332_p1466_C1_7726

ДЫХАНИЕ

Дыхание – это система окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых в аэробных условиях происходит разложение сложных органических соединений (белков, жиров, углеводов) до углекислого газа и воды, сопровождающееся синтезом АТФ, необходимого для всех процессов жизнедеятельности организма. Согласно теории биологического окисления, в процессе дыхания происходит поэтапное окисление субстратов способом переноса электронов и протонов от донора к акцептору (но не в результате присоединения кислорода к окисляемому субстрату, как это происходит при горении). Условно процесс дыхания разбивают на два этапа: 1) активация водорода (электрона) субстрата и перенос его на промежуточный акцептор в бескислородных условиях (анаэробный процесс); 2) перенос электронов и протонов от промежуточных акцепторов (коферменты НАДН2, ФАДН2, НАДФН2) на конечный (кислород), или активация кислорода (аэробный процесс).

Основные термины и понятия, необходимые для изучения

Метаболизм; анаболизм и катаболизм; биологическое окисление; дыхание и брожение (генетическая связь); энергетическая валюта клетки.

Пути дыхательного обмена; дыхательный коэффициент; анаэробная и аэробная фазы дыхания; дихотомический и апотомический пути окисления глюкозы; фазы гликолиза; субстратное фосфорилирование; окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты; цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса), накопление восстановительного потенциала в виде восстановленных коферментов; дыхательная ЭТЦ, окислительное фосфорилирование; хемиосмотическая теория сопряжения Митчелла; структура и принцип работы АТФ-синтазного комплекса (ротационный механизм); энергетический выход аэробного и анаэробного путей дыхания.

Окислительный пентозофосфатный путь дыхания, физиологическое значение, энергетический выход.

Глюконеогенез; глиоксилатный цикл как составная часть глюконеогенеза.

Интенсивность дыхания; эндогенная регуляция дыхания; экзогенная регуляция дыхания; эффект Пастера.

31

Работа 1

ОБНАРУЖЕНИЕ ДЕГИДРОГЕНАЗ В РАСТЕНИЯХ

Основными ферментами, катализирующими процессы переноса протонов и электронов от донора к акцептору, являются дегидрогеназы (ферменты из класса оксидоредуктаз). В настоящее время известно более 150 видов дегидрогеназ, подразделяющихся на аэробные дегидрогеназы (работают в присутствии кислорода) и анаэробные.

Для демонстрации механизма работы дегидрогеназ в процессе дыхания можно использовать модельный лабораторный эксперимент, в котором в качестве донора протонов служат органические вещества в составе растительного материала, а акцептором – метиленовая синь, которая при восстановлении переходит в бесцветную лейкоформу:

R-H2 + M = R + M-H2,

где R-H2 – восстановленная форма субстрата; М – метиленовая синь;

R – окисленный субстрат;

M-H2 – лейкоформа метиленовой сини.

В аэробных условиях при соприкосновении восстановленной лейкоформы метиленового красителя с кислородом происходит ее самопроизвольное окисление до исходной формы и синефиолетовое окрашивание красителя восстанавливается: 2М-Н2 + + О2 = 2М + 2Н2О. В данной реакции дегидрогеназы не участвуют.

Ход работы

1.Очистить от кожуры 10 наклюнувшихся семян гороха, разделить их на семядоли и поместить в фарфоровую чашку.

2.Вырезать из клубня картофеля 10 одинаковых кусочков и поместить во вторую фарфоровую чашку.

3.В первую пробирку поместить 5 кусочков клубня картофеля, во вторую – 10 семядолей гороха. В обе пробирки налить воды и в течение 3 мин прокипятить над пламенем спиртовки для дезактивации дегидрогеназ (эту операцию можно провести в колбах на электроплитке). Затем воду из пробирок слить и остудить материал до комнатной температуры.

4.В третью и четвертую пробирки поместить оставшийся растительный материал. Во все четыре пробирки налить раствор метиленовой сини и оставить на 10 мин.

5.Затем раствор красителя аккуратно слить из пробирок в кол-

32

бочку. Тщательно промыть материал в пробирках под краном.

6.Промытый растительный материал залить до краев пробирок дистиллированной водой и закрыть пробками (во избежание кон-

такта с кислородом воздуха). Затем поставить пробирки в водяную баню при температуре 25–30 °С и следить за изменением окраски (обесцвечиванием окрашенного материала) в течение 15–20 мин.

7.Аккуратно слить из пробирок всю воду и высыпать растительный материал в фарфоровые чашки. Наблюдать за восстановлением синего окрашивания под действием кислорода воздуха.

8.Результаты наблюдений занести в таблицу, проанализировать полученные результаты и объяснить изменение окраски растительного материала.

Работа 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ДЫХАНИЯ (ПО БОЙСЕН-ЙЕНСЕНУ)

Интенсивность дыхания можно определить по количеству углекислого газа, выделяемого при дыхании единицей массы (1 г) в единицу времени (1 ч) в соответствии с общим уравнением:

С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 674 ккал.

Метод основан на учете углекислого газа, выделяемого в процессе дыхания растением, находящимся в замкнутом сосуде. Указанным методом можно определить интенсивность дыхания покоящихся и прорастающих семян, изучить влияние температуры на дыхание и др.

Ход работы. Опыт проводится в конических колбах объемом 300 мл. Перед опытом 3 колбы в течение 15–20 мин держать открытыми. Затем их одновременно закрыть пробками, в которых имеются отверстия, закрытые стеклянными палочками. Одна колба явля-

33

ется контрольной для учета СО2, содержащегося в воздухе до опыта, в две другие поместить семена. Вынув стеклянные палочки из пробок, в колбы налить по 20 мл 0,02N раствора Ва(ОН)2 и 2–3 капли фенолфталеина. Затем колбы быстро закрыть. Приоткрыв опытные колбы, поместить туда марлевые мешочки с навесками (4–5 г) семян пшеницы, ржи или ячменя. Мешочки подвесить на проволочные крючки, имеющиеся на внутренних сторонах пробок. Колбы плотно закрыть и поставить в определенные условия: при комнатной температуре или в термостат. При работе с зелеными частями растений колбы надо поместить в темноту.

Для того чтобы на поверхности жидкости не образовывалась пленка ВаСО3, колбы периодически осторожно встряхивать. Через 30 мин мешочки с семенами быстро вынуть, и колбы снова закрыть пробками. Контрольную колбу также приоткрыть на несколько секунд. За время опыта в колбах, содержащих семена, углекислый газ, выделяющийся при дыхании, реагирует с баритом по уравнению:

Ва(ОН)2 + СО2 = ВаСО3 + Н2О.

Избыток едкого бария, а его должно остаться не меньше половины, титровать раствором НСl (0,2N) до исчезновения розовой окраски. Разность между объемом раствора НСl, пошедшим на титрование барита в контрольной и опытных колбах, умноженная на 0,44 мг – количество СО2, которому соответствует 1 мл раствора Ва(ОН)2 (0,02N) – покажет количество углекислого газа, которое выделили семена при дыхании. Высчитать интенсивность дыхания в миллиграммах СО2, выделенного 1 г семян за 1 ч. Перед работой необходимо проверить титр раствора барита по соляной кислоте.

Результаты опыта занести в таблицу:

34

Работа 3

ПОТЕРЯ СУХОГО ВЕСА ПРИ ПРОРАСТАНИИ СЕМЯН

Интенсивность дыхания определяют, измеряя количество поглощенного клетками кислорода или выделенной углекислоты, или окисленного органического вещества. Наиболее удобный объект для учета количества израсходованных на дыхание органических веществ – прорастающие семена. Проращивание ведут в темноте на влажных опилках, т. е. в условиях, исключающих возможность как почвенного, так и воздушного питания. По истечении определенного времени проростки высушивают и взвешивают. Для определения исходного сухого веса необходимо использовать другую порцию таких же семян, поскольку высушивание при высокой температуре убивает зародыши и делает семена невсхожими.

Ход работы. Поместить на чашку весов 10 здоровых и по возможности одинаковых семян и уравновесить их второй порцией из 10 таких же семян. Одну порцию поместить на 1–2 ч в сосуд с небольшим количеством воды, чтобы вызвать набухание семян. Вторую порцию семян взвесить, поместить в бюкс, высушить при температуре 100–150 ºС, ох ладить в эксикаторе и определить абсолютно сухой вес.

Наполнить стакан, снабженный этикеткой, влажными и отжатыми от избытка воды опилками, отсыпать часть опилок, разложить набухшие семена и покрыть их сверху опилками, которые следует слегка уплотнить. Поместить стакан в темноту и ежедневно поливать водой.

Через неделю извлечь проростки из опилок (чтобы не повредить корни, в стакан следует налить воды), тщательно промыть корни, обсушить проростки фильтровальной бумагой и определить сырой вес. Поместить проростки в пакет из фильтровальной бумаги, высушить до абсолютно сухого веса и взвесить. Если проросли не все семена, то учитывают только проросшие, а затем пересчитывают результаты на то количество семян, которое было посеяно.

Результаты опыта занести в таблицу:

35

Сделать вывод о причинах изменения сырого и сухого веса при прорастании семян.

ЗАДАЧИ

1.В две колбы налито одинаковое количество раствора

Ва(ОН)2. Колбы плотно закрыты пробками с крючками, к которым подвешены марлевые мешочки с одинаковыми навесками проросших и непроросших семян. По истечении одинакового времени раствор в колбах протитровали соляной кислотой. На титрование какой колбы пойдет больше кислоты? Объясните.

2.Интенсивность дыхания листьев определялась методом просасывания. Навеска листьев составляла 22 г, экспозиция 40

мин, количество раствора Ва(ОН)2 в поглотителе 100 мл, взято на титрование 20 мл раствора, пошло на титрование 16 мл соляной кислоты. На титрование 20 мл исходного раствора барита пошло 18 мл HCl. Вычислить по приведенным данным интенсивность дыхания, если известно, что 1 мл HСl эквивалентен 2,2 мг СО2.

3.15 г почек выделили за 30 мин 3 мг СО2. Определить интенсивность дыхания на 1 г сухого веса в час, если известно, что содержание воды в почках составляет 60 % к сырому весу.

4.Сколько СО2 выделит 1 кг семян за 10 суток, если известно, что интенсивность дыхания этих семян равна 0,1 мг СО2 на 1 г сухого веса в час, а содержание воды в семенах 37,5 %?

5.Некоторые считают, что вредно оставлять в комнате на ночь цветы, так как они поглощают кислород, необходимый для дыхания человека. Чтобы ответить на вопрос, насколько обоснованно это мнение, подсчитайте, до какой величины снизится со-

держание О2 против обычного (21 % по объему) в воздухе комнаты объемом 45 м3 в течение 10 ч за счет дыхания растений, имею-

щих общий вес 2 кг и среднюю интенсивность дыхания 12 мг О2 на 1 г в сутки.

36

6.Были взяты 2 навески семян по 10 г каждая. Одну навеску высушили при 100 ºС для определения абсолютно сухого веса, который оказался равным 8,8 г. Вторую порцию семян проращивали

втечение двух недель в темноте на чистом песке, смоченном дистиллированной водой. Полученные проростки имели сырой вес 21,7 г, а абсолютно сухой 7,6 г. Как объяснить изменения сырого и абсолютно сухого веса, имевшие место в процессе прорастания?

7.В 2 сосудика аппарата Варбурга поместили одинаковые навески семян. В стаканчик, впаянный в среднюю часть одного из сосудов, налили крепкий раствор КОН, после чего оба сосудика соединили с манометрами. Как будет изменяться уровень манометрической жидкости, если: а) дыхательный коэффициент семян равен единице; б) дыхательный коэффициент равен 0,7?

8.Зеленый лист на свету при температуре 25 °С интенсивно поглощал СО2, а при повышении температуры до 40 °С начал выделять углекислоту. Как объяснить отмеченное изменение газооб-

мена листа? Почему интенсивность дыхания клубней картофеля резко повышается при понижении температуры от 3 до -1 °С?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Охарактеризуйте значение процесса дыхания в жизнедеятельности растительного организма.

2.Какие основные пути дыхания различают? В чем их значение?

3.Составьте схему преобразования энергии в процессе аэробного дыхания.

4.В чем сходство и различие субстратного фосфорилирования мембранного типа как двух форм окислительного фосфорилирования?

5.Перечислите, в какие метаболические пути может включаться конечный продукт гликолиза ПВК.

6.Охарактеризуйте кратко глиоксилатный путь дыхания.

7.Как связано дыхание с азотным обменом растений?

8.Из какого промежуточного продукта дыхания образуются жирные кислоты?

9.Составьте схему, иллюстрирующую центральную роль цикла Кребса в клеточном метаболизме.

37

ТЕСТЫ

1. К катаболическим (диссимиляционным) процессам относится:

а) фотосинтез б) трансляция в) брожение г) транскрипция

д) азотфиксация

2. Согласно современной теории биологического окисления в процессе дыхания происходит:

а) присоединение кислорода к субстрату б) передача электронов от донора к акцептору в) передача протонов от донора к акцептору

г) передача протонов и электронов от донора к акцептору д) высвобождение кислорода из субстрата

3. Балансовое уравнение С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О реально протекающей при дыхании химической реакцией:

а) является б) не является

4. Процесс восстановления кислорода из воды и окисления субстрата до СО2 в ходе внутриклеточного дыхания:

а) разделены во времени протекания б) разделены в пространстве в) разделены во времени и пространстве

г) объединены во времени протекания и в пространстве

5. Макроэргические связи в молекуле АТФ образованы:

а) остатками фосфорной кислоты б) аминогруппой в аденине в) группами ОН в рибозе г) связью аденина с рибозой

д) связью рибозы с остатками фосфорной кислоты

6. В процессе дыхания АТФ образуется в результате фосфорилирования:

а) окислительного б) окислительного и субстратного

в) окислительного, субстратного и фотофосфорилирования г) восстановительного

7. Основным поставщиком АТФ на восстановительный пентозофосфатный цикл (образование глюкозы) в растительной клетке является:

38

а) дыхание б) брожение

в) свободное окисление г) световая фаза фотосинтеза

8.Процесс, являющийся начальной стадией как дыхания, так

иброжения:

а) субстратное фосфорилирование б) окислительное декарбоксилирование ПВК в) гликолиз г) образование ацетил-КоА

д) образование молочной кислоты

9. Конечными акцепторами электронов и протонов при брожении являются:

а) кислород б) вода

в) различные органические вещества

г) СО2 д) коферменты НАД+ и НАДФ+

10. Аэробную фазу брожения составляет:

а) окислительное фосфорилирование б) окислительное декарбоксилирование ПВК в) гликолиз г) гидролиз сахаров

д) ни один из перечисленных

11. Вещество, являющееся промежуточным продуктом окисления субстрата и при дыхании, и при брожении:

а) ацетил-КоА б) глюкоза в) ПВК

г) молочная кислота д) ЩУК

12. Если в ходе дыхания количество выделившегося в единицу времени СО2 было равно количеству поглощенного кислорода, то субстратом служили:

а) углеводы б) белки в) жиры

г) органические (карбоновые) кислоты

13. Величина дыхательного коэффициента растительной клетки свидетельствует о:

а) эффективности (КПД) дыхания

39

б) интенсивности дыхания в) природе основного субстрата дыхания (типе дыхательного

обмена)

г) пути окисления глюкозы

14. Подмороженный картофель приобретает сладковатый вкус после размораживания в результате активации:

а) гидролиза б) гликолиза в) цикла Кребса г) брожения

д) глюконеогенеза

15. Функцию окисления субстратов при брожении и дыхании выполняют ферменты:

а) дегидрогеназы б) декарбоксилазы в) оксидазы г) изомеразы д) синтетазы

16. Конечным акцептором электронов и протонов при дыхании является:

а) кислород б) вода

в) органические кислоты г) глюкоза

д) СО2

17. Непосредственными донорами электронов на электронтранспортную цепь дыхания в митохондриях служат:

а) Н2О и О2 б) Н2О и НАДН2

в) НАДН2 и НАДФН2

г) НАДН2 и ФАДН2 д) Н2О и С6Н12О6

18. С кислородом воздуха на ЭТЦ дыхания непосредственно реагирует:

а) убихинон б) цитохром а в) цитохром с

г) цитохромоксидаза д) флавиновая дегидрогеназа

19. Процессы, общие при дыхательном окислении любого субстрата:

40