Ферменты

Ферменты – это биологические катализаторы, способные в тысячи и даже в миллионы раз ускорять течение химических реакций. Ферменты играют главную роль в обмене веществ. Молекулы ферментов значительно больше молекул превращающихся веществ (субстратов). В ходе ферментативной реакции субстрат соединяется с определенным небольшим участком молекулы фермента. Гидролиз сахарозы под действием фермента протекает в три стадии (рис.7).

Рис. 7. Ферментативный гидролиз субстрата

1. Связывание молекулы субстрата с ферментом с образованием активированного комплекса. 2. Гидролиз молекулы сахарозы под действием воды с образованием глюкозы и фруктозы. 3. Освобождение фермента с отделением молекул продуктов реакции.

Белки в клетках постоянно подвергаются обмену. Непрерывно идет синтез и распад белков, перераспределение их между отдельными тканями и органами растений.

18. Какое из перечисленных соединений является аминокислотой:

CH₃СООН, CH₃CH₂NH₂, H₂NCH₂СООН, CH₃С(О) NH₂, НОСН₂СН₂NH₂?

19. Отметьте пептидную связь:

20. Напишите уравнение реакции, в которой происходит конденсация трех молекул глицина H2NCH2СООН.

21. В какой из аминокислот – лейцин, лизин, метионин – массовая доля азота n (N) наибольшая?

22. Сколько миллилитров азота выделится при дезаминировании (разложении с отщеплением молекулярного азота) 0,2 моль дипептида глицилфенилаланина?

23. Напишите уравнения реакций кислотного и щелочного гидролиза цистеиласпарагиновой кислоты (дипептида).

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты представляют собой генетический материал всех живых организмов. Они участвуют в биосинтезе клеточных белков, в том числе и белков-ферментов. Таким образом, все процессы обмена веществ в клетках (как растений, так и животных) управляются нуклеиновыми кислотами.

Количество нуклеиновых кислот в молодых листьях и в точках роста побегов значительно больше, чем в старых листьях и в стеблях. Содержание этих кислот в органах растений следующее (в процентах от сухой массы): семяпочка мака – 5–6%, зародыши кедрового ореха – 7%, зародыши пшеницы – 8%. В листьях и стеблях большинства растений содержание нуклеиновых кислот составляет 0,1–1%.

Нуклеиновые кислоты состоят из мономерных единиц (нуклеотидов), соединенных сахарофосфатными связями. Нуклеотиды отличаются друг от друга азотистыми гетероциклическими основаниями (В), связанными с моносахаридами (рибозой или дезоксирибозой) (рис. 8). В полинуклеотиде имеется сахарофосфатная цепь, построенная с помощью диэфирных мостиков между 3-м и 5-м углеродами остатков сахаров.

Рис. 8. Нуклеотидные звенья, соединенные сахарофосфатными связями

В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов. Это рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие сахар рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие сахар 2-дезоксирибозу.

Молекула ДНК состоит из двух спиральных нуклеотидных цепей, удерживающихся вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Азотистые основания удерживаются между собой водородными связями. При этом аденин всегда спаривается с тимином (А–Т), а гуанин – с цитозином (Г–Ц). То есть пуриновое основание образует специфическую водородную связь с пиримидиновым основанием. При таком сочетании основания оказываются точно подогнанными друг к другу. Общий размер и форма двух этих пар оснований одинаковы. Это – комплементарные основания. Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее. Схематически развернутые цепи ДНК изображены на рис. 9.

Рис. 9. Схема развернутой цепи ДНК

Спаривание оснований – аденина с тимином и гуанина с цитозином – показано на рис.10.

Рис. 10. Водородные связи между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми основаниями

РНК в отличие от ДНК бывает по большей части одноцепочечной. Различают три формы РНК – транспортную (тРНК), рибосомальную (рРНК) и информационную, или матричную (мРНК). Все эти формы РНК участвуют в синтезе белков.

Нуклеотиды в растениях могут фосфорилироваться с образованием моно-, ди- и трифосфонуклеотидов. При фосфорилировании аденина получают последовательно аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ).

При гидролитическом отщеплении двух концевых фосфатных групп от АТФ выход свободной энергии на 1 моль каждой из них составляет 30,6 кДж. При гидролизе АТФ выделяется больше энергии, чем при гидролизе многих других соединений. По этой причине принято говорить, что АТФ и АДФ содержат высокоэнергетические пирофосфатные связи.

АТФ – постоянный источник энергии для клетки. Когда клетка нуждается в энергии, она гидролизует АТФ. Ферментативные реакции подразделяют на анаболические (реакции синтеза) и катаболические (реакции распада).

Распад нуклеиновых кислот в растениях до более простых соединений происходит в несколько стадий и катализируется ферментами. В первую очередь расщепляются сахарофосфатные связи. В результате из ДНК и РНК получаются мононуклеотиды. Образовавшиеся нуклеотиды используются в синтезе новых молекул нуклеиновых кислот или распадаются дальше до нуклеозидов и фосфорной кислоты:

В нуклеозидах, в свою очередь, расщепляется гликозидная связь между основанием и пентозой.

Все реакции распада молекул нуклеиновых кислот проходят с участием молекул воды, поэтому ферменты, осуществляющие эти реакции, получили название гидролиз.

Растения очень экономно используют азотсодержащие соединения и превращают их в ряд других низкомолекулярных соединений, участвующих в обмене веществ. Так, пуриновые основания (аденин и гуанин) подвергаются ферментивному, гидролитическому дезаминированию с образованием гипоксантина и ксантина. Гипоксантин ферментативно окисляется до ксантина, а затем последовательно до мочевой кислоты, аллантоина, глиоксиловой кислоты и мочевины. Конечными продуктами распада являются аммиак и углекислый газ (рис. 11). Азот аммиака вновь используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих мономеров.

Рис. 11. Схема распада пуриновых оснований в растениях