Окисление органических веществ в живых тканях растений и животных происходит с участием ферментов: дегидрогеназ — активаторов и переносчиков водорода (электрона) дыхательного материала и оксидаз — активаторов молекулярного кислорода. Ферментные комплексы, участвующие в переносе электронов и сопряженном с ним фосфорилировании, локализованы по внутренней мембране митохондрий. Некоторые ферменты обмена жирных кислот и фермент, окисляющий моноамины, обнаружены в наружной мембране митохондрий.
Дегидрогеназы действуют на протяжении всего процесса дыхания и по характеру действия делятся на аэробные и анаэробные. Первые переносят водород непосредственно на молекулярный кислород, а вторые — на какой-либо акцептор водорода по схеме: АН2+дегидрогеназа+В (акцептор) → А + ВН2 (акцептором водорода может, быть и другая дегидрогеназа). Дегидрогеназы относятся к двухкомпонентным ферментам — протеидам с пиридиновыми или флавиновыми (аллоксазиновыми) коферментами.
Пиридиновые дегидрогеназы входят в группу анаэробных дегидрогеназ — акцепторов водорода субстрата. Специфичность, их действия заключается, в способности гидрирования и дегидрирования пиридиновых ядер:
Коферментами пиридиновых дегидрогеназ являются никотииамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), обнаруженный в листьях различных растений в количестве от 10 до 40 мг на 1 г сухого вещества.
Флавиновые (аллоксазиновые) дегидрогеназы относятся к аэробным дегидрогеназам, которые передают водород, отщепленный от окисляемого субстрата или от восстановленной формы анаэробной дегидрогеназы, кислороду воздуха, а также оксидазам — полифенолоксидазной или цитохромной системе.
К флавопротеидным дегидрогеназам относятся ферменты, в состав которых входит фосфорный эфир рибофлавина (витамина В2); наличие рибофлавина в коферменте придает флавопротеидам желтую окраску;
Соединение рибофлавина с фосфорной кислотой называется флавинмононуклеотидом (ФМН) и является активной группой аэробных дегидрогеназ. Активная группа флавинмононуклеотидов легко поддается обратному окислению и восстановлению
Растительные дегидрогеназы широко распространены. Они обнаружены в колеоптилях, зародышах, проростках, корнях, листьях, тканях многих растений и в мицелиях грибов. Известны дегидрогеназы глутаминовой кислоты — глутаматдегидрогеназа, яблочной кислоты — малатдегидрогеназа, фумаровой кислоты — фумараза, янтарной кислоты — сукцинатдегидрогеназа, этилового спирта — алкогольдегидрогеназа, глицеринфосфата — глицеринфосфатдегидрогеназа и много других.
Ферменты оксидазы, которые активируют молекулярный кислород и придают ему способность восстанавливаться до перекиси водорода, действуют на конечном этапе дыхания, когда водород окисляемого вещества необходимо выделять из системы:
Эта группа ферментов многочисленна, но основная роль в ней принадлежит оксидазам, содержащим медь (полифенолоксидаза) и железо (цитохромоксидаза с цитохромами, цитохромная система).
Полифенолоксидазы или фенолоксидазы в присутствии молекулярного кислорода окисляют полифенолы в соответствующие хиноны. Фермент полифенолоксидаза встречается в тканях различных растений. Высокая активность ее характерна для тканей листьев чая, картофеля, корней сахарной свеклы, клубней картофеля, семян люпина, гороха, тыквы и многих других растений.
Согласованность процесса окисления полифенолов с помощью полифенолоксидазы и восстановления хинонов можно наблюдать только в живой неповрежденной ткани растений. При повреждении ткани координация между окислительной и восстановительной фазами дыхания обычно нарушается, вследствие чего происходит накопление различных темноокрашенных пигментов; например, при разрезании яблок, клубней картофеля, корней сахарной свеклы сначала наблюдается незначительное пожелтение поверхности среза, а затем она становится коричневой, чернеет. В результате прерванного процесса окисления и восстановления фенолхинона образуются промежуточные продукты — пигменты.
Полифенолы, содержащиеся в растениях и участвующие в процессах дыхания, В. И. Палладии назвал дыхательными хромогенами, а соответствующие хиноны, появляющиеся при окислении фенолов, — дыхательными пигментами.
К медьсодержащим ферментам относится и аскорбатоксидаза, окисляющая аскорбиновую кислоту, которая содержится в листьях всех хлорофиллоносных растений, а также в бурых и красных водорослях:
При окислении аскорбиновой кислоты (витамина С) образуются перекись водорода, активный кислород которой используется на окисление других соединений. Окисленный витамин С (дегидроаскорбиновая кислота) имеет такую структурную формулу:
Эта кислота способна присоединять к себе водород и в восстановленном состоянии снова акцептировать кислород. Таким образом, аскорбиновая кислота в живой клетке служит переноспиком водорода от окисляемого вещества к кислороду и благодаря этому тесно связана со всей системой ферментов, участвующих в дыхательном газообмене живой ткани растений. У некоторых растений, например у капусты, этот путь активации кислорода через аскорбиновую кислоту является основным.
Цитохромы делятся на четыре группы: цитохромы а содержат железоформилпорфирин, цитохромы b — железопротопорфирин, цитохромы с — замещенный железомезопорфирин, цитохромы d — железодигидропорфирин.
Каталитическая роль железа заключается в его способности к окислению и восстановлению путем отдачи и присоединения электрона. Железо в цитохроме легко переходит из двухвалентного в трехвалентное, что соответствует окислению, и, наоборот, из трехвалеитного в двухвалентное, что соответствует восстановлению. Обратимое окисление и восстановление цитохромов связано с изменением валентности железа фермента в коферменте. Таким образом, цитохромы являются переносчиками электронов, а цитохромоксидаза играет роль последнего звена, которое способствует их переносу на кислород воздуха.
Экспериментально доказано, что при ингибировании цитохромоксидазы путем добавления некоторых ядов, например цианида, блокирующего железо цитохромоксидазы, дыхание тканей угнетается на 90%. Это свидетельствует о том, что при нарушении цитохромной системы возможно окисление лишь небольшой части субстрата. Цитохром как вещество окрашенное имеет хорошо выраженный спектр поглощения. В окисленном цитохроме спектр поглощения резко отличается от спектра восстановленного цитохрома. Наблюдая под микроскопом суспензии из одноклеточных организмов, например дрожжей, можно в зависимости от доступа кислорода заметить изменения в составе полос поглощения цитохрома и, таким образом, непосредственно следить за ходом окислительно-восстановительных процессов в живых клетках.
Процесс окисления при дыхании клеток и тканей с участием цитохромной системы может быть представлен в виде схемы:
Следовательно, цитохромная система играет большую роль в окислительных процессах, происходящих в растительных организмах.
Важными компонентами ферментных систем, участвующих, в окислительно-восстановительных превращениях веществ и вобразовании конечных продуктов, являются ферменты каталаза и пероксидаза. Каталаза ускоряет реакцию разложения перекиси водорода на воду и кислород по уравнению 2Н2О2 пероксидаза→ 2Н2О+О2. Пероксидаза с помощью пероксида водорода 2Н2О2 может окислять различные соединения, например полифенолы, с образованием соответствующего хинона и воды:
Наконец, следует указать на жирорастворимые хиноны, которые получили название убихинонов (коферменты Q). Они участвуют в переносе водорода в системе цитохром b→ флавопротеин (сукцинатдегидрогеназа) → НАДФ → цитохром c → редуктаза.
Обязательное условие нормального процесса дыхания — согласованность звеньев окисления и восстановления аэробной и анаэробной фаз.
Ферменты, связанные с дыханием, часто встречаются в тканях одного организма одновременно в разных соединениях (цитохромы, фенолазы — дыхательные пигменты, аскорбатоксидаза) и действуют согласованно. Этим обеспечивается скорость процесса дыхания, всех превращений, наблюдающихся в растительном организме. Сочетания разных ферментов в растительных организмах непостоянны. Они изменяются на разных этапах развития растения в соответствии с условиями, на фоне которых оно проходит.
Характер окислительной системы часто связан с видовой и даже сортовой спецификой растительного организма. В процессе развития растений одни окислительные системы сменяются другими, что следует рассматривать как приспособление дыхания к условиям жизни растительного организма.
Установлено, что содержание различных веществ, например таких, как витамин С, каротин, находится в прямой зависимости от изменения окислительно-восстановительного равновесия в клетке.