Кафедра ФБРтаБ Фізіологія, біохімія рослин та біоенергетика · НУБіП України
Бета-версія
Лабораторна робота № 7

Інтенсивність дихання і дихальний коефіцієнт насіння

Як за поглинанням кисню й виділенням вуглекислого газу визначити, які речовини «спалює» насінина, що проростає.

БіохіміяБіоенергетикаДихання≈ 90 хвилин

01Мета і план

Мета

Визначити інтенсивність дихання та дихальний коефіцієнт проростаючого насіння манометричним (респірометричним) методом і встановити, які сполуки є основним субстратом дихання.

Ви навчитеся

  • розраховувати дихальний коефіцієнт за стехіометрією окиснення;
  • обробляти показання респірометра з КОН і без нього;
  • пов'язувати дихальний коефіцієнт із хімічним складом насіння та умовами аерації.

Знадобиться

Калькулятор або Excel, бланк звіту.

02Теоретичні відомості

Дихання — окиснення органічних речовин

Під час аеробного дихання органічні сполуки окиснюються до CO2 і H2O, а вивільнена енергія запасається в АТФ (гліколіз, цикл Кребса, електрон-транспортний ланцюг мітохондрій). Кількість поглиненого кисню й виділеного вуглекислого газу залежить від того, яка речовина окиснюється.

Дихальний коефіцієнт

Дихальний коефіцієнт (ДК, RQ) — відношення об'єму (або кількості молів) виділеного CO2 до поглиненого O2:

ДК=VCO2VO2 (1)

Для речовини складу CcHhOo з рівняння повного окиснення:

CcHhOo+(c+h4−o2)O2→cCO2+h2H2O,ДК=cc+h4−o2 (2)
  • Вуглеводи (глюкоза C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O): ДК = 1,0.
  • Жири бідні на кисень (трипальмітин C51H98O6 + 72,5 O2 → 51 CO2 + 49 H2O): ДК ≈ 0,7.
  • Білки: ДК ≈ 0,8.
  • Органічні кислоти багаті на кисень (яблучна C4H6O5 + 3 O2 → 4 CO2 + 3 H2O): ДК = 1,33; щавлева — 4.

Якщо частина субстрату розкладається анаеробно (спиртове бродіння C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2), CO2 виділяється без поглинання O2, і ДК стає більшим за 1. Так буває на початку проростання, поки насіннєва шкірка погано пропускає кисень, і за нестачі аерації. ДК, менший за 0,7, спостерігають у проростків олійних культур, де жири перетворюються на цукри через гліоксилатний цикл: цей процес поглинає кисень без виділення CO2.

Респірометричний метод

Насіння поміщають у дві однакові герметичні посудини з манометрами (капілярами з краплею рідини). У першій посудині є розчин КОН, який поглинає весь виділений CO2, тому зменшення об'єму газу в ній дорівнює поглинутому O2. У другій КОН немає, тож зміна об'єму дорівнює різниці поглинутого O2 і виділеного CO2:

x1=VO2,x2=VO2−VCO2⇒ДК=x1−x2x1 (3)

x1, x2 — зменшення об'єму газу (мкл) у посудинах з КОН і без нього за однаковий час. Якщо ДК > 1, у другій посудині об'єм збільшується (x2 < 0).

Інтенсивність дихання виражають кількістю поглиненого кисню на одиницю маси за годину:

ІД=x1·60m·t (4)

ІД — мкл O2/(г·год); t — тривалість вимірювання, хв; m — маса насіння, г. Найзручніше брати x1/t як нахил прямої «зміна об'єму від часу».

Сухе насіння дихає дуже слабко (стан анабіозу). Після набухання інтенсивність дихання зростає в сотні–тисячі разів. Тому для зберігання насіння важливі низька вологість і температура.

03Інтерактивна модель

Задайте частки субстратів, які окиснюються в насінні, і частку анаеробного розкладу. Модель розраховує дихальний коефіцієнт і показує, як змінювалися б показання двох посудин респірометра впродовж години.

Насіння

Субстрати дихання, % поглиненого O2

Зменшення об'єму газу в посудинах респірометра

Дихальний коефіцієнт
—
Поглинання O2
—
Виділення CO2
—
Висновок
—

04Віртуальний експеримент

Наважки пророслого насіння однакової маси помістили у дві посудини респірометра (з КОН і з водою) при 25 °C. Після 10 хв термостатування кожні 10 хв записували зменшення об'єму газу (мкл) у кожній посудині. Розрахуйте інтенсивність дихання, дихальний коефіцієнт і визначте основний субстрат дихання.

Ваш варіант

Прізвище або номер у журналі.

05Завдання для звіту

  1. За рівнянням (2) розрахуйте ДК для пальмітинової кислоти C16H32O2, лимонної C6H8O7 і сахарози C12H22O11. Перевірте результати в моделі.
  2. У моделі оберіть «Соняшник» і «Пшениця». Поясніть різницю ДК хімічним складом насіння.
  3. Додайте в моделі 20 % анаеробного розкладу. Як змінилися показання посудини без КОН і ДК?
  4. За даними експерименту побудуйте графіки зменшення об'єму газу від часу для обох посудин і знайдіть їхні нахили (мкл/хв) методом найменших квадратів.
  5. Розрахуйте інтенсивність дихання за формулою (4), ДК за формулою (3) і зробіть висновок про субстрат дихання.

06Контрольні питання

Що таке дихальний коефіцієнт?
Відношення об'єму виділеного CO2 до об'єму поглиненого O2 за той самий час.
Чому ДК при окисненні жирів менший за 1?
Жири містять мало кисню відносно вуглецю й водню, тому для їхнього окиснення потрібно більше O2, ніж утворюється CO2.
За яких умов ДК перевищує 1?
Коли окиснюються багаті на кисень органічні кислоти або коли частина субстрату розкладається анаеробно (бродіння) з виділенням CO2 без поглинання O2.
Навіщо в одну з посудин респірометра кладуть КОН?
КОН поглинає CO2, тож зміна об'єму в цій посудині дорівнює лише поглинутому кисню.
Чому насіння олійних культур на початку проростання має ДК близько 0,4–0,6?
Запасні жири перетворюються на цукри (через β-окиснення та гліоксилатний цикл); цей процес поглинає кисень, але майже не виділяє CO2.

07Література

  1. Taiz L., Zeiger E., Møller I. M., Murphy A. Plant Physiology and Development. 6th ed. Sunderland : Sinauer Associates, 2015. Ch. 12.
  2. Buchanan B. B., Gruissem W., Jones R. L. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. 2nd ed. Wiley-Blackwell, 2015. Ch. 14.
  3. Мусієнко М. М. Фізіологія рослин : підручник. Київ : Либідь, 2005.
  4. Bewley J. D., Bradford K. J., Hilhorst H. W. M., Nonogaki H. Seeds: Physiology of Development, Germination and Dormancy. 3rd ed. New York : Springer, 2013.
← ЛР 6. Амілаза ЛР 8. Аскорбінова кислота →