МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –

МСХА имени К.А.ТИМИРЯЗЕВА

Н.Н. Новиков

Биохимия сельскохозяйственных растений

Москва

Издательство РГАУ – МСХА

2017

УДК 581.19

ББК 28.57

Б 63

Новиков Н.Н. Биохимия сельскохозяйственых растений: Учеб-ник для бакалавров / Н.Н. Новиков. М.: Росинформагротех, 2017, 579 с.

Учебник содержит современные сведения о превращениях веществ и энергии в растительных организмах и биохимических процессах накопле-ния в них полезных химических веществ. В нём также изложены молеку-лярные основы формирования химического состава и качества раститель-ной продукции и биохимические изменения в ней под влиянием природно-климатических факторов и режима питания сельскохозяйственных куль-тур.

Учебник содержит сведения, необходимые для формирования про-фессииональных компетенций при подготовке бакалавров по направлению 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение» и рекомендуется Научно-мето-дическим советом по сельскому хозяйству для использования в учебном процессе.

Рецензенты: д.т.н., профессор, веду-щий научный сотрудник лабо-ратории биохимии зерна и зернопродуктов ФГБНУ ВНИИ зерна и продук-тов его переработки Г.П. Карпиленко; д.б.н., ведущий научный сотрудник кафедры агрохимии и биохимии растений Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Л.П. Воронина.

ISBN

© Новиков Н.Н., 2017

© ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА

имени К.А.Тимирязева, 2017

© Издательство РГАУ-МСХА, 2017

Введение

Биохимия (биологическая химия) изучает химические процессы, происходящие в живых организмах. Важнейшие ее задачи – выяснение хи-мического состава микроорганизмов, растений, животных и человека как на молекулярно-клеточном, так и на организменном уровне, а также иссле-дование строения, функций и механизмов превращения веществ, участ-вующих в жизнедеятельности организмов. Современную биохимию в пол-ной мере можно считать наукой, главная цель которой – познание хими-ческих основ жизненных явлений.

В зависимости от объектов исследования в качестве самостоятель-ных научных направлений выделяют биохимию микроорганизмов, расте-ний, животных и человека, а также техническую биохимию, изучающую химические процессы при хранении и переработке продуктов растительно-го, животного и микробного происхождения.

Химические превращения в живых организмах обычно называют биохимическими реакциями или процессами, а образующиеся продукты таких реакций – метаболитами. Вся совокупность биохимических реакций в организме объединяется более общим названием – обмен веществ или метаболизм. Последовательности биохимических реакций, связанные с синтезом и превращениями определенных химических веществ или групп структурно близких соединений, принято называть метаболическими путями.

Являясь в своей основе химической наукой, биохимия широко ис-пользует химические и физико-химические методы исследований: колори-метрический и спектроскопический анализ, различные виды хроматогра-фии, избирательную адсорбцию, ультрацентрифугирование, электрофорез и изоэлектрофокусировку, рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, ядерный магнитный резонанс, применение радиоактивных и стабильных изотопов и др. Вместе с тем биохимики разработали и свои специфические методы исследований. Главные особенности этих методов – применение щадящих способов выделения веществ, лиофильное высу-шивание биологического материала и использование защитных добавок с целью сохранения нативных свойств изучаемых веществ.

В процессе биохимических исследований очень часто используют искусственные полипептиды и олигонуклеотиды, иммуносорбцию и имму-нохимический анализ, а также специфические ферментные препараты, поз-воляющие направленно изучать тот или иной биохимический процесс. С целью более глубокого познания химических превращений, происходящих в организмах, применяются приёмы моделирования биохимических про-цессов в искусственных системах вне организма, а также разработаны специальные методики для проведения биохимических экспериментов в живых объектах (растения, животные, микроорганизмы).

Со времен глубокой древности люди в борьбе за свое существование научились использовать многие биохимические процессы, которые были положены в основу различных производств: приготовления хлеба, сыра, вина и пива, дубления кож, ферментации чая и табака, получения кисломолочных и квашеных продуктов, лекарственных, витаминных и других препаратов. Однако механизмы этих процессов длительное время оставались неизвестными.

Функционально-биохимическое изучение органических веществ было начато в XVIII веке, когда в химическом анализе стали применять количественные методы. Из тканей животных и растений были выделены многие химические вещества и предприняты попытки выяснить их стое-ние, химические свойства и биологические функции в организме. Осо-бенно заметным событием в становлении биохимии как самостоятельной науки следует считать открытие действия ферментов – биологических катализаторов белковой природы, с помощью которых осуществляются химические реакции в живых организмах. Ученый Российской академии наук К.С. Кирхгоф в 1814 г. установил, что в прорастающем зерне пше-ницы содержится вещество, способное катализировать гидролитическое превращение крахмала в декстрины и сахар. Это вещество впоследствии назвали амилазой. В настоящее время известно, что гидролиз крахмала катализирует не один фермент, а целая группа амилаз.

Открытие К.С. Кирхгофа положило начало активному изучению ферментативных реакций и к концу XIX века стало совершенно очевид-ным, что почти все химические превращения в живых клетках происходят с участием ферментов и благодаря действию этих катализаторов обеспе-чивается нормальная жизнедеятельность организмов. В дальнейшем Э. Бухнер (1897) обнаружил в бесклеточных дрожжевых экстрактах вещества, способные катализировать брожение сахара, и таким образом было показано, что в основе своей микробиологические процессы также обусловлены определенными химическими реакциями, которые происхо-дят под воздействием ферментов, выделяемых в окружающую среду микробными клетками.

В течение XVIII–XIX веков проводилось изучение многих химичес-ких веществ, входящих в состав растительных и животных тканей, опре-делялось их содержание и значение для питания и хозяйственной деятель-ности человека. В середине XIX века Ю. Либих, используя новые аналити-ческие методы определил содержание в пищевых продуктах белков, жиров и углеводов, а Н.Э. Лясковский выполнил детальные исследования по оценке содержания белков в зерне пшеницы и количества азота в расти-тельных белках. В 1868 г. швейцарский химик И.Ф. Мишер впервые обна-ружил в клеточном ядре дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). В 1880 г. Н.И. Лунин открыл в молоке вещества, которые впоследствии назвали витаминами. В 1901 г. Э.Г. Фишер сформулировал основные положения полипептидной теории строения белков.

Таким образом, к концу XIX века биохимия сформировалась как са-мостоятельное научное направление, которое называли физиологической химией. Современное название этой науки "биохимия", или "биологичес-кая химия", было дано в начале XX века (К. Нейберг,1903), и в дальней-шем оно уже окончательно вошло в перечень фундаментальных биоло-гических наук.

Бурное развитие биохимии наблюдалось в первой половине XX века, когда во многих научных и образовательных учреждениях появились биохимические лаборатории и кафедры. В результате развернувшейся исследовательской работы уже проводилось не только изучение строения и функций органических веществ, входящих в состав организмов, но и выяснение механизмов их синтеза, распада и превращений.

С использованием современных методов определены структура, химический состав и биологические функции отдельных компонентов живого организма: органов, тканей, клеток, всех клеточных органелл и внутриклеточных мембранных комплексов. Значительные успехи достиг-нуты в разработке теории ферментативного катализа и регуляции химических процессов в организмах под действием аллостерических фер-ментов, гормонов и регуляторных белков. В результате углубленного изучения ультраструктуры клетки исследователям удалось сформулиро-вать основные концепции биоэнергетических процессов и биохимических превращений, происходящих с участием клеточных мембран и связанных с ними ферментных комплексов. Достижения биохимии послужили основой для разработки молекулярных основ морфогенеза и выяснения причин возникновения различных заболеваний, вызванных недостатком витами-нов, незаменимых аминокислот и жирных кислот, а также болезней, связанных с отсутствием в организме или недостаточным синтезом ферментов.

Биохимиками выполнены фундаментальные исследования по изу-чению химического состава сельскохозяйственных, древесных, техничес-ких и лекарственных растений, в результате которых раскрыты механизмы синтеза и превращений основных химических веществ, участвующих в их жизнедеятельности и формировании урожая, а также определяющих качес-тво и безопасность растительной продукции. В ходе таких исследований установлено влияние природно-климатических факторов, агротехники и химических средств на количественную и качественную изменчивость химического состава растений и растительной продукции. В основном выяснены бихимические механизмы превращений веществ, происходящих при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции.

Основные направления развития современной биохимии – дальней-шее изучение ферментативных и биоэнергетических процессов; познание регуляторных механизмов на уровне отдельных органов, тканей, клеток и внутриклеточных структур, а также целого организма; разработка биохи-мических основ управления процессами жизнедеятельности организмов и оптимизации факторов внешней среды. Важное значение имеет также теоретическое обоснование различных прикладных направлений биохи-мии, связанных с развитием новых технологий получения продуктов пи-тания, кормовых и лекарственных препаратов, а также выращивания сельскохозяйственных культур и создания высокопродуктивных генотипов животных, растений и микроорганизмов.

В связи с тем что биохимия изучает молекулярные процессы в орга-низмах, она служит теоретической основой для ряда других наук – фи-зиологии, молекулярной и биохимической генетики, молекулярной био-логии, микробиологии, экологии, биотехнологии, эволюционной биологии, фитопатологии, агрохимии, химической защиты растений. Достижения биохимии находят широкое применение в различных областях хозяй-ственной деятельности человека: селекции растений, животных и микро-организмов, медицине, пищевой, парфюмерной и биотехнологической промышленности, биоэнергетике, сельском и лесном хозяйстве. Сведения по биохимии расширяют представления об устройстве окружающего нас мира, и прежде всего мира живой природы, поэтому они имеют важное образовательное значение.

1. Строение, свойства и биологические функции

основных органических веществ растений

1.1. Углеводы

Углеводы являются первичными органическими продуктами, кото-рые образуются в растительных клетках из диоксида углерода и воды в процессе фотосинтеза. В дальней­шем из углеводов синтезируются все дру-гие органические вещества растительного организма. На долю углеводов приходится до 80–90 % общей массы сухого вещества растений и они содержатся во всех растительных клетках. Углеводы и их производные – важнейшие компоненты сельскохозяйственной растительной продукции.

Молекулы углеводов образуются из углерода, водорода и кисло­рода. Однако в состав некоторых производных углеводов могут входить фосфор, азот и сера. По составу и строению молекул угле­воды разделяют на моносахариды, олuгосахариды и полисахариды.

Моносахариды представляют собой линейные или замкнутые цепоч-ки из 3–7 углеродных атомов, включающие гидроксильные, а также альде-гидные или кетонные группы. Молекулы олигосахари­дов образуются из двух или нескольких остатков моносахаридов одного или разных видов. Растворимые в воде моно- и олигосахариды вследствие их сладкого вкуса очень часто называют сахарами. Полисахариды – это линейные или раз-ветвленные полимеры, построенные из многих остатков моно­сахаридов, и их молекулярные массы могут достигать очень большой величины (от 2–3 тыс. до 1–2 млн.)

1.1.1. Моносахариды

Моносахариды – простые углеводы, в большинстве своем слад­кие на вкус, хорошо растворимые в воде. В зависимости от числа углеродных атомов в молекуле их под­разделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы. В связи с тем что в молекулах моносахаридов имеются альде-гидные или кетонные группы, способные вступать в окислительно-восстановительные реакции, их называют редуцирующими сахарами.

Моносахариды, содержащие альдегидную группу, принято называть альдозами. К важнейшим альдозам растений относятся глицериновый аль-дегид, эритроза, рибоза, ксилоза, арабиноза, глю­коза, манноза, галактоза. Моносахариды, имеющие кетонную груп­пу, называют кетозами. К ним относятся диоксиацетон, рибулоза, ксилулоза, фруктоза, седогептулоза.

Все моносахариды, кроме диоксиацетона, содержат асиммет­рические атомы углерода и поэтому образуют стереоизомеры, различающиеся опти-ческими свойствами. При пропускании через растворы таких стереоизоме-ров плоскополяризованного света происходит вращение плоскости поляризации света впра­во или влево на строго определенный угол.

Асимметрическим называют атом углерода, связанный ковалент­ны-ми связями с четырьмя разными атомами или группировками атомов. Моле­кула глицеринового альдегида содержит один асимметрический атом углерода (отмечен звездочкой), эритрозы – 2, рибозы – 3, глюкозы – 4:

Все моносахариды, имеющие пространственное положение водорода и гидроксильной группы у наиболее удаленного от альде­гидной или кетон-ной группы асимметрического атома углерода (последнего по нумерации) такое же, как у правовращающего глицеринового альдегида, относят к D-стереохимическому ряду и при написании их структурных формул гид-роксильную группу указывают справа от последнего по нумерации асим-метрического атома углерода (в предсгавленных формулах он отмечен звездочкой):

Другие мо­носахариды, у которых пространственная ориентация во-дорода и гидроксильной группы у последнего по нумерации асимметри-ческого атома углерода такая же, как у левовращающего глицеринового альдегида, относят к L-ряду и при написании их структурных формул гидро­ксильную группу у последнего по нумерации асимметрического атома углерода указывают слева:

В живых организмах преимущественно синтезируются и выполняют биологические функции D-формы моносахаридов и значительно реже L-формы.

Моносахариды, имеющие в молекуле 5 и 6 углеродных атомов, в водном растворе образуют устойчивые циклические полуацетали в ре-зультате внутримолекулярного взаимодействия альдегидной или кетонной группы с гидроксильной группой, чаще всего находящей­ся у пятого или шестого углеродного атома. При этом углеродный атом альдегидной или кетонной группы (полуацетальный атом угле­рода) становится асимметри-ческим, давая начало двум стереоизо­мерным формам с взаимно противо-положной пространственной ориентацией водорода и гидроксильной группы.

Стереоизомеры моносахаридов, у которых пространственное поло-жение водорода и гидроксильной группы у полуацетального атома углеро-да такое же, как у последнего по нумерации асимметрического атома угле-рода, называют a-формами, а стереоизомеры с противоположной конфигу-рацией группировок у полуацетального атома углерода – b-формами. Меж-ду a- и b-формами моносахаридов в водном растворе, составляющем основу жидкой физиологической среды живых клеток, устанавливается ди-намическое равновесие. Самопроизвольное превращение одной цикличес-кой формы в другую происходит через альдегидную или кетонную форму, которые в небольшом количестве также содержатся в растворе.

Поскольку шестичленные циклические формы моносаха­ридов явля-ются производными гетероциклического соединения пира­на, их называют пuранозамu. Пятичленные циклические формы моносахаридов, представ-ляющие производные гетероциклического соединения фурана, называют фуранозами.

Альдегидные формы гексоз в водном растворе существуют преиму-щественно в виде пираноз, так как шестичленная структура у них более устойчивая. Фруктоза присутствует в растительных клетках в фуранозной форме. У пентоз образуются как фуранозные, так и пиранозные формы.

Для изображения строения циклических форм моносахаридов обыч-но используют циклические формулы, предложенные В. Хеуорсом. В этих формулах циклическую структуру пираноз изображают на горизонтальной плоскости в виде шестиугольника, в котором линии на переднем плане обозначают более жирным шрифтом. Над и под плоскостью шестиуголь-ника отрезками вертикальных линий указывают расположение водорода, гидроксильных групп и других радикалов. Атомы углерода, обра­зующие циклическую структуру, в формулах Хеуорса не записывают.

В пространстве циклические формы моносахаридов могут су­щество-вать в виде нескольких конформаций. Пиранозная структу­ра чаще всего образует конформации молекулы в форме "кресла" или "лодки". Более устойчива конформация пиранозы в форме "кресла":

. кресло лодка

α-D-глюкоза

Фуранозная форма пентоз в пространстве очень часто реали­зуется в виде двух конформаций, которые различаются положени­ем второго и третьего углеродных атомов, они получили название N-конформации и S-конформации:

В реакциях с кислотами моносахариды с участием спиртовых гид-роксилов могут образовывать сложные эфиры, многие из которых играют важную роль в обмене веществ организмов. Особенно большое биологи-ческое значение имеют фосфорно­кислые эфиры моносахаридов, образую-щиеся с ортофосфорной кислотой, их называют фосфатами моносахари-дов. В молекулах фосфорнокислых эфиров моносахаридов остатки орто-фосфорной кислоты сокращенно обозна­чают Ⓟ. В биохимических превра-щениях наиболее часто встре­чаются следующие фосфорнокислые эфиры моносахаридов:

За счет взаимодействия гидроксильной группы у полуацеталь­ного атома углерода моносахариды способны образовывать про­изводные, назы-ваемые гликозидами. Неуглеводная часть гликози­да (агликон), которая присоединяется к полуацетальному атому углерода моносахарида, может быть представлена разными соеди­нениями (см. раздел 4). Так, например, при соединении b-D-глюкозы с ароматическим альдегидом ванилином образуется гликозид глюкованилин. Много глюкованилина содержится в плодах ванили. При гидролитическом расщеплении молекул глюковани-лина под действием фермента гликозидазы образуется альдегид ванилин, представляющий собой душистое вещество, которое используют в пище-вой и парфюмер­ной промышленности.

глюкованилин

При восстановлении альдегидных и кетонных групп моно­сахаридов образуются многoатомные спирты. Глицериновый аль­дегид и диоксиаце-тон восстанавливаются с образованием трех­атомного спирта – глицерина, рибоза и рибулоза – с образованием пятиатомного спирта – рибита, глю-коза и фруктоза – шестиатом­ного спирта – сорбита, манноза – маннита, галактоза – дульцита:

Спирты, образующиеся из моносахаридов, имеют сладкий вкус. Они представляют собой промежуточные продукты обмена углеводов и могут накапливаться в некоторых растениях в свободном виде. Сорбит впервые был выделен из ягод рябины, его много также содержится в плодах и листьях сливы, в плодах персиков, абрикосов, вишни, яблони и груши, в флоэмном соке древесных растений.

Маннит в значительном количестве содержится в засохших вы­деле-ниях, называемых манной, образующихся на стволах некоторых видов ясе-ней, а также в флоэмном соке древесных растений. Много его в грибах и водорослях, луке, моркови, ананасах, а в морской капусте его содержание достигает 20 % сухой массы. Дульцит, подобно манниту, выделяется на листьях и коре неко­торых деревьев.

При замещении гидроксильных групп в молекулах моносаха­ридов на атомы водорода образуются дезоксипроизводные моносахаридов, из кото-рых наиболее важное биологическое значение имеют D-2-дезоксирибоза и L-рамноза:

Дезоксирибоза входит в состав дезоксирибонуклеотидов, из ко­торых построены молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). L-рамноза входит в состав многих растительных камедей и глико­зидов, а в свободном виде обнаружена в листьях сумаха.

В молекулах аминопроизводных моносахаридов происходит замеще-ние гидроксильной группы на аминогруппу. В природе наиболее известны D-глюкозамин и D-галактозамин:

Глюкозамин входит в состав некоторых полисахаридов грибов и рас-тений, а также является структурным компонентом хитина у насекомых и ракообразных. Галактозамин – структурный компо­нент некоторых глико-липидов.

Альдегидные и первичные спиртовые (-СН₂ОН) группы мо­носахари-дов могут подвергаться окислению с образованием кар­боновых кислот. В результате окисления гексоз возникают три вида кислот: альдоновые, аль-даровые и уроновые. Если окислению подвергаются альдегидные группы гексоз, то последние превра­щаются в альдоновые кислоты. Так, например, глюкоза дает начало глюконовой кислоте, которая является промежуточ-ным продуктом в реакциях пентозофосфатного цикла (см. раздел 3.1.2.6). При одновременном окислении альдегидной и первичной спиртовой групп образуются двухосновные оксикислоты – альдаровые кис­лоты. Продукт окисления глюкозы – глюкаровая кислота, маннозы – ­маннаровая кислота, галактозы – галактаровая кислота.

В ходе био­химических превращений моносахаридов окислению мо-жет под­вергаться только первичная спиртовая группа, а альдегидная груп­па остается без изменения, в таком случае происходит синтез уроновых кислот. Поскольку альдегидная группа у них не окисляется, с ее участием они спо­собны образовывать циклические формы. Уроновые кислоты – промежуточные продукты при синтезе и превращениях моносахаридов, они также служат структурной основой ряда полисахаридов – пектиновых веществ, гемицеллю­лоз, растительных камедей.

При нагревании моносахаридов с концентрированной кисло­той про-исходит их дегидратация (отщепление молекул воды), вследствие чего пентозы превращаются в фурфурол, а гексозы ­- в оксимeтилфурфурол, которые при конденсации с фенолом дают окрашенные продукты, исполь-зуемые для колориметрического определения сахаров.