Лекция была посвящена дыханию растений. В учебниках распространено неточное определение дыхания, которое рассматривается как аэробный окислительный распад сложных органических соединений до простых неорганических, сопровождающийся выделением энергии. В этом определении помимо ряда неточностей имеется грубая ошибка, наказуемая двойкой ещё в средней школе .СО2 и Н2O являются сложными веществами, поскольку их молекулы состоят из атомов более, чем одного элемента. Другой неточностью является неопределённое высказывание о выделении энергии. Дело в том, что при горении органическое вещество также окисляется до неорганических продуктов с выделением энергии в виде тепла! Дыхание отличается от горения своей сложностью, многостадийностью, а также тем, что выделяющаяся в процессе дыхания энергия не вся рассеивается в окружающей среде в форме тепла, но, в значительной мере, запасается в полезной для организма химической форме. Наконец, в общем определении дыхания не следует использовать термин аэробный поскольку известно несколько вариантов анаэробного дыхания, например сульфатное, нитратное. Итак, корректное и наиболее общее определение дыхания, на наш взгляд, должно быть таким: Дыхание представляет собой осуществляемый живыми организмами окислительный распад органических веществ на неорганические, сопровождаемый выделением энергии, значительная часть которой может быть преобразована в полезную химическую форму. В отличие от дыхания, брожение представляет собой осуществляемый живыми организмами анаэробный процесс неполного окисления органических веществ до опять же органических веществ, сопровождаемый выделением относительно небольшого количества энергии, которая может быть преобразована в полезную химическую форму.
Если после Лавуазье, занимавшегося изучением дыхания ещё в конце XVIII века, научились отличать дыхание от горения, то различать дыхание и брожение стали значительно позже. Дело в том, что опыты с гомогенатами животных и растительных тканей, проводившиеся в анаэробных условиях с метиленовой синью, показали, что окисление органических веществ гомогената и восстановление метиленовой сини до бесцветного состояния свидетельствует о существовании окислительных процессов, протекающих без участия кислорода. Было также показано, что, начавшись в анаэробных условиях, окисление завершается при восстановлении доступа О2. Так возникли ранние представления о двух фазах дыхания: первой, анаэробной, и второй, аэробной. Первоначально, ошибочно считали, что анаэробная фаза дыхания представляет собой один из видов брожения. В соответствии с этой точкой зрения, в растительных тканях сахара сбраживаются до этанола или молочной кислоты, а эти промежуточные продукты аэробно окисляются до СО2 и Н2O. Усилиями отечественных исследователей, в частности Костычева, удалось показать, что конечным продуктом анаэробной фазы дыхания является пировиноградная кислота, а отнюдь не этиловый спирт и не молочная кислота. Анаэробная фаза дыхания была расшифрована в 30-х годах XX века немцами Эмбденом и Мейергофом, а также советским биохимиком Я.Парнасом. Она получила название гликолиз (буквально - расшепление углевода) . Установлено, что гликолиз протекает в три этапа: активация окисляемого субстрата, первое субстратное фосфорилирование и второе субстратное фосфорилирование. Студентам надо знать в чём состоит активация, сколько молекул АТФ на неё затрачивается и какие первичные продукты расщепления сахара образуются. Необходимо понимать,что субстратным фосфорилированием называется такой его тип, при котором макроэргическая связь сначала образуется на промежуточном субстрате окисления, а затем она используется для синтеза АТФ. Надо запомнить, что конечным продуктом гликолиза является пировиноградная кислота. К сожалению, в некоторых капитальных трудах по биохимии, например у А.Ленинджера в его книге "БИОХИМИЯ", М., Мир, 1974, на странице 379 конечным продуктом гликолиза провозглашается лактат, что совершенно неверно!
Теперь - о вычислении энергетического выхода гликолиза. Чтобы определить его правильно, надо не забывать, что молекула гексозы на первом этапе анаэробной фазы дыхания дважды фосфорилируется, чтобы затем, с помощью фермента альдолазы, расщепиться на две триозы. Поскольку в учебных схемах обычно прослеживается путь окисления лишь одной триозы из двух образовавшихся, студент нередко забывает, что окисление второй триозы даст такие же продукты, что и первой. Именно по этой причине гликолитический путь окисления сахаров называют ещё дихотомическим путём. Итак, окисление каждой из двух триоз, образовавшихся на этапе активации глюкозы, приведёт к синтезу одной молекулы АТФ в первом субстратном фосфорилировании и ещё одной - во втором. Следовательно, правильный ответ на вопрос "Сколько молекул АТФ образуется в ходе гликолиза, в рассчете на одну молекулу окисляемой глюкозы?" будет следующим: "В рассчете на одну молекулу окисляемой глюкозы в гликолизе синтезируется 4 молекулы АТФ, но, поскольку на активацию глюкозы затрачено 2 молекулы АТФ, то чистый выход гликолиза составляет лишь 2 молекулы АТФ" Иногда приходится слышать, что энергетический выход гликолиза в аэробных условиях составляет 8 молекул АТФ. Имеется в виду, что в ходе первого субстратного фосфорилирования кроме АТФ образуется НАДН+Н+. Окисление последнего электрон-транспортной цепью обеспечивает образование до 3АТФ на каждую из двух НАДН+Н+. В этом смысле говорить об энергетическом выходе гликолиза конечно можно, но нельзя утверждать, что 8АТФ образуются в ходе этого процесса. Итак, полезный баланс гликолиза составляет 2АТФ и 2 НАДН+Н+.
Подчеркнём, что гликолиз, являясь анаэробной фазой дыхания, не является анаэробным дыханием, как таковым. Гликолиз - процесс, требующий продолжения. В аэробных условиях его продолжением является аэробная фаза дыхания, а в анаэробных - разные виды брожения. "Узким местом" гликолиза является реакция первого субстратного фосфорилирования, в которой образуется НАДН+Н+. Эта реакция требует постоянного поступления окисленного переносчика водорода, а именно НАД. Если кислорода нет и электрон-транспортная цепь не может окислять НАДН+Н+, то все реакции, где этот восстановитель образуется моментально останавливаются. Чтобы этого не произошло, в анаэробных условиях активируется, например, лактатдегидрогеназа, которая передаёт водород от НАДН+Н+ на пировиноградную кислоту. Таким образом, активируется один из видов брожения. Восстановление пировиноградной кислоты ведёт к образованию кислоты молочной, и, что особенно важно, к окислению НАДН+Н+ до НАД. Гликолиз может продолжать свою работу. Таким образом, пировиноградная кислота является конечным акцептором электрона и протона в молочнокислом брожении.
К большому сожалению, авторы некоторых учебников , создавая специальные главы, посвященные анаэробному дыханию, сами путают такие понятия, как анаэробное дыхание и анаэробная фаза дыхания. Хуже того, в главе, "АНАЭРОБНОЕ И АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ" учебника Н,Н,Третьякова и соавторов, изданного в 1998 году, речь об анаэробном дыхании вообще не ведётся, а обсуждается химизм брожения! Сомневаюсь, что уважаемый автор мог спутать те понятия, значение которых давным-давно разъяснил С.П.Костычев, но факт остаётся фактом: об анаэробном дыхании в упомянутом учебнике не сказано ни слова. Чтобы исключть подобные недоразумения отсылаю читателей к адресу: http://ru.wikipedia.org/wiki/Анаэробное_дыхание. Обращаю особое внимание на то, что в Википедии упор сделан на варианты анаэробного дыхания у прокариот. Между тем, многие растения в условиях гипоксии и аноксии также переходят на использование альтернативных кислороду акцепторов электронов и, прежде всего, нитратов. Нитратное дыхание в корневых системах растений на переувлажнённых почвах - хорошо известное и давно установленное явление.
Аэробная фаза дыхания включает в себя: окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл Кребса и окислительную электрон-транспортную цепь. Кислород поглощается на заключительном этапе. O2 является конечным акцептором электрона и протона в аэробном варианте дыхания. В результате акцептирования упомянутых агентов, образуется молекула воды. Студентов часто ставит в тупик вопрос, задаваемый на экзамене:"Если в цикле Кребса не происходит поглощения кислорода, то почему же этот процесс относят к аэробной фазе дыхания?" Надо понять, что в цикле Кребса образуются восстановительные эквиваленты в виде НАДН+Н+ и ФАДН2. В анаэробных условиях они не могут окисляться электрон-транспортной цепью, в результате чего цикл Кребса останавливается из-за отсутствия их окисленных форм: НАД и ФАД. По той же причине останавливается окислительное декарбоксилирование пирувата. Студентам необходимо знать последовательность этапов аэробной фазы, их локализацию в клетке, энергетический выход, а также основные метаболиты и полезные продукты каждого из этапов.
Окислительный пентозофосфатный путь имеет особое значение среди процессов дыхания. Он работает не на проидукцию энергии, а на обеспечение биосинтетических процессов восстановителем - НАДФН+Н+. Это вещество само не окисляется электрон-транспортной цепью, хотя, с помощью фермента трансгидрогеназы может быть превращено в НАДН+Н+, которое, как известно, окисляясь может обеспечить синтез до трёх молекул АТФ в ходе окислительного фосфорилирования. Студентам необходимо понимать значение пентозофосфатного пути, знать места его локализации в клетке, уметь устанавливать связи между пентозофосфатным путём и другими процессами дыхания.
Рассказывая о работе электрон-транспортной цепи, нужно объяснить причины возникновения трансмембранной разности потенциалов, обсудить особую роль убихинона, мембранной АТФазы, знать несколько основных переносчиков электронов цепи.