3.3. Обмен азотистых веществ

3.3.1. Синтез аминокислот

В растительном организме аминокислоты являются первичными азотистыми веществами, которые синтезируются из минеральных форм азота, поступающих главным образом из почвы в виде катионов аммония и нитрат-ионов. Другие азотистые вещества образуются в результате превращения аминокислот или с их непосредственным участием. Поскольку в процессе синтеза в аминокислоты включается аммонийная форма азота, нитраты в растительных клетках подвергаются восстановлению под действием соответствующих ферментных систем.

Акцепторами аммонийного азота при первичном синтезе аминокислот служат кетокислоты, которые являются продуктами реакций дыхания – пировиноградная, щавелевоуксусная, a-кетоглутаровая. Образование аминокислот из кетокислот и аммонийной формы азота называют восстановительным аминированием. Эти реакции катализируют ферменты – де-гидрогеназы, у которых роль коферментов выполняют восстановленные динуклеотиды НАД × Н или НАДФ × Н.

Восстановительное аминирование кетокислот проходит в две стадии. Вначале кетокислота реагирует с аммиаком, образуя иминокислоту. На следующем этапе дегидрогеназа восстанавливает иминокислоту в аминокислоту. Указанные реакции можно представить в виде следующих уравнений:

R–С–СООН + NН₃ ¾® R–С–СООН + Н₂О

|| ||

О NН

кетокислота иминокислота

R–С–СООН + НАД × Н + Н⁺ ¾® R–СН–СООН + НАД⁺

|| |

NH NH₂

иминокислота аминокислота

В растениях выявлены дегидрогеназы, катализирующие восстановительное аминирование пировиноградной, щавелевоуксусной, a-кетоглу-таровой кислот. В ходе этих реакций осуществляется синтез a-аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот:

аланинде-

СН₃–С–СООН + NH₃ + НАД × Н+Н⁺ ¾¾® СН₃–СН–СООН + Н₂О + НАД⁺

║ гидрогеназа │ ‌

О NН₂

пировиноградная a-аланин

кислота

СН₂–СООН аспартатде- СН₂–СООН

| + NH₃ + НАД × Н+Н⁺ ¾¾¾¾® | + Н₂О + НАД⁺

СО–СООН гидрогеназа CНNH₂–CООН

щавелевоуксусная аспарагиновая

кислота кислота

СН₂–СООН СН₂–СООН

| глутаматде- |

CН₂ + NH₃ + НАД × Н+Н⁺ ¾¾¾¾® СН₂ + Н₂О + НАД⁺

| гидрогеназа |

СО–СООН CНNH₂–CООН

a-кетоглутаровая глутаминовая

кислота кислота

В растительных клетках наиболее высокую активность проявляет фермент глутаматдегидрогеназа (1.4.1.3), катализирующий синтез глутаминовой кислоты. Большая часть этого фермента локализована в митохондриях и хлоропластах. Митохондриальная глутаматдегидрогеназа содержит в качестве кофермента НАД, а хлоропластная – НАДФ.

Наряду с глутаматдегидрогеназой синтез глутаминовой кислоты катализирует ещё один фермент – глутаматсинтаза (1.4.1.13), который осуществляет восстановительное аминирование a-кетоглутаровой кислоты за счёт амидной группировки глутамина:

О

//

СН₂–СООН СН₂–С–NН₂ СН₂–СООН

| | |

CH₂ + CH₂ + НАДФ × Н + Н⁺ → СH₂ + НАДФ⁺

| │ ‌ │

СО–СООН CHNH₂–COOH CHNH₂–COOH

a-кетоглутаровая глутамин глутаминовая

кислота кислота

Донорами электронов для фермента глутаматсинтазы в зелёных частях растений служат восстановленные молекулы ферредоксина, а в корнях – восстановленные динуклеотиды НАДФ × Н. Этот фермент представляет собой высокомолекулярный белок, содержащий в активном центре флавиновую и железосерную группировки, он более активен на свету.

С реакцией восстановительного аминирования, катализируемой глутаматсинтазой, сопряжена реакция образования глутамина, которая проходит с участием фермента глутаминсинтетазы (6.3.1.2). Под действием этого фермента глутаминовая кислота реагирует с аммиаком, а источником энергии для данного эндергонического превращения служат молекулы АТФ (см. с. 169). Глутаминсинтетаза – олигомерный белок с молекулярной массой более 500 тыс., проявляет каталитическую активность в присут-ствии катионов Mg²⁺. Данный фермент локализован преимущественно в цитоплазме, в хлоропластах его активность значительно ниже.

Из первичных аминокислот, синтезируемых в реакциях восстановительного аминирования кетокислот, путем дальнейших превращений образуются другие аминокислоты. Одним из таких механизмов являются реакции переаминирования, катализируемые аминотрансферазами.

В составе аминотрансфераз в качестве кофермента содержится производное витамина В₆ пиридоксальфосфат (ПДФ). Активной частью кофермента является альдегидная группа, которая обратимо реагирует с аминокислотами. Каталитическое действие кофермента усиливается наличием в пиридиновом кольце НО-группы, способной диссоциировать с образованием протона (Н⁺), который, присоединяясь к атому азота, образует биполярный ион пиридоксальфосфата. Фосфатный радикал –СН₂ОⓅ участвует в образовании лабильных связей с молекулой белка-фермента. Наибольшую активность в качестве доноров аминных групп проявляют глутаминовая и аспарагиновая кислоты, а также их амиды – глутамин и аспарагин.

+ R₁–СН–СОО¯ →

│

⁺NН₃

ПДФ аминокислота I ПАФ кетокислота II

+ R₂–СН–СОО^–

│

⁺NН₃

ПАФ кетокислота I ПДФ аминокислота II

В ходе реакции переаминирования аминокислота с радикалом R₁, соединяясь в активном центре фермента с пиридоксальфосфатом, образует промежуточное соединение, которое превращается в два продукта – a-ке-токислоту и пиридоксаминфосфат (ПАФ). Превращение пиридоксаминфосфата в пиридоксальфосфат происходит в результате обратной реакции, когда ПАФ, реагируя уже с другой кетокислотой (имеющей радикал R₂), последовательно проходит все стадии обратных реакций и превращается в промежуточное соединение, при гидролизе которого образуется новая ами-нокислота и регенерированный пиридоксальфосфат.

В результате переаминирования могут синтезироватья глутаминовая и аспарагиновая кислоты, a-аланин, серин, глицин, фенилаланин и другие аминокислоты, имеющие кетоаналоги в растительных клетках.

Содержание свободных аминокислот в растительных тканях подвержено постоянным изменениям. Значительное их количество затрачивается на синтез белков, нуклеотидов, нуклеиновых кислот и других азотистых соединений. Другая часть аминокислот превращается в безазотистые вещества – углеводы, жиры, органические кислоты, фенольные соединения. Концентрация протеиногенных аминокислот существенно возрастает, когда инициируется распад белков.