Як було сказано, відновлені при розпаді дихального субстрату коферменти включаються в ЕТЦ, окислюються, що призводить до синтезу АТФ. При окисленні НАДН, НАДФН синтезується 3, а при окисленні ФАДН2 - 2 молекули АТФ. Отже, при окисленні молекули глюкози синтезується 38 молекул АТФ: в результаті гліколізу утворюється 10 молекул (2 витрачаються на початкове активування глюкози) при окислювальному карбоксилювання пірувату - 6, в циклі Кребса - 24.
Якщо прийняти, що для утворення макроергічних фосфатних зв'язку кожної молекули АТФ при її синтезі з АДФ і неорганічного фосфату необхідно затратити 7,3 ккал / моль, тоді організм запасає 7,3 · 38 АТФ = 277. Відомо, що при повному окисленні 1 грам- молекули глюкози виділяється 686 ккал. Таким чином, рослина запасає в макроергічних зв'язках АТФ до 277/686 ≈ 40% енергії. Інша енергія розсіюється у вигляді тепла. З цієї загальної кількості збереженої енергії найбільше (26%) припадає на частку циклу Кребса, 9% - на гліколіз.
Наведений розрахунок підкреслює малу ефективність гліколізу як джерела АТФ. Енергетична ефективність гліколізу мала, так як його кінцевий продукт ПВК є відновленим речовиною, т. Е. В ньому ще залишається великий запас енергії.
Чому в такому разі гліколіз, що виник на перших етапах еволюції зберігається у вищих рослин? Це пов'язано, по-перше, з тим, що він може діяти в якості «аварійного» механізму в умовах тимчасового анаеробіозу як постачальник АТФ і НАДН для клітинних биосинтезов. По-друге, він є джерелом метаболітів для синтезу речовин, про що ми вже говорили.
У пентозофосфатному окислювальному циклі відновлюється 12 молекул НАДФ +; в результаті їх окислення синтезується 12 · 3 = 36 молекул АТФ. Якщо на початку циклу була витрачена 1 молекула АТФ на фосфорилювання глюкози, то загальний вихід становить 35 молекул АТФ.
При роботі ЕТЦ в результаті поглинання одного атома кисню можуть синтезуватися 3 молекули АТФ. Однак в реальній обстановці кількість синтезованих молекул АТФ може бути меншим. Останнє визначається ступенем сполучення окислення і фосфорилювання. Будь-які дії, що збільшують проникність мембран для протонів або порушують розміщення компонентів електрон-транспортного ланцюга, призводять до зменшення або припинення синтезу АТФ. Як показник, що характеризує кількість освічених молекул АТФ і ступінь сполучення аеробного дихання і фосфорилювання, використовується співвідношення Ф / О, (Ф - кількість молей неорганічного фосфату, яке пішло на фосфорилювання АДФ, О - кількість поглиненого кисню).
При поглинанні одного атома кисню і перенесення електронів від НАДН або НАДФН на кисень з утворенням води максимально можуть синтезуватися 3 молекули АТФ, тому Ф / О = 3.
Коли електрони транспортуються від ФАДН2. то Ф / О = 2. Таким чином, величина Ф / О залежить від природи окисляемого речовини. при окисленні # 945; -кетоглутората, крім фосфорилювання в дихальному ланцюзі при окисленні НАДН, відбувається субстратне фосфорилювання і утворюється ще одна молекула АТФ, тому Ф / О = 4.
Знаючи, скільки синтезувалося молекул АТФ, можна підрахувати кількість енергії (див. Вище), запасеної в макроергічних зв'язках. Чим більше енергії запасається в клітці, тим краще буде вона працювати, тому показник Ф / О називають фізіологічним показником ефективності дихання. Вище ми підрахували, що при сполученні окислення і фосфорилювання в макроергічних зв'язках запасається 40% енергії, яка звільняється при руйнуванні глюкози в процесі гліколізу і циклі Кребса, таким чином, 60% цієї енергії виділяється у вигляді тепла. Коли сполучення транспорту електронів і фосфорилювання порушується, то ще більше енергії розсіюється у вигляді тепла.
Співвідношення Ф / О менше 3, в більшості випадків, вказує на порушення сполучення транспорту електронів з фосфорилюванням. Це порушення може бути викликано різними причинами, наприклад температурою. Збільшення температури до 45 о С практично не впливає на співвідношення Ф / О, але при 46-47 о С величина Ф / О швидко падає до нуля, т. Е. Відбувається роз'єднання окислення і фосфорилювання. При цих температурах руйнуються Крісті мітохондрій, що і є причиною роз'єднання і різкого зниження величини Ф / О.
У стані роз'єднання відбувається розпад дихального субстрату, клітина виділяє СО2. поглинає кисень, утворюється вода, йде транспорт електронів, але не синтезується АТФ. В результаті вся енергія розсіюється у вигляді тепла. Може порушуватися і транспорт електронів по дихальному ланцюгу.
Величина Ф / О знижується як при зневодненні, так і при набуханні мітохондрій. Взагалі, при будь-яких діях, що порушують внутрішню мембрану мітохондрій, розміщення дихального ланцюга або відстані між ними, показник Ф / О зменшується, так як порушується сполучення окислення і фосфорилювання.
У молодих тканинах сполучення цих процесів краще, ніж в старих. Речовини, які збільшують проникність мембрани для протонів (наприклад, динитрофенол), отримали назву дихальних отрут. При їх впливі на клітку протони, що потрапили на зовнішню сторону внутрішньої мембрани мітохондрій в результаті функціонування ЕТЦ, повертаються в матрикс органели, тому електрохімічного потенціалу на мембрані не виникає, і АТФ не синтезується. Відбувається роз'єднання окислення і фосфорилювання, і величина Ф / О знижується до нуля. Величина показника Ф / О збільшується під впливом стимуляторів росту, наприклад під воздействіемІУК.
Яка ж питома частка дихання в енергетичному обміні речовин в незеленою клітці? Всі процеси обміну, при яких звільняється енергія, ділять на три основні фази. На першій фазі великі молекули органічних речовин руйнуються на більш дрібні: складні вуглеводи перетворюються в гексози і пентози, білки - в амінокислоти, жири в гліцерин і жирні кислоти. На цій фазі виділяється менше 1% запасу енергії цих речовин.
На другій фазі порівняно невеликі молекули гексоз, амінокислот, гліцерину і жирних кислот окислюються. Крім води і СО2. утворюється ацетил-СоА, # 945; -кетоглуторат і оксалоацетат (ЩУК). Ацетил-СоА утворюється через піруват з гексоз і гліцерину, а також з деяких амино- і жирних кислот. Частина амінокислот перетворюється в кетоглуторат або ЩУК. Під час другої фази звільняється від 15 до 30% енергії, укладеної в цих речовинах.
Ацетил СоА, оксалоацетат і кетоглуторат повністю окислюються під час третьої фази руйнування речовин через цикл Кребса до СО2 і води. Цикл Кребса є остаточний шлях окислення всіх органічних речовин. Під час третьої фази звільняється 70-80% енергії.
У зелених же клітинах джерелом АТФ служить і фотосинтез.
Дихання, як фізіологічний процес, крім показника Ф / О, може характеризуватися інтенсивністю дихання і величиною дихального коефіцієнта. Якщо враховувати кількість кисню, поглиненого за 1 годину грамом сухий (або сирої) маси рослинного матеріалу, то отримаємо інтенсивність (швидкість) дихання. Її можна виміряти і кількістю СО2. який виділяється за 1 годину одним грамом рослинної маси.
При дослідженні процесу дихання, можна одночасно враховувати кількість виділяє СО2 і поглиненого О2; в цьому випадку отримуємо дихальний коефіцієнт (ДК).
Таким чином, дихальний коефіцієнт - це співвідношення кількості виділеного СО2 до кількості поглиненого кисню.
Виявити і особливо виміряти інтенсивність дихання зелених частин рослини на світлі нелегко, так як одночасно йде і фотосинтез, в газообміні якого беруть участь ті ж гази. За зміною газового середовища, в якій знаходяться листя, можна виявити той з двох процесів, який в даний момент відбувається з найбільшою інтенсивністю. Днем, як правило, кількість поглиненого СО2 для фотосинтезу більше, ніж виділяється при диханні. Дихання на світлі складається з фотодихання і мітохондріального дихання. Коли швидкість фотосинтезу знижується, то може наступити момент, коли фотосинтез буде компенсувати одночасно йде дихання, і ми не зможемо виявити газообмін. При подальшому зниженні фотосинтезу дихання починає превалювати, а в темряві відбувається тільки виділення СО2. який утворюється при диханні.
Інтенсивність дихання варіює в дуже широких межах, від 0,02 до 715 мг СО2 / г сухої речовини на годину. З різною інтенсивністю дихають представники різних систематичних груп. Тіньовитривалі рослини дихають менш інтенсивно, ніж світлолюбні. Інтенсивність дихання залежить також від особливостей органів і їх фізіологічного стану. Коріння дихають слабкіше листя, а інтенсивність дихання квітів, навпаки, в 3-4 рази вище в порівнянні з листям.
Якщо інтенсивність - кількісна міра дихання, то дихальний коефіцієнт - ще і якісний показник, так як в першу чергу, він залежить від хімічної природи окисляемого речовини. Якщо дихальним субстратом служать вуглеводи, тоді ДК = 1, що добре видно з сумарного рівняння:
Дихальний коефіцієнт буде більше 1 при диханні за рахунок органічних сполук, в яких відношення кисню до вуглецю більше, ніж у вуглеводів. Так при окисленні ЩУК:
Коли при диханні використовуються речовини, які багатші воднем, ніж вуглеводи, наприклад жири, білки, тоді дихальний коефіцієнт буде менше 1, так як на окислення «зайвого» водню потрібно більше кисню. Наприклад, при окисленні стеаринової кислоти:
Це теоретичні розрахунки. Однак в житті такої суворої залежності величини дихального коефіцієнта від природи дихального субстрату немає, так як на величину ДК впливають різні чинники.
Якщо окислення субстрату йде не до кінця, а запасаються органічні кислоти, тоді величина ДК зменшується. Будь-який чинник, який ушкоджує мембрани, призводить до збільшення ДК.
Співвідношення концентрацій різних аденінових нуклеотидів в клітці: