Зависимость интенсивности дыхания растительных продуктов от температуры (стр. 2 из 8)

Как правило, процессы дыхания происходят в митохондриях клеток. Каждая стадия дыхания осуществляется мультиферментной системой, закрепленной на внутренней митохондриальной мембране. Около 1/4 белков внутренней мембраны являются ферментами, участвующими в переносе электронов и окислительном фосфорилировании. К ним относятся флавопротеиды, цитохромы, ферменты, участвующие в образовании АТФ.

Флавопротеиды и цитохромы располагаются в мембране в виде отдельных групп, каждая из которых содержит все необходимые ферменты и функционирует самостоятельно. Такие группы, называемые дыхательными ансамблями, равномерно распределены по всей плоскости мембраны. Они весьма чувствительны к действию различных внешних воздействий. Под влиянием низких температур, ядов, ионизирууэщей радиации нарушается целостность митохондриальных мембран, и в этом случае сопряжение дыхания утрачивается, или происходит разобщение дыхания. Процессы фосфорилирования более чувствительны. Поэтому при разобщении дыхания окислительные процессы часто не нарушаются, но при этом энергия окисления не превращается в энергию АТФ, а рассеивается в форме тепла.

Разобщение дыхания представляет собой необратимый процесс, являющийся признаком гибели клетки. Однако растительные ткани вследствие наличия у них специальных приспособительных механизмов способны переносить неблагоприятные внешние условия.

Дыхательные процессы, протекающие в клетках, обладают рядом особенностей, обусловленных тем, что продукты растительного происхождения лишены стабильной внутренней среды, например парциального давления кислорода и углекислого газа, температуры, и изменяются под действием непостоянных

и крайне изменчивых факторов внешней среды.

Б. А. Рубин считает, что для структуры аппарата растений характерны три принципиальные особенности:

1. Принцип множественности (мультипринцип) при построении окислительных систем, обусловленный тем, что в клетке имеется, как правило, не один, а несколько ферментов, выполняющих одну и ту же функцию.

2. Полифункциональность каталитических систем, или наличие ферментов, обладающих не одним, а несколькими свойствами.

3. Рассредоточенность (делокализованность) аппарата.

Вследствие этих особенностей процессы окисления биологических объектов могут осуществляться различными путями, или, как говорят, для растительных тканей характерно наличие альтернативных механизмов окислительного обмена, что играет исключительную роль как фактор адаптации, обусловливающий способность тканей сохраняться и нормально функционировать в условиях изменчивой внешней среды, а также при действии различных неблагоприятных факторов.

Схема окисления дыхательного субстрата в клетках разных тканей различна и зависит от их физиологического состояния и условий существования. Так, в отдельные периоды жизненного цикла плодов, например при созревании, клетки нуждаются в дополнительном притоке энергии. При этом в качестве дополнительного дыхательного субстрата используется янтарная кислота, окисление которой происходит более коротким путем, минуя НАД, непосредственно через ФП на КоQ. При этом сукцинатдегидрогеназа, относящаяся к флавиновым ферментам, строго специфична по отношению к янтарной кислоте. Обладая способностью акцептировать водород непосредственно от субстрата и передавать его на КоQ, сукцинатдегидрогеназа образует боковую транспортную цепь окисления.

Кроме того, в клетках имеются альтернативные окислительные механизмы, образующие сопряженные цепи с флавопротеиновыми ферментами и цитохромами. Среди них главную роль играют оксидазы, содержащие в молекуле ионы железа или меди.

В группу Fe-протеидов наряду с флавопротеиновыми ферментами и цитохромами входят каталаза и пероксидаза. В прохождении дополнительного, альтернативного, пути окисления особенно велика роль пероксидаз, разлагающих перекись водорода с освобождением активного атомарного кислорода. Пероксидазы, встречающиеся в клетках продуктов растительного происхождения, весьма многочисленны и окисляют различные вещества, в том числе практически все фенолы, ароматические амины и аскорбиновую кислоту. Их активность возрастает при изменении условий внешней среды. Так, в паренхимной ткани плодов при пониженных температурах хранения или недостаточной обеспеченности кислородом происходит возрастание активности пероксидазы.

К группе Сu-протеидов относятся различные полифеноло-ксидазы и аскорбиноксидаза. В основе их действия лежит обратимое окисление одновалентной меди в двухвалентную.

Полифенолоксидазы представляют собой ферменты, окисляющие в присутствии молекулярного кислорода различные фенолы и их производные с образованием соответствующих хинонов. Полифенолоксидазы катализируют прямое окисление субстратов атмосферным кислородом и участвуют в различных окислительных процессах, в том числе в окислении аминокислот, полипептидов, белков и аскорбиновой кислоты. Активность полифенолоксидаз возрастает при механическом повреждении плодов, воздействии низких температур, кристаллизации воды при замораживании и т. д.

Потемнение мякоти многих плодов (яблок, груш, абрикосов и др.), а также клубней картофеля, наблюдаемое при разрезании, очистке и механическом повреждении, происходит вследствие возрастания активности полифенолоксидаз и нарушения координации реакций окисления и восстановления, в результате чего в ткани накапливаются стойкоокрашенные продукты.

Аскорбиноксидаза обладает строгой специфичностью по отношению к субстрату и окисляет l-аскорбиновую кислоту, превращая ее в дегидроформу. Являясь переносчиком водорода, аскорбиновая кислота тесно связана со всей системой ферментов, участвующих в дыхательных процессах.

Полифенолоксидазы и аскорбиноксидаза принимают участие в окислительных процессах на заключительном этапе дыхания, заменяя цитохромы.

На рис. 2 показаны возможные альтернативные пути процесса окисления, которые в. растительных клетках происходят различным образом в зависимости от видовых особенностей ткани, физиологического состояния данного органа, условий внешней среды и других факторов.

Различная активность оксидаз в условиях измененной газовой среды представлена на рис. 3.

Наибольшее сродство к кислороду имеет цитохромоксидаза, ее действие проявляется при содержании кислорода в атмосфере всего 1 %. Глубинные слои паренхимной ткани плодов и овощей, для которых характерно пониженное содержание кислорода, более богаты цитохромоксидазой, нежели поверхностные.

Рис. 2. Альтернативные пути окисления

Ферменты, участвующие в альтернативных процессах окисления, локализованы в различных структурных элементах клетки. Пероксидазы, полифенолоксидазы, аскорбиноксидаза сосредоточены главным образом в цитоплазме; вся система ферментов, обеспечивающая окислительное фосфорилирование, обнаружена в ядрах и хлоропластах. Благодаря такой делокализации ферментов дыхательной цепи практически все структурные составляющие клетки могут быть источниками того или иного количества энергии и использоваться ею в зависимости от условий внешней среды.

О характере и интенсивности дыхания судят по количеству выделяемого клетками углекислого газа либо по величине дыхательного коэффициента ДК:

ДК=Vсо,/Vо„ где Vco, Vo - объемы выделившегося углекислого газа и поглощенного кислорода.

Величина дыхательного коэффициента определяется прежде всего химической природой субстрата. При окислении углеводов ДК=1 в соответствии с суммарным уравнением окисления глюкозы

С Н О + 60 -> 6СО + 6Н О + Q.

Число выделившихся грамм-молекул углекислого газа равно числу поглощенных грамм-молекул кислорода, а согласно закону Авогадро грамм-молекулы всех газов занимают одинаковый объем.

При дыхании число выделившихся молекул углекислого газа равно числу атомов углерода в молекуле субстрата. Поэтому число использованных молекул кислорода на атом углерода в субстрате возрастает с увеличением числа Н-атомов и снижается с увеличением содержания O-атомов в молекуле субстрата.

Если субстратами дыхания являются высшие карбоновые кислоты или аминокислоты, относительно богатые водородом и бедные кислородом, то ДK<1. Для жиров ДК~0,7, для белков ДК~0,8. В качестве примера приведем окисление стеариновой кислоты:

С Н О + 26O -»18СО + 18Н О; ДК = 18/26 = 0,69.

Если дыхание происходит с использованием низших ди- и трикарбоновых кислот (яблочной, лимонной, винной и щавелевой), богатых кислородом, то ДК>1.

Так, при окислении яблочной кислоты

С Н О + ЗО -» 4СО + ЗН О; ДК. = 4/3 = 1,33.

Интенсивность дыхания и соответственно величина дыхательного коэффициента молодых развивающихся тканей, например меристематических, тканей прорастающих семян выше, чем зрелых плодов. У тканей одного и того же плода или овоща интенсивность дыхания периферических тканей, как правило, выше.

Ниже приведена интенсивность дыхания [в мг СO2/(г*сут)] различных тканей при температуре 15—20 °С.

12,4 69,3 10,62,45 11,3 13,8 3,8

Лимон

целые плоды

кожура

мякоть

Картофель

целые клубни

кожица

покоящиеся глазки

мякоть

При понижении температуры интенсивность дыхания плодов снижается и соответственно дыхательный коэффициент уменьшается. Так, по данным Ф. В. Церевитинова, дыхательный коэффициент для яблок сорта Канада составляет 1,14 при 30 °С и 0,88 при 0 °С. У большинства продуктов растительного происхождения дыхание прекращается при температуре около —10 °С. У растений, переносящих в естественных условиях суровые зимы, дыхание отмечается при —20°С и более низких температурах.