При слабом освещении в процессе дыхания выделяется больше СО2, чем связывается его в процессе фотосинтеза, поэтому начало световой кривой с осью абсцисс – компенсационная точкафотосинтеза, которая показывает, что в этом случае при фотосинтезе используется ровно столько СО2, сколько его выделяется при дыхании. Иными словами, со временем наступает такой момент, когда фотосинтез и дыхание будут точно уравновешивать друг друга, так что видимый обмен кислорода и СО2 прекратиться. Световая точка компенсации – это такая интенсивность света, при которой суммарный газообмен равен нулю.

Световые кривые одинаковы не для всех растений. У растений, которые растут на открытых солнечных местах, поглощение СО2 увеличивается до тех пор, пока интенсивность света не будет равна полному солнечному освещению. У растений, которые растут на затененных местах (например, кислица), поглощение СО2 увеличивается только при малой интенсивности света.

Все растения по отношению к интенсивности света делят на световые и теневые, или светолюбивые и теневыносливые. Большинство с/х растений является светолюбивыми.

У теневыносливых растений, во-первых, световое насыщение происходит при более слабом освещении, во-вторых, в них компенсационная точка фотосинтеза наступает раньше, т. е. при меньшей освещенности

Последнее связано с тем, что теневыносливые растения отличаются малой интенсивностью дыхания. В условиях слабой освещенности интенсивность фотосинтеза выше у теневыносливых растений, а при сильном свете, наоборот, – у светолюбивых.

Интенсивность света влияет и на химический состав конечных продуктов фотосинтеза. Чем выше освещенность, тем больше образуется углеводов; при низкой освещенности – больше органических кислот.

Опыты в лабораторных условиях показали, что на качество продуктов фотосинтеза влияет и резкий переход «темнота – свет» и наоборот. Сначала после включения света высокой интенсивности преимущественно образуются неуглеводные продукты из-за недостатка НАДФН и АТФ, и только через некоторое время начинают образовываться углеводы. И наоборот, после выключения света листья не сразу теряют способность к фотосинтезу, потому что на протяжении нескольких минут в клетках остается запас АТФ и НАДФ.

Читайте также:  Что доказывает единство происхождения растений

После выключения света сначала тормозится синтез углеводов и только потом органических веществ и аминокислот. Основная причина этого явления обусловлена тем, что торможение превращения ФГК в ФГА (и через него в углеводы) происходит раньше, чем торможение ФГК в ФЕП (и через него в аланин, малат и аспарат).

На соотношение образующих продуктов фотосинтеза влияет и спектральный состав света. Под влиянием синего света в растениях увеличивается синтез малата, аспартата и других аминокислот и белков. Эта реакция на синий свет выявлена и в С3-растениях и в С4-растениях.

Спектр действия – это зависимость эффективности химического (биологического) действия света от длины его волны. Интенсивность фотосинтеза в разных участках спектра неодинакова. Максимальная интенсивность наблюдается при освещении растений теми лучами, которые максимально поглощаются хлорофиллами и другими пигментами. Интенсивность фотосинтеза наиболее высокая в красных лучах, потому что она пропорциональна не количеству энергии, а количеству квантов.

Из суммарного уравнения фотосинтеза:

следует, что для образования 1 моля глюкозы нужно 686 ккал; это значит, что для ассимиляции 1 моля СО2 нужно 686: 6 = 114 ккал. Запас энергии 1 кванта красного света (700 нм) равен 41 ккал/энштейн, а синего (400 нм) 65 ккал/энштейн. Минимальный квантовый расход при освещении красным светом равен 114: 41 ≈ 3, а в действительности тратиться 8–10 квантов. Таким образом, эффективность использования красного света 114/41 · 8 = 34 %, а синего 114/65 ·8 = 22 %.

Изменение интенсивности дыхания в онтогенезе. Наиболее высокой обладают молодые органы и ткани растений, находящиеся в состоянии активного роста. Повышение интенсивности дыхания прекращается, когда заканчивается рост листа. Затем дыхание снижается до уровня, приблизительно равного половине максимума, и довольно долго остается без изменений. Цветение и плодоношение сопровождается усилением дыхания развивающихся цветков и плодов, что связано с образованием новых органов и тканей, обладающих высоким уровнем обмена веществ. Подъем интенсивности дыхания перед полным созреванием плодов называется климактерическим подъемом дыхания. Сходное явление наблюдается и при пожелтение листьев. Перед климактерическим подъемом дыхания в тканях резко усиливается образование этилена, который оказывает на обмен двоякое влияние. 1. Увеличивается проницаемость мембраны и усиливается гидролиз белков, в результате чего возрастает количество доступных дыханию субстратов. 2. В период подъема климактерического дыхания стимулируется синтез белков возможно дыхательных ферментов.

МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ

1. История развития учения о минеральном питании растений.

Первые труды появляются в средние века. Среди них назовем «Научный трактат о различных почвах (солях) и сельском хозяйстве» французского естествоиспытателя Палисси. В этом сочинении впервые почва рассматривается как источник питания растений минеральными солями, высказывается мысль о необходимости возврата в почву минеральных веществ в виде удобрений.

Ван-Гельмонт. Им был поставлен эксперимент с растениями, на основании которого был сделан ошибочный вывод о питании растений водой. Ива и горшок с землей (Водная теория, была ошибочна)

Глаубер выдвинул гипотезу, согласно которой основой роста растений является селитра( «соль плодородия»), получаемую из смеси навоза с землей. Глаубер предположил, что она образуется из пищи животных. Он советовал вносить селитру под виноградники, смачивать раствором селитры высеваемое зерно.

Лавуазье установил закон сохранения вещества, определил состав воздуха и процесс образования углекислого газа, сделал ряд других важных открытий. Вместе с тем он занимался и вопросами, относящимися к агрономической химии. Он писал: «Растения черпают материалы, необходимые для своей организации, в воздухе, который их окружает, в воде, вообще в минеральном царстве.».

Пристли проделал замечательный опыт. Он взял стеклянный колпак, изолировал под ним мышь и горящую свечу, потом поместил мяту. Вывод: под действием зеленых растений воздух становится пригодным для дыхания и горения.

Ингенгаус обнаружил, что только растения, причем только на свету, поглощают из воздуха углекислоту, а выделяют при этом кислород. Сами растения непрерывно дышат, но на свету значительно больше выделяют кислорода, а при отсутствии света сами используют некоторую часть O2.

Сенебье и Соссюр представили экспериментальные доказательства минерального корневого и воздушного питания растений. Ученые показали, что в усвоении углекислого газа участвует «зеленый крахмал», то есть хлорофилл. Ученые показали, что под влиянием солнечной радиации листья испаряют влагу, способствуя этим доступу новых порций «соков» из почвы и корней в надземные органы растений. Под действием света они поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Корни из почвы доставляют растениям лишь малую часть пищи, но эти минеральные вещества им совершенно необходимы.

Тэер был сторонником гумусовой теории питания растений. Согласно этой теории, перегной непосредственно поглощается корнями и служит основной пищей растениям. Минеральные вещества эта теория ошибочно рассматривала лишь как вспомогательные, содействующие усвоению гумуса.

Либих показал, что все минеральные соединения растения поглощают из почвы. Поэтому для восстановления почвенного плодородия эти вещества в почву необходимо возвращать, «закон возврата»; «закон минимума»: уровень урожая зависит от количества того минерального вещества, которое находится в минимуме. При этом увеличение содержания других минеральных веществ не обеспечивает увеличения урожая.

Буссенго поставил ряд точных экспериментов, в результате которых доказал, что растения не используют азот, содержащийся в воздухе. Установив, что клевер и люцерна обогащают почву азотом, Буссенго предположил, что эти растения поглощают азот из воздуха.

2. Содержание минеральных элементов в растениях. Классификация минеральных элементов: макро- и микроэлементы.

Зольные элементы сосредоточены в тех органах и клетках, уровень жизнедеятельности которых достаточно высок. Как правило, чем богаче почва и суше климат, тем выше содержание золы в растении. Необходимые элементы. Это те, без которых организм не может завершить свой жизненный цикл. Ю. Сакс и И. Кноп установили, что для жизнедеятельности растения, кроме С, О, Н, необходимы следующие 7 элементов: N, Р, S, К, Са, Mg, Fe. Позже была показана необходимость для растений в еще шести элементов: бора, марганца, цинка, меди, молибдена и хлора. Для некоторых растений характерны еще и другие элементы (например натрий). Все необходимые элементы корневого питания подчиняются основным правилам Либиха. Все необходимые для жизни растений элементы в зависимости от их количественного содержания в растении принято разделять на макроэлементы (содержание более 0,01%) — N, Р, S, К, Са, Mg, Fe и микроэлементы (содержание менее 0,01%) — Mn, Си, Zn, В, Mo, О

Общие значения питательных элементов: 1) входят в состав биологически важных органических веществ; 2) участвуют в создании определенной ионной концентрации, стабилизации макромолекул и коллоидных частиц (электрохимическая роль); 3) участвуют в каталитических реакциях, входя в состав или активируя отдельные ферменты.

3. Макроэлементы – K, Ca, Mg, S, P, их физиологическая роль.

Сера. Сера усваивается растениями только в окисленной форме—в виде аниона SCV. В растении основная масса аниона сульфата восстанавливается до —SH и —S—S— групп. Входит в состав трех аминокислот — цистина, цистеина и метионина, витаминов, коферментов (биотин, тиамин, коэнзим А, глютатион, липоевая кислота). Участвует в белковом обмене, аэробной фазе дыхания, синтезе жиров, в образовании макроэргической связи, в метаболизме и др.

Часть серы находится а клеточном соке в виде иона сульфата. При отмирании корня в условиях, когда ему не хватает кислорода, серосодержащие соединения распадаются с образованием сероводорода, который ядовит для корня. При недостатке серы, так же как и при недостатке азота, начинается разрушение хлорофилла, но первыми испытывают недостаток серы верхние листья.

Фосфор. Фосфор усваивается растениями в окисленной форме в виде солей фосфорной кислоты. Входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), нуклеотидов (АТФ, НАД, НАДФ), нуклеопротеидов, витаминов, фосфолипидов (мембраны) и др. Участвует в процессах гликолиза и аэробного дыхания. Освобождающаяся в этих процессах энергия накапливается в виде богатых энергией фосфатных связей. Принимает участие в фотосинтезе. При отсутствии фосфора а начале жизни и при последующей подкормке растения фосфорными солями листья растений некоторое время страдают из-за усиленного поступления фосфора и нарушенного в связи с этим азотного обмена.

Калий, кальций и магний усваиваются из любых растворимый солей, анионы которых не обладают токсическим действием или связанные с каким-нибудь нерастворимым веществом, обладающим кислотными свойствами. Они (K, Ca, Mg) необходимы для питания.

Роль: адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц протоплазмы, они создают вокруг них определенные электростатические силы, они определяют оводненность и водоудерживающую силу коллоидов.

Калий. Калий в растениях содержится в больших кол-ах, особенно в их вегетативных частях. Калий оказывает большое влияние на коллоиды плазмы, он повышает их гидрофильность (разжижает плазму). Калий является также катализатором ряда синтетических процессов: как правило, он катализирует синтез высокомолекулярных веществ из более простых, способствует синтезу сахарозы, крахмала, жиров, белков, При недостатке калия процессы синтеза нарушаются, и в растении скапливаются глюкоза, аминокислоты и продукты распада других высокомолекулярных соединений. При недостатке калия на нижних листьях появляется краевой запал — края листовой пластинки отмирают, листья приобретают характерную куполообразную форму, на листьях появляются некрозы.

Кальций. Часть кальция находится в клеточном соке. Этот кальций не принимает активного участия в процессах обмена веществ, он обеспечивает нейтрализацию избыточно образующихся органических кислот. Часть кальция сосредоточена в плазме—здесь кальций понижает гидрофильность плазменных коллоидов, повышает их вязкость. Кальций входит в состав ядерного вещества, играет роль в процессах деления клетки. Участвует в образовании клеточных оболочек, формировании стенок корневых волосков. При отсутствии кальция быстро поражаются точки роста надземные частей и корня, так как кальций не передвигается из старых частей растения к молодым. Корни ослизняются, рост их почти прекращается или идет ненормально.

Читайте также:  Ожог на руке от растения

Магний. Входит в состав хлорофилла. Магний важен для дыхательного обмена, он катализирует ряд реакций образования фосфатных связей и их переноса. Так как богатые энергией фосфатные связи участвуют в самых различных синтезах, то без магния эти процессы не идут. При недостатке магния разрушается молекула хлорофилла, причем жилки листьев остаются зелеными, а участки тканей, расположенные между жилками, бледнеют. Это явление называется пятнистым хлорозом.

Железо. Поглощается в виде растворенных солей, комплексных и органических соединений. В растительных тканях железо частично переходит в органические соединения. Находясь в составе ферментов, он принимает активное участие в окислительно-восстановительных процессах. Железо входит в состав дыхательных ферментов (цитохрома, цитохромоксидазы, каталазы и пероксидазы). Принимает участие в образовании хлорофилла. При недостатке железа развивается хлороз. При недостатке железа изменяется окраска молодых листьев (желтеют), фотосинтез; рост растений замедляется.

4. Физиологическая роль азота в жизни растений. Источники азотного питания высших растений. Фиксация молекулярного азота.

Азот хорошо усваивается растением из солей азотной кислоты и аммония. Он является главным элементом корневого питания, так как входит в состав белков всех живых клеток. Азот является составной частью нуклеиновых кислот, входящих в состав ядра и являющихся носителями наследственности. Является частью хлорофилла, входит в состав ферментов, которые регулируют реакции обмена веществ, и ряда витаминов. Все формы азота растении превращаются в аммиачные соединения, которые, вступая в реакцию с органическими кислотами, образуют аминокислоты и амиды — аспарагин и глютамин. Аммиачный азот обычно не скапливается в растении в значительных количествах. Это наблюдается только при недостатке углеводов; в этих условиях растение не может его переработать в безвредные органические вещества — аспарагин и глютамин. Избыток аммиака в тканях зачастую приводит к их повреждению. Если растение испытывает недостаток в азоте, то это прежде всего сказывается на темпе роста. Новые побеги почти не образуются, размеры листьев уменьшаются. При отсутствии азота в старых листьях хлорофилл разрушается. Биологическая фиксация азота атмосферы имеет важное значение, благодаря ей азот переходит в формы, которые могут использовать все растительные, а через них и животные организмы.Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разделить на группы: 1) симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, которые усваивают азот атмосферы, только находясь в симбиозе с высшим растением; 2) не симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, свободно живущие в почве и усваивающие азот воздуха; 3) ассоциативные азотфиксаторы — микроорганизмы, обитающие на поверхности корневой системы злаков, т. е. живущие в ассоциации с высшими растениями. Важное значение имеют симбиотические азотфиксаторы, живущие в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии), относящиеся к роду Rhizobium. Azotobacter. Для того чтобы эти микроорганизмы осуществляли процесс фиксации азота, необходимо присутствие молибдена, железа и кальция. Конечным продуктом фиксации азота является аммиак. В процессе восстановления азота до аммиака участвует мультиферментный комплекс — нитрогеназа. Источником протонов и электронов для восстановления азота служит дыхательная электрон-транспортная цепь. Это указывает на связь усвоения азота атмосферы с процессами дыхания, а также фотосинтеза (источника углеводов). Для восстановления N2 до NH3 требуется шесть электронов, согласно уравнению:N2 + 6е + 2Н + -> 2NH3 Процесс требует АТФ как источника энергии: затрачивается 25—35 молекул АТФ, т.к нитрогеназа — фермент с низкой субстратной специфичностью. Особенность нитрогеназы заключается и в том, что для работы фермента требуются анаэробные условия. Вместе с тем в клетках высшего растения кислород необходим для поддержания дыхания. Роль леггемоглобина заключается в связывании 02 в организме бактерий и создании условий для работы нитрогеназы. Для образования леггемоглобина необходимы Fe, Сu и Со. Для нормального протекания процесса азотофиксации необходимы Мо и Fe, входящие в состав нитрогеназы. Молибден поддерживает конформацию нитрогеназы, участвует в связывании азота и переносе электронов, а также индуцирует синтез нитрогеназы. Кобальт входит в состав витамина В12, который вовлекается в процесс биосинтеза леггемоглобина. В надземные органы растения-хозяина азотистые вещества передвигаются главным образом в виде амидов (аспарагина, глутамина).

5. Азотный обмен высших растений: восстановление нитратов и пути их усвоения аммиака.

Высшие растения поглощают соединения азота из почвы. Основным источником азотного питания для растений являются нитраты и аммиак. Корневые системы растений хорошо усваивают нитраты, которые, поступая в корни растения, подвергаются ферментативному восстановлению до нитритов и далее до аммиака. Этот процесс происходит главным образом в корнях, однако этой способностью обладают и клетки листьев. Восстановление нитратов до аммиака идет через ряд этапов. На первом этапе нитраты восстанавливаются до нитритов при участии фермента нитратредуктазы:

Нитратредуктаза — это фермент, содержащий в своем составе ФАД, гем и молибден. Фермент локализован в цитозоле, где и протекает процесс восстановления нитратов до нитритов. Поставщиком НАДН являются процесс дыхания и отчасти световые реакции фотосинтеза. Именно поэтому восстановление нитратов тесно связано с дыхательным газообменом и фотосинтезом. Для восстановления нитратов могут быть использованы продукты, образующиеся в процессе нециклического фотофосфорилирования (НАДФН, АТФ). При низкой освещенности, дефиците Fe и Мо активность фермента снижается, и нитраты накапливаются в клетке.

Второй этап — восстановление нитратов до аммиака катализируется ферментом нитритредуктазой:

Нитритредуктаза — это фермент, содержащий в качестве простетической группы гем. Активность этого фермента выше, чем нитратредуктазы. Нитритредуктаза локализована в хлоропластах листьев или пропластидах корней. Донором электронов в листьях служит восстановленный ферредоксин, который образуется при функционировании на свету ФС I. Нитриты могут поступать в растение из почвы и подвергаются восстановлению до NH4. Передвижение нитритов из цитоплазмы в хлоропласты стимулируется Са. Осуществляется и обратный процесс — окисление аммонийной формы азота в нитратную, что опровергает широко распространенное мнение об исключительно экзогенном происхождении нитратов в растениях.

Важнейшим источником азотного питания является аммонийный азот. Накопление аммиака в клетках, приводит к нежелательным последствиям. Однако растения обладают способностью обезвреживать аммиак путем присоединения его к органическим кислотам с образованием амидов (глутамина, аспарагина). Растения можно разделить на амидные, образующие амиды — аспарагин и глутамин, и аммиачные, образующие соли аммония. В процессе дыхания в качестве промежуточных продуктов образуются органические кислоты, в том числе а-кетоглутаровая и щавелевоуксусная. Эти кислоты в результате реакции прямого восстановительного аминирования присоединяют аммиак: Реакция идет в две стадии. На промежуточном этапе образуется иминокислота. Катализируется реакция ферментом глутаматдегидрогеназой с активной группой НАД. Этот фермент локализован главным образом в митохондриях, но может содержаться в цитозоле и хлоропластах. Аспарагиновая кислота образуется по аналогии с глутаминовой кислотой путем восстановительного аминирования щавелевоуксусной кислоты при участии фермента аспартатдегидрогеназы. На активность глутаминсинтетазы влияет присутствие катионов: Mg2+, Мп2+, Со2+, Са2+. Фермент обнаружен в цитозоле, но может находится и в хлоропластах. Образование аспарагина происходит аналогичным путем. В более молодых органах (листьях) и даже в более молодых клетках образование амидов идет интенсивнее. Роль амидов в растении разнообразна. Это не только форма обезвреживания аммиака, это и транспортная форма азотистых соединений, обеспечивающая отток их из одного органа в другие. Важно, что амиды и их непосредственные предшественники — глутаминовая и аспарагиновая кислоты — являются материалом для построения многих других аминокислот в процессах переаминирования, а также перестройки их углеродного скелета.

6. Микроэлементы в жизни растений.

Кроме основных элементов, для роста растений необходим целый ряд так называемых микроэлементов. Микроэлементы усваиваются только при низких концентрациях соответствующих солей. При увеличении дозы они становятся уже ядовитыми для растения. Роль их в жизни растений, подобно витаминам, связана с деятельностью ферментов.

Бор. Для того чтобы растение нормально развивалось, его необходимо снабжать бором. При отсутствии бора приостанавливается рост корней и наземной части. Точки роста отмирают, так как клетки молодой растущей ткани —меристемы перестают делиться. Бор принимает участие в процессе прорастания пыльцы и росте завязи, поэтому при недостатке его резко снижается семенная продукция растений.Бор играет большую роль в передвижении Сахаров; ряд борорганических соединений является активаторами роста.

Медь. Значительная доля меди сосредоточена к хлоропластах. По-видимому, медь катализирует какие-то реакции в фотосинтезе, При недостатке меди хлоропласту оказываются недолговечными. Медь входит в состав ряда окислительных ферментов (поли-фенолксидаза, тирозиназа и др.)Медь играет большую роль в белковом обмене.

Цинк. Цинк входит в состав важного фермента —карбоан-гидразы. Кроме того, цинк участвует в синтезе аминокислоты триптофана, являющегося предшественником ауксинов в растении.

Марганец. Катализирует реакции арбоксилирования и играет важную роль в фотосинтезе и дыхании. Преимущественно он скапливается в листьях и в точках роста. Его наличие способствует окислительным превращениям.Присутствие марганца в питательном растворе повышает дыхание корней, при этом заметно увеличивается усвоение нитратного азота. Особенно характерным свойством марганца является его способность окислять соединения железа.

Молибден. Молибден необходим растениям в чрезвычайно малых количествах. Он катализирует процессы восстановления нитратов и синтеза белковых веществ.

7. Механизм поступления ионов в клетку. Роль клеточной оболочки. Транспорт ионов через мембраны: пассивный и активный.

Источник