Влияние пластидных пигментов и интенсивности дыхания на урожайность растений

Эффективность работы листового аппарата и корневой системы напрямую определяет будущую урожайность. Для агронома важно понимать, как эти процессы лимитируют развитие культуры в поле. Правильная регулировка плотности посева и азотного питания помогает управлять балансом фотосинтеза и дыхания.

• Содержание хлорофилла — 2–6 мг на 0,01 м² площади листьев
• Доля хлорофилла в сухом веществе листа — 0,5–2,0 %

Пигменты и интенсивность фотосинтеза

Накопление пластидных пигментов (хлорофиллов a и b, каротиноидов) в хлоропластах создает базу для фотосинтеза. Однако прямая пропорциональная связь между объемом хлорофилла и скоростью фотосинтеза отсутствует. Эффективность работы пигментов оценивают через ассимиляционное число — количество миллиграммов CO₂, усвоенное на единицу хлорофилла. При росте содержания хлорофилла с 0,7 до 15,6 мг/г сырой массы (более чем в 20 раз) интенсивность фотосинтеза увеличивается всего в 2 раза, а ассимиляционное число падает в 10 раз.

Дефицит хлорофилла начинает жестко ограничивать фотосинтез только в двух неблагоприятных ситуациях. Это происходит при нехватке азота в почве или в слишком загущенных посевах, где растения испытывают дефицит солнечного света. Скорость накопления сухого вещества также сильно зависит от типа фотосинтеза конкретной культуры.

Дыхание как двигатель минерального питания

Дыхание растений — это окислительный распад органических веществ с потреблением кислорода и выделением углекислого газа. Скорость этого процесса называют интенсивностью дыхания. Ее определяют по объему поглощенного кислорода или выделенного углекислого газа за единицу времени на 1 г сухого вещества. Дыхание обеспечивает растение энергией и напрямую запускает процесс корневого питания.

В ходе дыхания образуются катионы водорода и анионы угольной кислоты. Они служат обменным фондом, благодаря которому корни поглощают элементы питания из почвы. Выделяющаяся энергия идет на активный транспорт ионов через клеточную мембрану (плазмалемму). Кроме того, корневые выделения при дыхании содержат слабые органические кислоты, которые переводят труднодоступные минеральные элементы почвы в подвижную, легкоусвояемую для растений форму.

Окислительный распад глюкозы при дыхании выражается следующим химическим уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 2875 кДж

Все реакции дыхания тесно связаны с процессами синтеза и построения клеточных структур. Промежуточные соединения, возникающие при распаде сахаров, используются клетками как строительный материал. Регулируя условия выращивания с помощью агроприемов, можно создать оптимальный дыхательный баланс и направить энергию дыхания на формирование высокого урожая.

Дыхание — это главный энергетический двигатель растения, обеспечивающий энергией все процессы от роста клеток до поглощения элементов питания из почвы. При полном окислении одной грамм-молекулы гексозы поглощается 6 молекул кислорода, выделяется эквивалентное количество диоксида углерода и воды, а также высвобождается 2875 кДж энергии. Эта энергия выделяется не мгновенно, а запасается поэтапно в виде молекул АТФ. Весь процесс дыхания делится на три последовательные стадии: гликолиз, цикл Кребса и электрон-транспортную цепь (ЭТЦ).

• Энергия окисления 1 г-моль гексозы — 2875 кДж
• Потребление кислорода на 1 г-моль — 6 молекул
• Выход энергии при брожении — 2 молекулы АТФ

Гликолиз: девять шагов анаэробного распада

Гликолиз, или цикл Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса, локализован в цитоплазме клетки и протекает без участия кислорода. В ходе этого процесса молекула глюкозы расщепляется до пировиноградной кислоты (пирувата). Весь путь состоит из девяти строго последовательных ферментативных реакций, каждая из которых подготавливает субстрат к извлечению энергии.

1. Фосфорилирование глюкозы. Гексокиназа переносит фосфатную группу от молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата (реакция требует затрат энергии АТФ с переходом ее в АДФ).
2. Изомеризация. Фосфоглюкоизомераза превращает шестиуглеродное кольцо глюкозо-6-фосфата в пятиуглеродное кольцо фруктозо-6-фосфат.
3. Второе фосфорилирование. Фосфофруктокиназа присоединяет к первому атому углерода фруктозо-6-фосфата еще одну фосфатную группу от АТФ, образуя фруктозо-1,6-дифосфат.
4. Расщепление на триозы. Альдолаза расщепляет фруктозо-1,6-дифосфат на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. При этом дигидроксиацетонфосфат под действием фосфатриозоизомеразы полностью превращается в глицеральдегид-3-фосфат.
5. Окисление с восстановлением НАД. Две молекулы глицеральдегид-3-фосфата под действием дегидрогеназы окисляются, отдавая водород для восстановления НАД в НАДН2, и превращаются в две молекулы глицерат-1,3-бисфосфата (первая реакция запасания энергии).
6. Первый синтез АТФ. Глицерат-3-фосфаткиназа переносит фосфатную группу с глицерат-1,3-бисфосфата на АДФ с образованием АТФ и глицерат-3-фосфата (эта реакция стимулирует протекание предыдущих этапов).
7. Внутримолекулярный перенос. Фосфоглицератмутаза превращает глицерат-3-фосфат в глицерат-2-фосфат.
8. Дегидратация. Енолаза отщепляет молекулу воды от глицерат-2-фосфата, превращая его в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват) с образованием высокоэнергетической фосфатной связи.
9. Образование пирувата. Пируваткиназа переносит фосфатную группу с фосфоенолпирувата на АДФ, образуя АТФ и нестабильную енолпировиноградную кислоту, которая переходит в устойчивый пируват (пировиноградную кислоту).

Развилка дыхания: аэробное окисление или брожение

Образование пировиноградной кислоты завершает гликолиз, но дальнейшая судьба пирувата зависит от наличия кислорода в тканях растения. При хорошей аэрации почвы пировиноградная кислота свободно диффундирует в митохондрии. Эти органоиды с двойной мембраной и внутренними складками (кристами) содержат полный набор ферментов для завершения дыхательного цикла.

В митохондриях запускается цикл ди- и трикарбоновых кислот, известный как цикл Кребса. Здесь пировиноградная кислота полностью окисляется до углекислого газа и воды, завершая распад углеводов, жиров и белков. Этот путь наиболее выгоден для растения, так как поставляет максимальное количество энергии в виде АТФ.

Если же доступ кислорода ограничен — например, при затоплении поля, переуплотнении почвы или образовании корки, дыхание переходит на аварийный режим. Пируват не может окислиться в митохондриях и остается в цитоплазме. Растение вынуждено использовать резервный анаэробный путь получения энергии.

Окисление пировиноградной кислоты происходит в два этапа: 1) окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-СоА и 2) окисление остатка ацетил-СоА в цикле Кребса. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты осуществляется при участии пируватдегидрогеназного мультиферментного комплекса, в состав которого входят три фермента и пять коферментов. Коферментами служат тиаминпирофосфат (ТПФ) – фосфорилированное производное витамина В1, липоевая кислота, коэнзим А, ФАД и НАД. Пировиноградная кислота взаимодействует с ферментом тиаминпирофосфат декарбоксилазой. При этом отщепляется СО2 и образуется гидроксиэтильное производное ТПФ, которое вступает в реакцию с окисленной формой липоевой кислоты. Дисульфидная связь липоевой кислоты разрывается и происходит окислительно-восстановительная реакция: гидроксиэтильная группа, присоединенная к одному атому серы, окисляется до ацетильной, а второй атом серы липоевой кислоты восстанавливается. Образовавшаяся ацетиллипоевая кислота взаимодействует с коэнзином А, возникают ацетил-СоА и восстановленная форма липоевой кислоты.

В результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты образуются ацетил-СоА, СО2 и НАДН. Ацетил-СоА вовлекается непосредственно в цикл Кребса, что происходит при его взаимодействии с щавелевоуксусной кислотой. В этой реакции под действием фермента цитратсинтетазы образуется лимонная кислота и освобождается молекула СоА. Процесс синтеза лимонной кислоты становится возможным благодаря энергии окисления ПВК. Дальнейшим превращениям в цикле подвергается не лимонная, а изолимонная кислота, которая образуется из лимонной через промежуточное образование цис-аконитовой.

Реакции превращения лимонной кислоты в цис-аконитовую и далее в изолимонную кислоту катализируются аконитазой. Изолимонная кислота под воздействием НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы окисляется в нестойкое соединение – щавелевую кислоту, которая сразу же декарбоксилируется с образованием α-кетоглутаровой кислоты. При этом образуется НАДН, а также первая в цикле и вторая после начала метаболизации пировиноградной кислоты молекулы СО2. Далее при окислительном декарбоксилировании α-кетоглутаровой кислоты

Открыт в 1937 г. английскими биохимиками Х. Кребсом и У. Джонсоном.

С помощью α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса образуется НАДН, сукцинил-СоА в присутствии минерального фосфора (Рм) и АДФ превращается в янтарную кислоту (сукцинат), что сопровождается образованием АТФ в процессе субстратного фосфорилирования. Далее янтарная кислота под влиянием сукцинатдегидрогеназы, коферментом которой служит ФАД, превращается в фумаровую с образованием НАДН2. Во время реакции фумаровая кислота, реагируя с водой в присутствии фермента фумаратгидратазы, образует яблочную кислоту (малат), которая затем с помощью НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется в щавелевоуксусную кислоту. Последняя самопроизвольно переходит в енольную форму, реагирует с очередной молекулой ацетил-СоА и цикл снова повторяется. Первый этап расщепления пировиноградной кислоты и реакции цикла Кребса происходят в матриксе митохондрии.

Рис. 39. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот)

Таким образом, в ходе цикла Кребса происходят следующие превращения:

• Потребляются: по одной молекуле ПВК, АДФ и ФАД, четыре НАД, две молекулы воды.
• Синтезируются: четыре молекулы НАДН, одна – АТФ, одна – ФАДН2, две молекулы воды.
• Выделяется: три молекулы СО2.

Цикл Кребса функционирует только в аэробных* условиях, хотя кислород непосредственно не участвует в его реакциях. Обходятся без кислорода и реакции гликолиза, а между тем, как известно, потребление кислорода – характерная черта процесса дыхания. Потребность в кислороде возникает на заключительном этапе процесса дыхания, связанном с окислением восстановленных коферментов никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и флавинадениндинуклеотида (ФАДН2), в которых заключена в форме электронов значительная доля энергии, находившейся ранее в гексозе.

*Аэробный – требующий присутствия молекулярного кислорода.

Электрон-транспортная цепь. Высвобождение энергии происходит путем передачи электронов от НАДН и ФАДН2 по электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) на свободный кислород, который служит терминальным акцептором электронов. Первым переносчиком электронов в ЭТЦ является НАД; вторым – флавиновые ферменты, третьим – цитохромы. В конце цепи электроны захватываются кислородом и объединяются с протонами (ионами водорода) с образованием молекулы воды.

Согласно современным представлениям, дыхательная ЭТЦ митохондрий включает в себя четыре основных мультиэнзимных комплекса и два небольших по молекулярной массе компонента:

• Убихинон – липид, состоящий из бензохинона, соединенного с длинной гидрофобной изопреноидной боковой цепью.
• Цитохром С – белковая молекула, содержащая гем-железопорфириновое кольцо (рис. 40; Шеуджен А.Х., 2000).

Рис. 40. Дыхательная электрон-транспортная цепь митохондрий

Как дыхание обеспечивает растение энергией: баланс АТФ

Дыхание растений — это многоступенчатый процесс конвертации углеводов в доступную для клеток форму. Все начинается с расщепления глюкозы до двух молекул пирувата (пировиноградной кислоты). Затем в митохондриях пируват превращается в ацетильные группы, которые вовлекаются в цикл Кребса. Здесь они последовательно окисляются до углекислого газа, а высвободившиеся электроны передаются по электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) на кислород с образованием воды.

Электрон-транспортная цепь локализована во внутренней мембране митохондрий и работает как многоступенчатый конвейер. Перенос электронов и сопряженный с ним транспорт ионов водорода осуществляют четыре крупных белковых комплекса:

• Комплекс I (НАДН:убихинон-оксидоредуктаза) осуществляет перенос электронов от внутримитохондриального НАДН к убихинону Q. Комплекс является ФМН-зависимым и содержит три железосерных центра (FeSN1-3).
• Комплекс II (сукцинат:убихинон-оксидоредуктаза) катализирует окисление сукцината убихиноном. Эта реакция является ФАД-зависимой и протекает с участием трех железосерных центров (FeSS1-3).
• Комплекс III (убихинон:цитохром С-оксидоредуктаза) переносит электроны от восстановленного убихинона к цитохрому С. В его состав входят цитохромы b556, b560, c1 и железосерный белок.
• Комплекс IV (цитохромоксидазный) — терминальный участок цепи, где электроны переносятся с цитохрома а-CuA на цитохром а3-CuB, а затем на кислород. Содержит четыре редокс-компонента: цитохромы а и а3, а также два атома меди.

При полном аэробном окислении одной молекулы глюкозы растение получает 38 молекул АТФ. Практически все они, кроме двух, образуются в ходе митохондриальных реакций. При этом большая часть энергии (все АТФ, кроме четырех молекул) синтезируется при окислении НАДН2 и ФАДН2. Детальный энергетический баланс по этапам представлен в таблице.

Механизм фосфорилирования и реальная эффективность дыхания

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования предложены три теории: химическая, конформационная и хемиосмотическая. Наиболее признанной сегодня является хемиосмотическая теория. В ее основе лежит представление о том, что синтез АТФ происходит благодаря разнице концентраций протонов по обе стороны внутренней мембраны митохондрий.

Согласно этой концепции, при транспорте электронов по мембране протоны (ионы Н+) выкачиваются из митохондриального матрикса во внешнее межмембранное пространство. Обратно в матрикс они могут вернуться только через специальный канал, содержащий ферментный комплекс АТФ-синтетазы (АТФ-азы). Возникающий электрохимический градиент и является движущей силой, которая заставляет фермент синтезировать АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

• Связь АТФ (третья сложноэфирная фосфатная) — 42 кДж/моль (10 ккал/моль)
• Энергия 38 молекул АТФ — 1591 кДж/моль (380 ккал/моль)
• Свободная энергия окисления глюкозы — 2872 кДж/моль (686 ккал/моль)
• Теоретический КПД накопления энергии — 55 %