Вплив пластидних пігментів та інтенсивності дихання на урожайність рослин

Ефективність роботи листового апарату та кореневої системи напряму визначає майбутню урожайність. Для агронома важливо розуміти, як ці процеси лімітують розвиток культури в полі. Правильне регулювання щільності сівби та азотного живлення допомагає керувати балансом фотосинтезу та дихання.

• Вміст хлорофілу — 2–6 мг на 0,01 м² площі листя
• Частка хлорофілу в сухій речовині листка — 0,5–2,0 %

Пігменти та інтенсивність фотосинтезу

Накопичення пластидних пігментів (хлорофілів a та b, каротиноїдів) у хлоропластах створює базу для фотосинтезу. Однак прямий пропорційний зв’язок між обсягом хлорофілу та швидкістю фотосинтезу відсутній. Ефективність роботи пігментів оцінюють через асиміляційне число — кількість міліграмів CO₂, засвоєна на одиницю хлорофілу. При зростанні вмісту хлорофілу з 0,7 до 15,6 мг/г сирої маси (більш ніж у 20 разів) інтенсивність фотосинтезу збільшується всього у 2 рази, а асиміляційне число падає в 10 разів.

Дефіцит хлорофілу починає жорстко обмежувати фотосинтез тільки у двох несприятливих ситуаціях. Це відбувається при нестачі азоту в ґрунті або в занадто загущених посівах, де рослини відчувають дефіцит сонячного світла. Швидкість накопичення сухої речовини також сильно залежить від типу фотосинтезу конкретної культури.

Дихання як двигун мінерального живлення

Дихання рослин — це окиснювальний розпад органічних речовин із споживанням кисню та виділенням вуглекислого газу. Швидкість цього процесу називають інтенсивністю дихання. Її визначають за обсягом поглиненого кисню або виділеного вуглекислого газу за одиницю часу на 1 г сухої речовини. Дихання забезпечує рослину енергією і напряму запускає процес кореневого живлення.

У ході дихання утворюються катіони водню та аніони вугільної кислоти. Вони слугують обмінним фондом, завдяки якому коріння поглинає елементи живлення з ґрунту. Енергія, що виділяється, йде на активний транспорт іонів через клітинну мембрану (плазмалему). Крім того, кореневі виділення при диханні містять слабкі органічні кислоти, які переводять важкодоступні мінеральні елементи ґрунту в рухливу, легкозасвоювану для рослин форму.

Окиснювальний розпад глюкози при диханні виражається таким хімічним рівнянням:

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

Усі реакції дихання тісно пов'язані з процесами синтезу та побудови клітинних структур. Проміжні сполуки, що виникають при розпаді цукрів, використовуються клітинами як будівельний матеріал. Регулюючи умови вирощування за допомогою агроприйомів, можна створити оптимальний дихальний баланс і спрямувати енергію дихання на формування високого врожаю.

Дихання — це головний енергетичний двигун рослини, що забезпечує енергією всі процеси від росту клітин до поглинання елементів живлення з ґрунту. При повному окисненні однієї грам-молекули гексози поглинається 6 молекул кисню, виділяється еквівалентна кількість діоксиду вуглецю і води, а також вивільняється 2875 кДж енергії. Ця енергія виділяється не миттєво, а запасається поетапно у вигляді молекул АТФ. Весь процес дихання ділиться на три послідовні стадії: гліколіз, цикл Кребса та електрон-транспортний ланцюг (ЕТЛ).

• Енергія окиснення 1 г-моль гексози — 2875 кДж
• Споживання кисню на 1 г-моль — 6 молекул
• Вихід енергії при бродінні — 2 молекули АТФ

Гліколіз: дев'ять кроків анаеробного розпаду

Гліколіз, або цикл Ембдена-Мейєргофа-Парнаса, локалізований у цитоплазмі клітини і протікає без участі кисню. У ході цього процесу молекула глюкози розщеплюється до піровиноградної кислоти (пірувату). Весь шлях складається з дев'яти суворо послідовних ферментативних реакцій, кожна з яких готує субстрат до вилучення енергії.

1. Фосфорилювання глюкози. Гексокіназа переносить фосфатну групу від молекули АТФ на глюкозу з утворенням глюкозо-6-фосфату (реакція потребує витрат енергії АТФ із переходом її в АДФ).
2. Ізомеризація. Фосфоглюкоізомераза перетворює шестивуглецеве кільце глюкозо-6-фосфату на п'ятивуглецеве кільце фруктозо-6-фосфат.
3. Друге фосфорилювання. Фосфофруктокіназа приєднує до першого атома вуглецю фруктозо-6-фосфату ще одну фосфатну групу від АТФ, утворюючи фруктозо-1,6-дифосфат.
4. Розщеплення на тріози. Альдолаза розщеплює фруктозо-1,6-дифосфат на дигідроксіацетонфосфат і гліцеральдегід-3-фосфат. При цьому дигідроксіацетонфосфат під дією фосфатріозоізомерази повністю перетворюється на гліцеральдегід-3-фосфат.
5. Окиснення з відновленням НАД. Дві молекули гліцеральдегід-3-фосфату під дією дегідрогенази окиснюються, віддаючи водень для відновлення НАД у НАДН2, і перетворюються на дві молекули гліцерат-1,3-бісфосфату (перша реакція запасання енергії).
6. Перший синтез АТФ. Гліцерат-3-фосфаткіназа переносить фосфатну групу з гліцерат-1,3-бісфосфату на АДФ з утворенням АТФ і гліцерат-3-фосфату (ця реакція стимулює протікання попередніх етапів).
7. Внутрішньомолекулярне перенесення. Фосфогліцератмутаза перетворює гліцерат-3-фосфат на гліцерат-2-фосфат.
8. Дегідратація. Енолаза відщеплює молекулу води від гліцерат-2-фосфату, перетворюючи його на фосфоенолпіровиноградну кислоту (фосфоенолпіруват) з утворенням високоенергетичного фосфатного зв'язку.
9. Утворення пірувату. Піруваткіназа переносить фосфатну групу з фосфоенолпірувату на АДФ, утворюючи АТФ і нестабільну енолпіровиноградну кислоту, яка переходить у стійкий піруват (піровиноградну кислоту).

Розгалуження дихання: аеробне окиснення чи бродіння

Утворення піровиноградної кислоти завершує гліколіз, але подальша доля пірувату залежить від наявності кисню в тканинах рослини. При добрій аерації ґрунту піровиноградна кислота вільно дифундує в мітохондрії. Ці органоїди з подвійною мембраною і внутрішніми складками (кристами) містять повний набір ферментів для завершення дихального циклу.

У мітохондріях запускається цикл ди- і трикарбонових кислот, відомий як цикл Кребса. Тут піровиноградна кислота повністю окиснюється до вуглекислого газу і води, завершуючи розпад вуглеводів, жирів і білків. Цей шлях є найбільш вигідним для рослини, оскільки постачає максимальну кількість енергії у вигляді АТФ.

Якщо ж доступ кисню обмежений — наприклад, при затопленні поля, переущільненні ґрунту або утворенні кірки, дихання переходить на аварійний режим. Піруват не може окиснитися в мітохондріях і залишається в цитоплазмі. Рослина змушена використовувати резервний анаеробний шлях отримання енергії.

Окиснення піровиноградної кислоти відбувається у два етапи: 1) окиснювальне декарбоксилювання пірувату до ацетил-СоА і 2) окиснення залишку ацетил-СоА у циклі Кребса. Окиснювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти здійснюється за участю піруватдегідрогеназного мультиферментного комплексу, до складу якого входять три ферменти і п'ять коферментів. Коферментами слугують тіамінпірофосфат (ТПФ) – фосфорильована похідна вітаміну В1, ліпоєва кислота, коензим А, ФАД і НАД. Піровиноградна кислота взаємодіє з ферментом тіамінпірофосфат декарбоксилазою. При цьому відщеплюється СО2 і утворюється гідроксиетильна похідна ТПФ, яка вступає в реакцію з окисненою формою ліпоєвої кислоти. Дисульфідний зв'язок ліпоєвої кислоти розривається і відбувається окисно-відновна реакція: гідроксиетильна група, приєднана до одного атома сірки, окиснюється до ацетильної, а другий атом сірки ліпоєвої кислоти відновлюється. Утворена ацетилліпоєва кислота взаємодіє з коензимом А, виникають ацетил-СоА і відновлена форма ліпоєвої кислоти.

У результаті окиснювального декарбоксилювання піровиноградної кислоти утворюються ацетил-СоА, СО2 і НАДН. Ацетил-СоА втягується безпосередньо у цикл Кребса, що відбувається при його взаємодії з щавлевооцтовою кислотою. У цій реакції під дією ферменту цитратсинтетази утворюється лимонна кислота і звільняється молекула СоА. Процес синтезу лимонної кислоти стає можливим завдяки енергії окиснення ПВК. Подальшим перетворенням у циклі піддається не лимонна, а ізолимонна кислота, яка утворюється з лимонної через проміжне утворення цис-аконітової.

Реакції перетворення лимонної кислоти на цис-аконітову і далі на ізолимонну кислоту каталізуються аконітазою. Ізолимонна кислота під впливом НАД-залежної ізоцитратдегідрогенази окиснюється в нестійку сполуку – щавлеву кислоту, яка одразу ж декарбоксилюється з утворенням α-кетоглутарової кислоти. При цьому утворюється НАДН, а також перша в циклі і друга після початку метаболізації піровиноградної кислоти молекули СО2. Далі при окиснювальному декарбоксилюванні α-кетоглутарової кислоти

Відкритий у 1937 р. англійськими біохіміками Х. Кребсом і У. Джонсоном.

За допомогою α-кетоглутаратдегідрогеназного комплексу утворюється НАДН, сукциніл-СоА у присутності мінерального фосфору (Рм) і АДФ перетворюється на янтарну кислоту (сукцинат), що супроводжується утворенням АТФ у процесі субстратного фосфорилювання. Далі янтарна кислота під впливом сукцинатдегідрогенази, коферментом якої слугує ФАД, перетворюється на фумарову з утворенням НАДН2. Під час реакції фумарова кислота, реагуючи з водою у присутності ферменту фумаратгідратази, утворює яблучну кислоту (малат), яка потім за допомогою НАД-залежної малатдегідрогенази окиснюється в щавлевооцтову кислоту. Остання самовільно переходить в енольну форму, реагує з черговою молекулою ацетил-СоА і цикл знову повторюється. Перший етап розщеплення піровиноградної кислоти і реакції циклу Кребса відбуваються в матриксі мітохондрії.

Рис. 39. Цикл Кребса (цикл трикарбонових кислот)

Таким чином, під час циклу Кребса відбуваються такі перетворення:

• Споживаються: по одній молекулі ПВК, АДФ і ФАД, чотири НАД, дві молекули води.
• Синтезуються: чотири молекули НАДН, одна – АТФ, одна – ФАДН2, дві молекули води.
• Виділяється: три молекули СО2.

Цикл Кребса функціонує тільки в аеробних* умовах, хоча кисень безпосередньо не бере участі в його реакціях. Обходяться без кисню і реакції гліколізу, а між тим, як відомо, споживання кисню – характерна риса процесу дихання. Потреба в кисні виникає на заключному етапі процесу дихання, пов’язаному з окисненням відновлених коферментів нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАДН) і флавінаденіндинуклеотиду (ФАДН2), у яких міститься у формі електронів значна частка енергії, що знаходилася раніше в гексозі.

*Аеробний – такий, що потребує присутності молекулярного кисню.

Електрон-транспортний ланцюг. Вивільнення енергії відбувається шляхом передачі електронів від НАДН і ФАДН2 по електрон-транспортному ланцюгу (ЕТЛ) на вільний кисень, який слугує термінальним акцептором електронів. Першим переносником електронів в ЕТЛ є НАД; другим – флавінові ферменти, третім – цитохроми. Наприкінці ланцюга електрони захоплюються киснем і об’єднуються з протонами (іонами водню) з утворенням молекули води.

Згідно із сучасними уявленнями, дихальний ЕТЛ мітохондрій включає в себе чотири основні мультиензимні комплекси і два невеликих за молекулярною масою компоненти:

• Убіхінон – ліпід, що складається з бензохінону, з’єднаного з довгим гідрофобним ізопреноїдним бічним ланцюгом.
• Цитохром С – білкова молекула, що містить гем-залізопорфіринове кільце (рис. 40; Шеуджен А.Х., 2000).

Рис. 40. Дихальний електрон-транспортний ланцюг мітохондрій

Як дихання забезпечує рослину енергією: баланс АТФ

Дихання рослин — це багатоступеневий процес конвертації вуглеводів у доступну для клітин форму. Все починається з розщеплення глюкози до двох молекул пірувату (піровиноградної кислоти). Потім у мітохондріях піруват перетворюється на ацетильні групи, які втягуються в цикл Кребса. Тут вони послідовно окиснюються до вуглекислого газу, а вивільнені електрони передаються по електрон-транспортному ланцюгу (ЕТЛ) на кисень з утворенням води.

Електрон-транспортний ланцюг локалізований у внутрішній мембрані мітохондрій і працює як багатоступеневий конвеєр. Перенос електронів і спряжений з ним транспорт іонів водню здійснюють чотири великі білкові комплекси:

• Комплекс I (НАДН:убіхінон-оксидоредуктаза) здійснює перенос електронів від внутрішньомітохондріального НАДН до убіхінону Q. Комплекс є ФМН-залежним і містить три залізосірчані центри (FeSN1-3).
• Комплекс II (сукцинат:убіхінон-оксидоредуктаза) каталізує окиснення сукцинату убіхіноном. Ця реакція є ФАД-залежною і відбувається за участю трьох залізосірчаних центрів (FeSS1-3).
• Комплекс III (убіхінон:цитохром С-оксидоредуктаза) переносить електрони від відновленого убіхінону до цитохрому С. До його складу входять цитохроми b556, b560, c1 і залізосірчаний білок.
• Комплекс IV (цитохромоксидазний) — термінальна ділянка ланцюга, де електрони переносяться з цитохрому а-CuA на цитохром а3-CuB, а потім на кисень. Містить чотири редокс-компоненти: цитохроми а і а3, а також два атоми міді.

При повному аеробному окисненні однієї молекули глюкози рослина отримує 38 молекул АТФ. Практично всі вони, крім двох, утворюються в ході мітохондріальних реакцій. При цьому більша частина енергії (весь АТФ, крім чотирьох молекул) синтезується при окисненні НАДН2 і ФАДН2. Детальний енергетичний баланс за етапами представлений у таблиці.

Механізм фосфорилювання і реальна ефективність дихання

Для пояснення механізму окисного фосфорилювання запропоновано три теорії: хімічна, конформаційна і хеміосмотична. Найбільш визнаною сьогодні є хеміосмотична теорія. В її основі лежить уявлення про те, що синтез АТФ відбувається завдяки різниці концентрацій протонів по обидва боки внутрішньої мембрани мітохондрій.

Згідно з цією концепцією, при транспорті електронів по мембрані протони (іони Н+) викачуються з мітохондріального матриксу в зовнішній міжмембранний простір. Назад у матрикс вони можуть повернутися тільки через спеціальний канал, що містить ферментний комплекс АТФ-синтетази (АТФ-ази). Виникаючий електрохімічний градієнт і є рушійною силою, яка змушує фермент синтезувати АТФ з АДФ і неорганічного фосфату.

• Зв'язок АТФ (третя складноетерна фосфатна) — 42 кДж/моль (10 ккал/моль)
• Енергія 38 молекул АТФ — 1591 кДж/моль (380 ккал/моль)
• Вільна енергія окиснення глюкози — 2872 кДж/моль (686 ккал/моль)
• Теоретичний ККД накопичення енергії — 55 %