Общая характеристика дыхания

Дыхание представляет собой окислительный распад органических веществ, синтезированных в процессе фотосинтеза, протекающий с потреблением кислорода и выделением углекислого газа

Суммарное уравнение процесса дыхания растений:

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂® 6 Н₂О + 6СО₂ + энергия 38 АТФ

Процесс дыхания сопровождается расходом углеводов, поглощением О₂, выделением СО₂, воды и энергии.

Дыхание выполняет три основные функции.

1. Энергия углеводов преобразуется в энергию АТФ.

2. Метаболиты, образующиеся при окислении углеводов, используются при биосинтезе других веществ.

3. Термогенез, или выделение энергии в виде тепла.

Этапы дыхания

Преобразование органического вещества при дыхании осуществляется в три этапа.

1 этап - подготовительный или деполимеризация. На этом этапе полимерные соединения с помощью ферментов гидролаз гидролизуются до мономеров. Так углеводы распадаются до моносахаридов, жиры – до глицерина и жирных кислот, белки – до аминокислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов.

2 этап – анаэробное дыхание (гликолиз). Он осуществляется без участия кислорода. В результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты.

Энергия запасается в виде 8 молекул АТФ.

3 этап – аэробное дыхание. Он включает в себя цикл Кребса и электрон-транспортную цепь. При доступе кислорода образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до углекислого газа и воды. Кислородное дыхание сопровождается выделением энергии и накоплением ее в АТФ.

Энергия запасается в виде 30 молекул АТФ.

Дыхательный коэффициент

Дыхательным коэффициентом (ДК) называется отношение количества выделившегося СО₂ к количеству поглощенного О₂ при окислении данного субстрата до СО₂ и воды. Когда субстратом служат сахара, например глюкоза, ДК=1. Если роль субстрата играют липиды, белки и прочие соединения с высокой степенью восстановления, ДК оказывается менее единицы, например для стеариновой кислоты ДК=0,7. Если в качестве субстрата служат более окисленные, чем сахара соединения, ДК превышает единицу. Например, для щавелевоуксусной кислоты ДК=1,6. Таким образом, ДК выступает как мера окисленности субстрата, однако на ДК кроме субстрата влияет полнота окисления субстрата и условия выращивания.

Влияние внутренних факторов на дыхание

Интенсивность дыхания – это количество СО₂ (в мл), выделяемого 100г растительного материала за 1 час.

Виды и сорта растений

Различные виды, сорта и экологические формы растений дышат с разной интенсивностью. Самая низкая интенсивность дыхания у суккулентов, высокая у грибов и бактерий. Культурные растения дышат интенсивнее диких. Светолюбивые растения имеют более высокую интенсивность дыхания, чем теневыносливые. Быстрорастущие дышат интенсивнее медленно растущих. Лиственные древесные растения дышат интенсивнее хвойных древесных. Высокогорные растения, растения Крайнего Севера и раннецветущие растения («подснежники») дышат интенсивнее растений умеренных широт. Растения северных широт дышат интенсивнее растений южных широт, особенно при пониженной температуре. Ранние сорта дышат интенсивнее, чем поздние. Семена раннеспелых сортов выделяют больше тепла, чем позднеспелые.

Разные органы и ткани

Самая высокая интенсивность дыхания у прорастающих семян. Быстро растущие части растений дышат интенсивнее. Очень энергично дышат цветки, особенно распускающиеся (интенсивность их дыхания равна интенсивности дыхания прорастающих семян). В цветках особенно интенсивно дышат пестики и тычинки с пыльниками. С возрастом растения интенсивность дыхания его органов резко снижается. Интенсивность дыхания целого растения уменьшается по мере старения. Часть энергии, образующейся при дыхании, выделяется в виде тепла. Прорастающие семена выделяют тепло и создают вокруг себя микроклимат, повышая температуру на несколько градусов. Во время цветения в соцветиях за счет дыхания температура может повышаться до 30° выше температуры окружающей среды.

Влияние внешних факторов на дыхание

Содержание О₂

При содержании кислорода ниже 5% дыхание заменяется брожением. Увеличение содержания кислорода до 5-9% сопровождается повышением интенсивности дыхания. Дальнейшее повышение уже не сказывается на интенсивности дыхания.

Содержание СО₂

Повышение концентрации СО₂ приводит к снижению интенсивности дыхания, так как высокая концентрация СО₂ тормозит активность дыхательных ферментов и устьица закрываются, что затрудняет доступ О₂.

Температура

Оптимальная температура дыхания для растений умеренных широт 35-40, то есть на 5-10 выше, чем для фотосинтеза. Дыхание у некоторых растений осуществляется и при температуре ниже нуля. Дыхание состоит из ферментативных реакций, поэтому оно зависит от температуры. При каждом повышении температуры на 10° (вплоть до 35°) скорость реакций удваивается.

Содержание воды

Водный дефицит вызывает снижение дыхания более медленное, чем снижение фотосинтеза. Небольшой водный дефицит растущих тканей увеличивает интенсивность дыхания. Водный дефицит вызывает распад углеводов до глюкозы. Глюкоза является основным субстратом дыхания и поэтому интенсивность дыхания увеличивается.

Минеральное питание

Фосфор, сера, железо, медь и марганец входят в состав дыхательных ферментов и переносчиков электронов и их недостаток снижает дыхание.

Свет

Свет активирует дыхание, хотя изучать влияние света на дыхание трудно, так как одновременно с дыханием осуществляется фотосинтез. Дыхание на свету усиливается под действием коротковолновой части спектра (синий, зеленый).

Повреждения

Механические повреждения вызывают кратковременное усиление дыхания (от нескольких минут до часа). Сильнее всего действует срезание, медленнее изгибание.

Интенсивность дыхания возрастает при действии небольших доз ядов, наркотиков, токсических газов, при заражении растений бактериями и грибами. В начале инфекционного периода дыхание пораженных листьев повышается, причем образование АТФ снижается и результатом является повышение температуры.