Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Дихання
Розвиток уявлень про природу механізмів та шляхи окислювально-відновних перетворень у клітині

Початком розвитку вчення про дихання слід вважати останню чверть XVIII ст., коли в результаті робіт Д. Прістлі, А. Лавуазье було встановлено газовий склад повітря. Вперше в 1780 р. Я. Інгенхауз показав, що зелені рослини поглинають також О₂ та виділяють СО₂ Пізніше Н. Соссюр, якого вважають основоположником вчення про дихання, показав, що виділення СО₂ та поглинання О₂ спостерігається в зелених частинах рослин тільки в темряві (це спірне положення), тоді як у незелених — і в темряві, і на світлі. В XIX — і на початку XX ст. багато нового в загальнотеоретичне уявлення про дихання внесли І.П. Бородін, О.М. Бах, В.І. Палладій, С.П. Костичев, а серед зарубіжних — О. Варбург, Г. Віланд та інші.

Спільні зусилля вчених XIX ст. дозволили запропонувати наступне загальне рівняння даного процесу:

Якщо вихідним субстратом для дихання є білки або жири, а не вуглеводи, то енергетичний ефект буде іншим. Вважають, що при спалюванні 1 г вуглеводів виділяється в середньому 17 кДж, тоді як 1 г жирів — 39 кДж. Однак це рівняння не відображає всієї складності хімізму процесу дихання та його проміжних етапів.

Починаючи з двадцятих років нашого століття значний вклад, в розвиток пізнання природи та ензиматичних механізмів дихання внесли Д. Кейлін, Г. Ембден, X. Кребс, А. Сентдьйорді, С. Очоа, В.Л. Кретович та ін.

Вони довели, що перехід від анаеробних процесів до кисневого дихання дав змогу рослинним організмам більш повно та ефективно використовувати енергію, що містилась в молекулах субстратів дихання.

Сама ж можливість такого переходу пов’язана з виникненням в процесі еволюції нових ферментних систем, які забезпечили в клітині поступове перетворення субстратів дихання. Характер пов’язаних з диханням окислювальних систем відбиває історично складену адаптацію (пристосування) організмів до певних умов навколишнього середовища.

Теорії механізмів біологічного окислення. Дихання — окислювальний процес, в якому складні молекули (вуглеводи та ін.) розпадаються до СО₂, а значна частина звільненої при цьому енергії запасається у вигляді АТФ.

Перші наукові основи про роль кисню в процесах дихання сформулював А. Лавуазье, який показав спорідненість процесів горіння та дихання, адже в обох випадках відбувається поглинання О₂ та виділення СО₂ і тепла. Процес горіння, на його думку, це приєднання кисню до субстрату, а дихання — не що інше як повільне згорання поживних речовин в живому організмі. Тоді слід було пояснити, яким чином відбувається таке горіння у водному середовищі, адже маса живих організмів на 79-90% містить воду. В 1845 р. Х.Ф. Шейнбайн запропонував теорію окислювальних процесів, згідно з якою в живих клітинах існують сполуки, які легко окислюються киснем, а отже здатні таким чином активувати молекулярний кисень. О.М. Бах продовжив розпочаті дослідження в цьому напрямку і в 1897 р. опублікував працю «Про роль пероксидів у процесі повільного окислення», в якій виклав розроблену ним пероксидну теорію біологічного окислення.

Як відомо, кисень характеризується невисокою реакційною здатністю, тому для окислення субстрату його слід попередньо активувати. О.М. Бах вважав, що молекулярний кисень здатний виступати окислювачем лише в тому випадку, коли з допомогою якоїсь сторонньої енергії будуть розірвані зв’язки між атомами, що утримують їх в молекулі. Окислювальні процеси, що відбуваються із затратами побічної енергії, він назвав примусовим окисленням, тоді як окислення, що відбувається без використання додаткової енергії,— спонтанним окисленням або горінням. В цих процесах активація кисню здійснюється за рахунок енергії, що постачається тією ж речовиною, яка окислюється. Вступаючи у взаємодію з киснем повітря, такі сполуки сприяють розриву одного зв’язку між атомами в молекулі кисню:

Активований кисень, окисляючи іншу речовину, дає пероксид, за рахунок якого може продовжуватись окислення інших сполук. Таким чином, активування кисню при диханні, за О.М. Бахом, здійснюється шляхом «прямого» утворення пероксидів у результаті приєднання кисню до молекули окислюваної речовини. Пероксидами він назвав сполуку типу пероксидів водню, в яких найменшою мірою два атоми кисню зв’язані один з одним. Вона мають загальну формулу:

Сполуку А, яка активує кисень, він назвав "оксигеназою».

Крім прямого окислення через утворення пероксидів, можливе також каталітичне окислення через ці ж сполуки, але вже як проміжні продукти:

Таким чином, розроблена О.М. Бахом теорія окислення грунтується на ідеї активації кисню і хоча на сьогодні відомо, що шлях включення О₂ до органічних сполук не має відношення до дихання, ці дослідження лягли в основу сучасних поглядів на механізм активації кисню.

Після відкриття в 1925 р. Д. Кейліном в клітинах цитохромоксидази та інших цитохромів було встановлено, що саме вони і забезпечують перенесення електронів та протонів на О₂ з утворенням води або пероксидів.

Грунтуючись на пероксидній теорії, О.М. Бах висунув ще одну гіпотезу, за якою біологічне окислення він поєднав з відняттям від субстрату електронів і протонів. Роль кисню в цьому випадку зводиться до регенерації окисленого стану первинного акцептору водню. Подальший розвиток ця гіпотеза знайшла в теорії хімізму дихання В.І. Палладіна.

Згідно з теорією В.І. Палладіна, дихання здійснюється з допомогою особливих дихальних хромогенів, здатних до зворотних окислювально-відновних перетворень. При окисленні хромогени перетворюються на пігменти, які відновлюючись, знову перетворюються на хромогени; тобто дихальні хромогени в живій клітин виконують роль акцепторів кисню, тоді як дихальні пігменти — акцепторів водню.

Обов’язковим учасником дихання за В.І. Палладіним є вода, що виконує роль донора водню для відновлення пігменту в хромоген. В цьому процесі відновлення пігменту бере участь і водень окислюваного субстрату. Вільний кисень використовується для регенерації акцепторів водню.

У 1912 р. В.І. Палладій опублікував свою теорію хімізму дихання, в якій розділив основне рівняння дихання на анаеробну (1) та аеробну (2) фази:

де R — забарвлений дихальний пігмент, який віднімає водень від субстрату і здатний до зворотних окислювально-відновних перетворень; RH₂— безбарвний дихальний хромоген.

В теорії В.І. Палладіна велика роль відводиться процесам активування водню окислюваного субстрату та перенесення його за участю проміжних окислювально-відновних систем. Такої ж думки дотримувався німецький біохімік Г. Віланд, який також запропонував утому ж 1912 р. свою теорію активації водню.

Випередивши тогочасний рівень знань, В.І. Палладій став автором наукової ідеї про те, що в живій клітині існують специфічні ферменти-переносники водневих атомів від субстрату та води. Саме тому в основі сучасних уявлень про механізм біологічного окислення лежить теорія Баха —Палладіна, згідно з якою для дихання однаково потрібні як активатори водню, так і активатори кисню. Таким чином, основні положення теорії біологічного окислення наступні:

·обовязковим учасником дихання є вода;

·вода, поряд із субстратом, який окислюється, виконує роль донора водню;

· в процесі дихання беруть участь специфічні активатори водню, які віднімають водень від субстрату;

·перші етапи дихання є анаеробними і не вимагають присутності молекулярного кисню;

· молекулярний кисень необхідний на завершальному етапі дихання для регенерації акцепторів водню з утворенням води.

Слід зазначити, що проблему дихання В.І. Палладій розробляв протягом усього свого життя і залучив до розробки цієї проблеми багатьох своїх учнів. Саме на базі праць О.М. Баха та В.І. Палладіна українські біохіміки внесли вагомий вклад у світову науку питань, які стосуються різних сторін дихання, зокрема активації кисню, водню, генетичного зв’язку між аеробним та анаеробним диханням, хімізму дихального процесу, ролі ферментних комплексів в даному процесі.