Биохимия растений

Подавляющее большинство природных аминокислот синтези-˝ руется в организмах в виде L-форм, а D-формы аминокислот

встречаются редко, чаще всего в клетках микроорганизмов. ˝При

химическом синтезе образуется рацемическая смесь L- и D-изо˝- меров аминокислот.

Ферментные системы растений, человека и животных специ-

фически приспособлены катализировать биохимические реа˝кции,

происходящие с участием L-изомеров аминокислот, и не спосо˝б- ны к превращениям D-изомеров, которые могут даже ингибиро-

вать биохимические процессы в организме. В опытах установ˝лено,

что только метионин может усваиваться организмами челов˝ека и животных как в L-форме, так и D-форме.

Первые аминокислоты были открыты в начале XIX в., а к кон-

цу века уже были выделены и изучены почти все аминокислот˝ы, входящие в состав белков. В настоящее время известно боле˝е 200

аминокислот. Важнейшая биологическая роль аминокислот ˝— по-

строение белковых молекул. Аминокислоты, участвующие в си˝н- тезе белков, принято называть протеиногенными, их насчиты˝ва-

ется 18. Кроме того, в синтезе белков принимают участие два а˝ми-

да — аспарагин и глутамин.

После синтеза белковой молекулы в ней могут происходить м˝о-

дификации радикалов некоторых аминокислот, поэтому при а˝на-

лизе состава белков кроме протеиногенных обнаруживают н˝екоторые другие аминокислоты (оксипролин, оксилизин и др.).

Аминокислоты, не участвующие в синтезе белков, являются

важными метаболитами, с участием которых происходит синт˝ез протеиногенных аминокислот, а также всех других азотисты˝х ве-

ществ растительного организма: нуклеотидов, амидов, азоти˝стых оснований, алкалоидов, некоторых липидов, многих витамино˝в, хлорофилла, фитогормонов (ауксинов, цитокининов), некотор˝ых фитонцидов. Строение и биологическая роль важнейших амин˝о- кислот представлены в таблице 3.1.

Растения и природные формы микроорганизмов способны синтезировать все необходимые им аминокислоты из других˝ органических веществ, тогда как организмы человека и животных˝ не способны к синтезу некоторых аминокислот, входящих в сост˝ав белков. Эти аминокислоты называют незаменимыми, и они должны поступать в организм с пищей.

Для взрослого человека незаменимыми являются восемь ами˝-

нокислот: лизин, триптофан, метионин, треонин, лейцин, валин˝,

изолейцин, фенилаланин. У детей и некоторых групп животны˝х к

незаменимым относятся также аргинин, гистидин и цистеин. ˝При недостатке незаменимых аминокислот ослабляется синтез белков,

что может быть причиной тяжелых заболеваний, а их недоста˝ток в

61

растительных кормах снижает выход животноводческой про˝дукции в расчете на единицу массы затраченного корма, в результате

чего повышается ее себестоимость.

В целях составления правильного пищевого рациона для каж˝- дого вида организмов с учетом возрастного и физического с˝остояния определены ежедневные нормы потребления незаменимы˝х

аминокислот. В среднем для человека они составляют, г: вали˝н —

5,0; лейцин — 7,0; изолейцин — 4,0; лизин — 5,5; триптофан — 1,0; треонин — 4,0; метионин — 3,5; фенилаланин — 5,0.

Чаще всего в кормах сельскохозяйственных животных в недо˝-

статочном количестве содержатся такие незаменимые амин˝окислоты, как лизин, триптофан и метионин. Для балансирования

кормов по содержанию этих аминокислот разработаны промы˝ш-

ленные способы их получения. Поскольку лизин и триптофан ˝усваиваются животными только в виде L-изомеров, для производ-

ства кормовых препаратов указанных аминокислот применя˝ют

микробиологический синтез, при котором реализуется прир˝одный механизм образования L-изомеров аминокислот. Поскольк˝у

метионин может усваиваться животными в виде D- è L-ôîðì, äëÿ

его промышленного получения используют менее затратный˝ химический синтез, дающий рацемическую смесь оптических из˝о-

меров этой аминокислоты.

Содержание свободных аминокислот в растениях зависит от˝ вида органа или ткани, возраста растений, внешних условий˝ и

особенно подвержено большим изменениям в зависимости от˝ ин-

тенсивности протекания тех биохимических процессов, кот˝орые сопряжены с их потреблением (синтез белков, нуклеиновых к˝ислот

èдругих азотистых веществ). Концентрация аминокислот по˝вышается при ослаблении ростовых процессов, недостатке питат˝ельных элементов, избыточном азотном питании, усилении процессо˝в распада белков при старении растений или прорастании семян.

Концентрации отдельных аминокислот могут возрастать в р˝е- зультате метаболических нарушений в организме и под возд˝ействием стрессов. Так, например, при вододефицитном стресс˝е в клетках растений происходит накопление аминокислоты пр˝олина, а при избыточном аммонийном питании — аспарагина, глута˝мина

èаргинина.

3.2. СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ

Чистые препараты аминокислот — белые кристаллические в˝е- щества с высокой температурой плавления (свыше 200 °С). Мно-

гие из них хорошо растворяются в воде, за исключением кисл˝от с

62

гидрофобными радикалами. В водном растворе карбоксильны˝е группы аминокислот подвергаются диссоциации с образова˝нием катионов водорода, а азот аминогруппы довольно активно пр˝исо-

единяет катионы водорода, превращаясь в заряженную групп˝и-

ровку, в результате чего образуется биполярное соединени˝е:

В сильнокислой среде диссоциация карбоксильных групп по˝- давляется высокой концентрацией ионов водорода, и в таких˝ усло-

виях заряд молекулы будет положительным, так как он опред˝еля-

ется зарядом атома азота, присоединившего протон:

При понижении концентрации ионов водорода (увеличение рН) степень диссоциации карбоксильных гpyпп yвeличивaeтcя, а

взаимодействие ионов водорода с азотом аминогруппы осла˝бева-

ет, вследствие чего при определенном значении рН большая ˝часть

карбоксильных групп будет диссоциировать и молекула ами˝но-

кислоты приобретает отрицательный заряд.

В щелочной среде под воздействием высокой концентрации

гидроксид-ионов происходит связывание катионов водород˝а,

присоединенных к аминогруппе, с образованием воды, в резу˝льта-

те чего заряд молекулы будет определяться только зарядом˝ карбоксильной группы:

При определенном значении рН среды положительный заряд

аминогрупп полностью уравновешивается отрицательным за˝рядом карбоксильных групп и молекулы аминокислоты становя˝тся электpонейтральными. Такое состояние молекулы принято на˝зывать изоэлектрической точкой. Если рН среды ниже рН изоэлект-

рической точки молекулы аминокислоты, то она заряжена пол˝о-

жительно за счет заряда аминогруппы и ведет себя в водном˝ ра-

створе как катион. При рН среды выше рН изоэлектрической т˝оч-

ки молекула аминокислоты заряжена отрицательно за счет

диссоциации карбоксильной группы и ведет себя в водном ра˝ство-

ре как анион.

63

Опытным путем определено, что изоэлектрические точки моноаминомонокарбоновых кислот находятся в слабокислой с˝реде (рН 5—6,5), так как кислотные свойства у них выражены несколько сильнее, чем оснó вные. У моноаминодикарбоновых кислот

кислотные свойства выражены значительно сильнее, поэтом˝у их изоэлектрические точки находятся в кислой среде (рН 3—3,2). У˝

диаминомонокарбоновых кислот сильнее выражены оснó вные свойства, в связи с чем их изоэлектрические точки смещены˝ в ще-

лочную сторону (рН 9,7—10,8).

Поскольку в молекулах аминокислот имеются как кислотные˝,

òàê è îñíó вные группировки, они проявляют амфотерные свой-

ства и могут взаимодействовать и с кислотами, и с основани˝ями, образуя соответствующие соли:

Своими карбоксильными и аминными группировками аминокислоты могут вступать и в другие химические реакции, с по˝мо-

щью которых можно проводить качественный и количественн˝ый

анализ этих соединений. При взаимодействии аминокислот с˝о

спиртами образуются сложные эфиры, которые подвергаются˝ ва-

куумной перегонке при разных физических параметрах. Благ˝одаря этому можно разделять смеси аминокислот путем получения˝ и фракционной перегонки их эфиров.

Весьма характерная реакция аминокислот — их взаимодейс˝твие с азотистой кислотой. В ходе этой реакции образуется окси˝кислота с выделением воды и газообразного азота, объем которог˝о можно измерить и затем определить количество прореагировав˝шей

аминокислоты (метод Д. Ван-Сляйка).

При взаимодействии аминокислот с формальдегидом происх˝о-

дит связывание его молекул с их аминными группами, а карбо˝- ксильные группы остаются свободными, поэтому полученные˝ со-

единения можно оттитровать раствором щелочи. По количест˝ву

64

щелочи, затраченной на титрование, затем определяют колич˝е- ственное содержание аминокислот в растворе (метод С. П. С˝¸ренсена):

Наиболее чувствительная и точная реакция для обнаружени˝я

α-аминокислот — их взаимодействие с нингидрином. При нагр˝е-

вании раствора аминокислоты и нингидрина образуется окр˝ашенный в синий цвет продукт конденсации двух молекул нингидр˝ина

и аминокислоты. Интенсивность окрашивания в определенны˝х

пределах связана с концентрацией аминокислоты в раствор˝е.

Пролин и оксипролин, являющиеся иминокислотами, при взаи-˝

модействии с нингидрином дают желтоокрашенные продукты˝. Именно такие реакции используют в автоматических анализ˝ато-

рах аминокислот.

Аминокислоты довольно легко вступают в реакции с редуцир˝у-

ющими сахарами, образуя при этом темноокрашенные продук-

òû — меланоидины. На первом этапе взаимодействия аминокислоты и моносахарида образуются продукты их разложения: из с˝аха-

ров — фурфурол или оксиметилфурфурол, а из аминокислоты˝ —

альдегид, диоксид углерода и аммиак. На следующем этапе

фурфурол или оксиметилфурфурол, вступая в соединение с ам˝и-

нокислотами, образует меланоидины. Интенсивность реакци˝и

усиливается при повышенной температуре, которая создает˝ся при

термической обработке рacтитeльной продукции или ее

перерaботке (сушка овощей, фруктов и продуктов из картофел˝я, выпечка хлеба, получение макарон и кондитерских изделий)˝. Аналогичные явления наблюдаются при самосогревании зерна.

Промежуточные продукты меланоидинообразования — альд˝е-

гиды создают специфический запах, характерный для тех или˝

иных пищевых продуктов. Фурфурол имеет запах яблок, оксим˝е- тилфурфурол — меда, изовалериановый альдегид, образуем˝ый из аминокислоты лейцина, — запах ржаного хлеба. Конечные пр˝о- дукты реакций взаимодействия аминокислот с редуцирующи˝ми

сахарами — меланоидины вызывают потемнение растительн˝ых продуктов, что ухудшает их товарные свойства. В процессе х˝лебо-

печения реакции образования меланоидинов влияют на форм˝ирование цвета, вкуса и аромата ржаного и пшеничного хлеба.

В результате ферментативного окисления ароматических а˝ми-

нокислот тирозина и фенилаланина также образуются темно˝окра-

65

шенные продукты — меланины, вызывающие потемнение на воздухе очищенных клубней картофеля, измельченных корнепло˝дов, овощей и фрyктoв. Эти вещества совместно с меланоидинами оп˝- ределяют темный цвет ржаного хлеба и вызывают потемнение˝ ма-

карон при сушке.

Меланины синтезируются в ходе конденсации продуктов оки˝с-

ления тирозина и фенилаланина, возникающих под действием˝ фермента тирозиназы (см. с. 555—556).

В целях предотвращения потемнения растительных продукт˝ов

при хранении, сушке и переработке применяют технологии вы˝ра-

щивания сельскохозяйственных культур, не допускающие на˝коп-

ления в товарной продукции редуцирующих сахаров и свобод˝ных аминокислот.

Контрольные вопросы. 1. Каковы основные характеристики моноаминомонокарбоновых, моноаминодикарбоновых и диаминомонокарбоновых кислот? 2. Какие стереоизомеры аминокислот синтезируются в живых орг˝анизмах? 3. Каковы структурные и биологические особенности протеиногенных˝ аминокислот? 4. Что выражает понятие «незаменимые аминокислоты»? 5. В виде как˝их форм находятся аминокислоты в растворе и как они взаимодействуют с ки˝слотами, основаниями, азотистой кислотой, формальдегидом? 6. Какие продукты об˝разуются при взаимодействии аминокислот с редуцирующими сахарами и кисл˝ородом воздуха и как они влияют на товарные свойства растительной продукц˝ии? 7. В зависимости от каких факторов меняется концентрация аминокислот в ра˝стительных тканях?

66

4. НУКЛЕОТИДЫ

∙

Наряду с аминокислотами важнейшей группой азотистых ве-

ществ являются нуклеотиды. Их биологическое значение для˝ жизнедеятельности организмов определяется тем, что они испо˝льзу-

ются для построения молекул нуклеиновых кислот — дезок˝сири-

бонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК); входят в соста˝в

каталитических центров ферментов; участвуют в биоэнерге˝тичес-

ких процессах и синтезе углеводов, липидов, белков, алкало˝идов и других веществ. Некоторые нуклеотиды способны выполнять˝ ре-

гуляторные функции.

Главные структурные компоненты нуклеотидов — азотисты˝е

основания, пентозы (рибоза или дезоксирибоза) и остаток ор˝то-

фосфорной кислоты. В зависимости от углеводного компонен˝та различают две группы нуклеотидов: рибонуклеотиды, содерж˝ащие

остаток рибозы, и дезоксирибонуклеотиды, имеющие в своем ˝со-

ставе остаток дезоксирибозы. Дезоксирибонуклеотиды исп˝ользу-

ются организмами для синтеза ДНК, а рибонуклеотиды входят˝ в состав РНК, ферментов и макроэргических нуклеозидполифо˝сфатов.

Рибоза и дезоксирибоза в составе нуклеотидов находятся

â β-D-фуранозной форме:

Нуклеотиды образуются из двух типов азотистых оснований˝ —

производных пиримидина и пурина. Свойства оснований они

проявляют в водном растворе при взаимодействии с молекул˝ами

воды. Из пиримидиновых оснований наиболее важное значени˝е имеют урацил, тимин и цитозин как основные структурные ед˝и-

67

ницы нуклеотидов, образующих нуклеиновые кислоты. Кроме них известны и другие основания — 5-метилцитозин, псевдоу˝рацил, 5-оксиметилцитозин и др. 5-Метилцитозин и 5-оксиметилци- тозин в небольшом количестве могут содержаться в составе˝ нукле-

отидов ДНК и РНК, псевдоурацил — в транспортной РНК.

Из пуриновых оснований наибольшее значение имеют аденин˝ и гуанин, так как они используются для синтеза нуклеиновы˝х кис-

лот. В составе нуклеиновых кислот в небольшом количестве об-

наружены также и другие основания, которые образуются в ре-

зультате химической модификации аденина и гуанина: 7-мети˝л-

гуанин, 2-метиладенин, N-диметилгуанин и др. Важными промежуточными метаболитами являются гипоксантин, ксантин,

аллантоин. В некоторых растениях они могут накапливаться˝ в

свободном состоянии.

68

Все азотистые основания интенсивно поглощают ультрафио˝летовый свет при длинах волн 200—280 нм.

При соединении азотистых оснований с молекулой рибозы ил˝и дезоксирибозы образуются соединения, называемые нуклеозидами,

так как между пентозой и основанием возникает гликозидна˝я связь. Основания в данном случае можно рассматривать как ˝агли-

коны по отношению к пентозе.

В нуклеозидах гликозидная связь возникает между первым

углеродным атомом пентозы в β-фуранозной форме и азотом пу-

ринового (в девятом положении) или пиримидинового (в перв˝ом

положении) основания. Азотистые основания аденин, гуанин˝, ци-

тозин и урацил образуют при соединении с рибозой нуклеози˝- ды — аденозин, гуанозин, цитидин и уридин, а с дезокси-

рибозой — дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицит˝идин,

дезоксиуридин. Тимин, соединяясь с дезоксирибозой, дает д˝езо-

кситимидин.

* Объяснение термина см. далее. — Ïðèì. ðåä.

69

При интенсивном распаде нуклеиновых кислот азотистые ос-

нования и нуклеозиды могут накапливаться в растениях в зн˝ачи-

тельном количестве.

Фосфорнокислые эфиры нуклеозидов называют нуклеотидами. В составе нуклеотидов остатки ортофосфорной кислоты мог˝ут присоединяться к пятому или третьему атому углерода рибо˝зы или дезоксирибозы, а у некоторых рибонуклеотидов еще и ко вто˝рому

атому углерода рибозы. У свободных нуклеотидов фосфатная˝ группа обычно находится у пятого углеродного атома рибоз˝ы или

дезоксирибозы. В нейтральной среде остатки ортофосфорно˝й кислоты в молекулах нуклеотидов сильно диссоциированы, всле˝д- ствие чего могут присоединять катионы, поэтому при химиче˝ском

выделении нуклеотиды кристаллизуются в виде солей.

Изучение пространственной структуры азотистых основани˝й

методом рентгеноструктурного анализа показывает, что вс˝е они имеют почти плоскую конформацию. У них довольно легко про˝- исходит перегруппировка двойных связей, которая сопрово˝ждает-

ся таутомерными превращениями. Например, гуанин может суще-

ствовать в виде двух таутомерных форм:

Плоскость гетероциклического ядра основания в структуре

нуклеозидов и нуклеотидов может занимать в пространстве два

положения по отношению к пентозе, образуя две противополо˝ж- ные конформации — àíòè- è ñèí-конформацию. В àíòè-конфор-

мации структура азотистого основания развернута в сторо˝ну от

плоскости пентозы, а в ñèí-конформации ориентирована над ее плоскостью. В свободном состоянии пиримидиновые нуклеот˝иды

находятся преимущественно в àíòè-конформации, а пуриновые

довольно легко переходят из одной формы в другую.

Поскольку у нуклеотидов сильно выражены кислотные свой-

ства, их называют кислотами с учетом названий азотистых о˝снова-

ний и углеводного компонента. Так, например, рибонуклеоти˝д, имеющий остаток аденина, называют адениловой кислотой ил˝и аденозинмонофосфатом (АМФ). Дезоксирибонуклеотид, образ˝о- ванный из тимина, называют дезокситимидиловой кислотой и˝ли дезокситимидинмонофосфатом (дТМФ). Названия других нукл˝е- отидов представлены в таблице 4.1.

70