Дыхание

Превращение углеводов по пути гликолитического распада до образования пировиноградной кислоты (анаэробная стадия) и последующее превращение через цикл Кребса (аэробная стадия) представляет собой с некоторыми отклонениями основной путь дыхания у всех высших растений, в том числе и у винограда.
Цикл Кребса, или цикл ди- и трикарбоновых кислот, протекает в растительных клетках с участием многих органических кислот, которые широко распространены в растениях. В различных органах растений чаще всего имеются яблочная и щавелевая кислоты, реже янтарная, фумаровая, уксусная, гликолевая и др. К немногочисленным видам, представители которых характеризуются присутствием в тканях их органов винной кислоты, относится V. vinifera. Большинство перечисленных кислот входит в состав органов винограда и принимает участие в обмене веществ, что ярко отражено в их количественном и качественном изменениях в течение вегетации, особенно в ягодах в период их созревания.
В винограде найдены дегидрогеназы цикла трикарбоновых кислот, маликоэнзим, а также карбоксилаза пировиноградной кислоты. Установлено закономерное увеличение лимонной кислоты в процессе созревания ягод. Повышение поглощения кислорода обнаруживается после погружения ломтиков ягод винограда в растворы солей янтарной, яблочной и лимонной кислот (Родопуло, 1960).
А. К. Родопуло намечает пути превращения органических кислот винограда в процессе его созревания. Яблочная кислота окисляется маликодегидрогеназой в присутствии ДПН до щавелевоуксусной кислоты, которая в дальнейшем декарбоксилируется в пировиноградную, а последняя, возможно полемиризуясь, превращается в углеводы.
Для винной кислоты (ферментная система ее окисления не найдена) автор предполагает путь окисления в диоксималеиновую кислоту ферментной системой, содержащей в своей молекуле железо. Диоксималеиновая кислота окисляется оксидазой диоксималеиновой кислоты в дикетоянтарную. Последняя, декарбоксилируясь и окисляясь, превращается в гликолевый альдегид и в глиоксилевую кислоту, которая окисляется в щавелевую кислоту. В процессе созревания гликолевый альдегид легко может превращаться в углеводы. Известно, что гликолевый альдегид может полимеризоваться в углеводы (Кузин, 1938). Подтверждает возможность такого превращения органических кислот в углеводы наличие в незрелых ягодах винограда перечисленных промежуточных соединений.
А. К. Родопуло обнаружена в винограде также сукцин-дегидрогеназа, которая переносит водород на кислород, активируемый окислительными ферментами.
Уменьшение кислотности в процессе созревания винограда с одновременным непрерывным увеличением содержания углеводов, присутствие промежуточных соединений в ягодах и соответствующих ферментов и дегидрогеназ позволяет считать, что превращение органических кислот и углеводов в ягодах винограда происходит по циклу трикарбоновых кислот.
Амерайн и Пейно объясняют уменьшение кислот в процессе созревания ягод процессами дыхания. С 1897 г. известны результаты исследований Гербера, в которых он указывает, что кислоты принимают участие в обмене веществ в ягодах при дыхании. Различные предположения, как кислоты могут переходить в сахара и сахара в кислоты, представлены в работах Вольфа (Wolf, 1959).
В последние годы интересные исследования в этом направлении проводили Драверт и Штеффан (Drawert, Steffan, 1965). В опытах использовали соединения (винная кислота, глюкоза, глютаминовая кислота и ацетат), меченые С14. Побег с гроздью и отделенная гроздь после введения меченых соединений находились в темноте в течение 64 ч при температуре 26—28°С. Продолжительность опыта с 4 по 26 сентября (период созревания).
Результаты опыта показали, что винная кислота, введенная в плодоносящий побег, больше обнаруживается в листьях, побегах, черешках, гребне грозди и меньше в экстракте из ягод. Глюкоза движется в основном в ягоды. Аналогичное установлено и для грозди, отделенной от побега. Обогащение винной кислотой перечисленных частей побега и гребня грозди позволяет авторам сделать вывод, что они у винограда исполняют функцию «склада» винной кислоты. Этот результат находится в соответствии с данными других авторов (Peynaud, Maurle, 1951).
Далее авторы отмечают, что глюкоза ягод грозди, отделенной от побега, расходуется на дыхание в два раза меньше по сравнению с гроздью на побеге. Винная кислота, наоборот, у отделенной грозди включается в дыхание в большей степени, чем в грозди на побеге. Винная кислота в соответствии с экспериментальными условиями в большей мере, чем глюкоза, является дыхательным субстратом ягод.
Меченные С14 глютаминовая кислота и ацетат в соответствии с их ролью как метаболитов расходуются на дыхание относительно сильно. Активность глютаминовой кислоты составляет 30% активности экстракта ягод. Разделение активности по фракциям экстракта (аминокислоты, органические кислоты и нейтральные вещества) показало наличие ее во всех трех фракциях.
Кривые расхода винной кислоты на дыхание показали, что у побега с гроздью она расходуется медленно и непрерывно по типу линейной функции, повышающейся во времени, что может быть связано с наличием ее запасов. Авторы смогли установить отправные точки для биологического времени, в течение которого совершается превращение половины меченых соединений, взятых для эксперимента.
Эта точка для ацетата и глютаминовой кислоты в опытах с плодоносящим побегом и отделенной гроздью составляет 51—53 ч, для глюкозы и винной кислоты в опыте с плодовым побегом — 100—140 ч. В отделенных гроздях биологическая половина ценного времени для глюкозы составляет 250 ч, для винной кислоты 100 ч. Полученные результаты подтверждают способность ягод грозди к самостоятельному обмену.
Таким образом, все введенные соединения, меченные С14, более или менее сильно расходуются на дыхание и участвуют через него в увеличении содержания сахаров в ягодах по мере их созревания.
Для правильного хранения ягод подвойного и прибойного материала в зимнее время, изучения морозоустойчивости и др. необходимо знать проходящие в тканях процессы дыхания.
В связи с этим представляют определенный интерес работы французского исследователя Пуже (Pouget, 1963). Он изучал изменения газообмена на черенках с почками сорта Мерло с помощью прибора Варбурга. Длина черенков 2 см, диаметр 7—8 мм. Определение адсорбции Оа проведено з аэробных и анаэробных (в атмосфере азота) условиях при температуре 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50°С. Автор наблюдал также за поглощением кислорода черенками с почками длиной 35 см. Он показал, что как поглощение кислорода, так и выделение углекислого газа в анаэробных условиях — линейная функция времени и температуры. Значение гликолиза автор сопоставил с потерей запасных веществ тканями растения. Теоретический расчет показывает, что для получения 1 мл CO₂ при аэробных условиях затрачивается 1,339 мг, при анаэробных — 4,017 мг глюкозы. Гликолиз в анаэробных условиях имеет большее значение, чем в аэробных, так как он значительно (в 3—4 раза) повышается при температуре, равной или превышающей 20°С. Для его прохождения в анаэробных условиях длина черенков не имеет такого значения, как при аэробных. В последнем случае при 20°С поглощение кислорода черенками длиной 35 см по общему весу в 4 раза слабее, чем длиной 2 см. Это объясняется трудностями диффузии кислорода в ткани длинных черенков. Расход глюкозы длинными черенками в аэробных условиях значительно меньше, чем короткими.
Полученные данные позволили автору физиологически объяснить наблюдения, относящиеся к метаболизму (гликолизу) в период покоя, и предложить указания по хранению черенков в зимний период. Чтобы уменьшить потери запасных веществ при хранении, необходимо снизить интенсивность дыхания и хранить длинные, а не короткие черенки. В помещении для хранения следует поддерживать атмосферу, по составу близкую к воздуху, чтобы избежать усиления процесса гликолиза. Температура в хранилище должна быть ниже 10°С. Очевидно, температурные условия особое значение имеют также при хранении винограда в свежем виде, с учетом возможных сочетаний аэробного и анаэробного дыхания.
Окислительные превращения молекулы гексозы по схеме гликолитического окисления с участием дифосфорного эфира гексозы не единственные в процессе дыхания. Существует второй путь, в основе которого лежат окислительные превращения монофосфорного эфира гексозы по циклу аэробных превращений, аналогичных реакциям гликолиза (Рубин, 1967). Полученный на этом этапе окисления глюкозо-6-фосфат окисляется в 6-фосфорглюконат, подвергающийся окислительному декарбоксилированию с образованием при этом пентозы и выделением молекулы CO₂.
В виноградном растении имеются пентозные соединения, которые свидетельствуют о наличии пентозофосфатного распада глюкозы в дыхании тканей и этого растения.
Растения, в том числе и виноград, растут и развиваются при непрерывной смене температуры, освещения, влажности, осуществляют нормальное прохождение морфогенеза в онтогенезе отдельных органов благодаря наличию не одной, а нескольких дыхательных и ферментных систем, обеспечивающих разные этапы окисления.
У винограда ферментная система представлена всеми видами оксидаз, свойственными растениям. Оксидазы обнаружены в тканях различных органов. Количество и активность их меняются в зависимости от условий среды, возраста растения и отдельных его органов, а также этапов морфогенеза в процессе онтогенеза.
Такие оксидазы, как пероксидаза, полифенолоксидаза, аскорбиноксидаза, а также каталаза, обнаружены во всех органах виноградного куста — листьях, ягодах, зеленых и одревесневших побегах, корнях, почках, завязях, пыльце и в пасоке (весной). Во всех перечисленных органах, кроме зрелых ягод, обнаружена цитохромоксидаза (Родопуло, 1960).
Дегидрогеназы имеются в листьях, побегах и ягодах винограда. В частности, в ягодах находятся дегидрогеназы яблочной и диоксималеиновой кислот. Аспарагиновая и никотиновая кислоты обнаружены в ягодах, листьях, побегах и гребнях винограда. В ягодах найдены суксиндегидрогеназа, маликодегидрогеназа. Неизменный спутник окислительно-восстановительных процессов — фосфорилаза также имеется в органах виноградного куста, как и амилаза, инвертаза и др.
В обмене веществ растительных организмов принимают участие также и дубильные вещества (Опарин, 1932; Кирсанов, 1947).
В результате исследований окислительных ферментов ягод винограда й виноградного сусла А. К. Родопуло (1954) установил, что в них содержится полифенолоксидазная и пероксидазная окислительные системы, причем первая играет главную роль в окислении дубильных веществ с образованием темноокрашенных продуктов — хиноподобных веществ. Пероксидазная окислительная система действует на дубильные вещества после появления перекиси водорода (образуются соломенно-желтые продукты). Полифенолоксидаза в винограде и сусле находится в растворенном и нерастворенном состоянии, последний фермент активнее.
Аскорбиновая кислота винограда и сусла окисляется аскорбиноксидазной системой и хинонами. Автором установлено, что дубильные вещества сусла винограда играют роль переносчиков водорода в полифенолоксидазной системе в присутствии аскорбиновой кислоты с восстановлением хинонов, т. е. дубильные вещества сусла играют роль хромогенов (Палладии, 1913) и хлорогеновой кислоты (Опарин, 1921).
Таким образом, дубильные вещества принимают активное участие в окислительно-восстановительных процессах у винограда.