7.8. Классификация ферментов

В соответствии с принятой номенклатурой классификация ферментов проводится в зависимости от типа катализируемых ими реакций, кроме того, учитывается природа субстратов, акцепторов и расщепляемых связей, а также особенности строения отщепляемых, присоединяемых или переносимых групп. По типу катализируемых реакций все ферменты подразделяют на шесть классов.

1. Оксидоредуктазы –окислительно-восстановительные ферменты.

2. Трансферазы– катализируют реакции переноса атомных группировок от молекулы донора к молекуле акцептора.

3. Гидролазы– катализируют гидролитическое расщепление веществ с участием молекул воды.

4. Лиазы– катализируют отщепление групп от органических субстратов с образованием двойных связей или присоединение определенных группировок за счет разрыва двойных связей.

5. Изомеразы– ферменты изомеризации.

6. Лигазы(синтетазы) – катализируют реакции синтеза веществ, которые сопряжены с гидролизом АТФ или превращениями других макроэргических соединений.

В каждом из шести классов ферментов проводится их разделение на подклассы, а в подклассе выделяют группы ферментов, называемыеподподклассами. В каждом подподклассе отдельные ферменты записываются в определенной нумерации. Согласно такой группировке каждый фермент имеет классификационный номер, который записывается в виде четырех чисел, разделенных точками. Первое число (записанное слева) указывает принадлежность фермента к одному из шести классов, следующее за ним число обозначает подкласс, третье число – подподкласс, а четвертое - порядковый номер фермента в конкретном подподклассе. Так, например, фермент малатдегидрогеназа, катализирующий превращение яблочной кислоты в щавелевоуксусную, имеет классификационный номер 1.1.1.37, который показывает, что этот фермент относится к первому подклассу оксидоредуктаз, катализирующих окисление спиртовых групп, на что указывают первые два числа (1.1.). Третье число (1.1.1.) выражает принадлежность данного фермента к первому подподклассу, который объединяет группу каталитически активных белков, имеющих в качестве кофермента НАД. Четвертое число (37) определяет порядковый номер фермента в указанном подподклассе.

Вопросы для повторения.

1. Какова биологическая роль ферментов? 2. Как используются ферменты в пищевых производствах, сельском хозяйстве, медицине? 3. Какое строение имеют молекулы ферментных белков? 4. В чём состоит механизм ферментативного превращения молекул субстратов? 5. Какие свойства ферментов объясняют гипотезы «ключа и замка» и «индуцированного соответствия»? 6. В чём заключаются особенности действия ферментов, имеющих в качестве коферментов флавиновые и железо-серные группировки, а также гемы? 7. Каковы механизмы действия ферментов, имеющих в качестве коферментов НАД и НАДФ? 8. Как определяется и в каких единицах выражается каталитическая активность ферментов? 9. Что характеризует показатель «период полужизни фермента»? 10. В чём состоит природа образования изоферментов? 11. Какова биологическая роль изоферментов? 12. Как изменяется активность ферментов в зависимости от температуры, рН физиологической среды, концентрации фермента и субстрата? 13. Как действуют на ферменты активаторы и ингибиторы? 14. Какие известны разновидности активаторов и ингибиторов ферментов? 15. Каковы особенности локализации ферментов в клетках организмов? 16. Как осуществляется регуляция конститутивных ферментов? 17. В чём состоят механизмы регуляции индуцируемых ферментов? 18. Каковы механизмы регуляции ферментативной активности с участием гормонов, зимогенов, а также под действием света? 19. По какому принципу осуществляется классификация ферментов?

Резюме по модульной единице 7.

Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы, с помощью которых осуществляются химические реакции в живых организмах. Вещества, подвеогающиеся превращениям под действием ферментов называют субстратами. Субстрат реагирует с определённым участком белковой молекулы фермента, который называют каталитическим, или активным центром. В состав каталитического центра центра фермента входят аминокислотные остатки белковой молекулы с реакционноспособными группировками, занимающее разное положение в первичной структуре полипептидов, но сближающиеся при формировании третичной структуры.

У двухкомпонентных ферментов в составе активного центра содержится дополнительная группировка неаминокислотной природы, называемая коферментом. Коферменты являются производными витаминов, нуклеотидов, гетероциклических соединений, а также соединений, содержащих катионы металлов и железо-серные группировки. К важнейшим коферментам относятся НАД и НАДФ, ФАД, кофермент А, биотин, липоевая кислота, гемы, производные пиридоксина и фолиевой кислоты.

Ферметы синтезируются в организмах в виде множественных молекулярных форм, называемых изоферментами. Изоферменты – это белковые молекулы, различающиеся попервичной структуре, но катализирующие одну и ту же биохимическую реакцию и обладающие одним типом субстратной специфичности. С помощью изоферментов обеспечивается специфичность обмена веществ у разных генотипов, в разных органах и тканях одного и того же организма, или даже в разные фазы его развития. Кроме того, с участием изоферментов происходит адаптация организмов в изменяющихся условиях внешней среды.

Каталитическое действие фермента осуществляется главным образом за счёт электростатических и гидрофобных взаимодействий между группировками каталитического центра и молекулой субстрата, в ходе которых происходит перевод субстрата в активированное состояние, в результате чего осуществляется его превращение в продукты реакции. Действие фермента характеризуется очень высокой специфичностью. Он катализирует превращение только субстрата и способен распознавать пространственные изомеры органических веществ. На активность ферментов существенное влияние оказывают состав и условия физиологической среды: температура, рН среды, наличие активаторов и ингибиторов ферментов. Структурное соответствие между каталитическим центром фермента и субстратом характеризует показатель, называемый константой Михаэлиса.

Одноэтапные превращения субстратов катализируют молекулы фермента, растворённые в физиологической среде и не образующие ферментные комплексы. Многоэтапные превращения субстратов катализируют ферменты, объединённые в мультиферментные комплексы, которые находятся в растворённом состоянии в жидкой физиологической среде или связаны с внутриклеточными мембранами. Важную роль в регуляции ферментативных пеакций играют аллостерические ферменты, способные своим аллостерическим центром взаимодействовать с определёнными продуктами биохимических реакций и под их влиянием повышать или понижать каталитическую активность. Активность индуцибельных ферментов регулируют специфические белки, которые, как и аллостерические ферменты, способны перестраивать свою пространственную структуру под воздействием определённых химических веществ.

Тестовые задания к лекции 4. Тесты № 81-114.

Лекция 5. Обмен углеводов.

Аннотация. Рассматриваются биохимические реакции первичного синтеза углеводов у С₃- и С₄-растений, взаимопревращения моносахаридов – триоз, эритрозы, пентоз и гексоз. Излагаются молекулярные механизмы синтеза и распада олиго- и полисахаридов. Даются необходимые сведения о ферментах, катализирующих реакции синтеза и превращений углеводов.

Ключевые слова: цикл Кальвина, цикл Хетча-Слэка, рибулозодифосфат-карбоксилаза, фосфопируваткарбоксилаза, фотосинтетически активная радиация (ФАР), С₃- и С₄-растения, гликолиз, цикл Кребса, пентозофосфатный цикл, фотофосфорилирование, окислительное фосфорилирование, нуклеозиддифосфатпро-изводные моносахаридов (УДФ-глюкоза, УДФ-галактоза и др.), сахарозосинтетаза, гликозилтрансферазы, амилазы, инулаза, целлюлозосинтетаза, пектиназы и пртопектиназы.

Рассматриваемые вопросы:

1. Первичный синтез углеводов у С₃- и С₄-растений.

2. Механизмы образования и взаимопревращения триоз, эритрозы, пентоз и гексоз.

3. Синтез и распад олигосахаридов и полисахаридов.

Модульная единица 8. Обмен углеводов.

Цели и задачи изучения модульной единицы. Изучить механизмы синтеза, превращений и распада моносахаридов, олигосахаридов и полисахаридов, а также особенности действия ферментов, катализирующих эти реакции. Научить студентов использовать знания по обмену углеводов для прогнозирования биохимических процессов при обосновании технологий выращивания сельскохозяйственных культур и оценке качества растительной продукции.

0. Первичный синтез углеводов у С₃- и С₄-растений.

В ходе темновых реакций фотосинтеза происходит эндергонический процесс образования углеводов из диоксида углерода (СО₂) и воды, в котором в качестве энергетических источников используются продукты световых реакций НАДФ×Н и АТФ. Последовательность химических превращений в темновой стадии фотосинтеза была выяснена американскими биохимиками М Кальвином, А. Бенсоном и Д. Басхемом в 1946-53 г.г. и впоследствии названа циклом Кальвина вследствие того, что открытые ими превращения имели циклический механизм. Все эти реакции протекают встроме– жидкой дисперсионной среде хлоропластов.

Для установления первичных продуктов, которые образуются при фотосинтезе из СО₂и Н₂О, М. Кальвин и его сотрудники использовали культуру водорослей хлореллы, в которую вводили на свету меченный¹⁴С СО₂в виде Н₂¹⁴СО₃и через короткие промежутки времени отбирали пробы клеток суспензии водорослей и фиксировали их метанолом. После этого из клеток хлореллы выделяли углеводы и другие органические вещества и в них определяли наличие радиоактивной метки, обусловленной включением в эти продукты¹⁴С. При этом было установлено, что при коротких экспозициях (0,1-5 сек.) клеток водорослей в суспензионной среде, содержащей¹⁴СО₂, большая часть радиоактивной метки обнаруживалась в карбоксильной группе 3-фосфоглицериновой кислоты. Последнее свидетельствовало о том, что фосфоглицериновая кислота является первичным продуктом фотосинтеза.

В дальнейшем с использованием радиоактивной метки в виде ¹⁴С и³²Р было показано, что первичным акцептором, с которым взаимодействует СО₂служитрибулозо-1,5-дифосфат. И эту реакцию катализирует ферментрибулозодифосфаткарбоксилаза(4.1.1.39). Учитывая, что для образования карбоксильной группы кроме СО₂требуется еще молекула воды, первую реакцию цикла Кельвина можно записать следующим образом:

СН₂О(Р) СН₂О(Р) СООН (1)

| | |

С=О НО-С-Н + Н-С-ОН

| + ^*СО₂+ Н₂О¾¾®| |

Н-С-ОН àСН₂О(Р)^*СООН СН₂О(Р)

| Ý| 2 молекулы

Н-С-ОН С-ОН 3-фосфоглицериновой

| || кислоты

СН₂О(Р)С-ОН

рибулозо-1,5- |

дифосфат Н-С-ОН

|

СН₂О(Р)

енольная

форма

2 молекулы

3-фосфоглицериновой

рибулозо-1,5- енольная форма кислоты

дифосфат

Диоксид углерода в ходе реакции взаимодействует с енольной формой рибулозо-1,5-дифосфата, при этом образуется неустойчивый продукт – β–кетокислота, который под действием фермента гидролизуется, превращаясь в 3-фосфоглицериновую кислоту. При этом радиоактивный углерод обнаруживается в карбоксильной группе одной из двух синтезирующихся молекул 3-фосфоглицериновой кислоты.

Фермент рибулозодифосфаткарбоксилаза в большом количестве содержится в хлоропластах растений (до 16 % от общего количества белков), а также в клетках зелёных и пурпурных бактерий. Он состоит из восьми пар неидентичных субъединиц и имеет большую молекулярную массу (560000). Для проявления каталитической активности этого фермента необходимо присутствие катионов Mg²⁺.

Рибулозодифосфаткарбоксилаза аллостерически активируется фруктозо-6-фосфатом и аллостерически ингибируется фруктозо-1,6-дифос-фатом, которые образуются при последующих превращениях в цикле Кальвина 3-фосфоглицериновой кислоты, являющейся продуктом действия данного фермента. Образовавшаяся под действием рибулозодифосфаткарбоксилазы 3-фосфоглицериновая кислота в последующих реакциях восстанавливается до альдегида.

Вначале молекула 3-фосфоглицериновой кислоты активируется путём фосфорилирования с участием АТФ. Эту реакцию катализирует фермент фосфоглицераткиназа(2.7.2.3), включающий 355 аминокислотных остатков и активируемый катионами Мg²⁺:

СООН О

½фосфоглицерат-‖(2)

Н–С–ОН + АТФ ¾¾¾¾¾®С– О~(Р) + АДФ

½ киназа |

СН₂О(Р) Н–С–ОН

|

СН₂О(Р)

3-фосфоглицериновая 1,3-дифосфоглицериновая

кислота кислота

Продукт реакции 1,3-дифосфоглицериновая кислота представляет собой макроэргическое соединение, имеющее высокое значение потенциала переноса фосфатной группы ( при гидролизе DGºˈ= -49 кДж×моль^-1), в связи с чем оно уже легко подвергается восстановлению в следующей реакции под действием ферментатриозофосфат-дегидрогеназы(1.2.1.9) с участием восстановленной формы динуклеотида НАДФ×Н:

О О (3)

‖ триозофосфат- ‖

С–О~(Р) дегидрогеназаС–Н

½ + НАДФ·Н + Н⁺ ¾¾¾¾¾®‌ + НАДФ⁺+ Н₃РО₄

Н–С–ОН Н–С–ОН

| ½

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

1,3-дифосфоглице- 3-фосфоглице-

риновая кислота риновый альдегид

В ходе восстановительной реакции происходит синтез 3-фосфоглицерино-вого альдегида и отщепление от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты минерального фосфата. Участвующие в синтезе 3-фосфоглицеринового альдегида АТФ и НАДФ×Н являются продуктами световой стадии фотосинтеза.

Как было показано ранее, в результате связывания одной молекулы СО₂в первой реакции цикла Кальвина образуются 2 молекулы 3-фосфо-глицериновой кислоты, которые в ходе реакций 2 и 3 превращаются в две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, а последние довольно легко изомеризуются в фосфодиоксиацетон. Реакцию изомеризации катализирует ферменттриозофосфатизомераза(5.3.1.1):

Н

½

С=О триозофосфат- СН₂ОН (4)

| ^¾¾¾¾® |

Н–С–ОН ^¬¾¾¾¾ С=О

| изомераза|

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

3-фосфоглице- фосфодиокси-

риновый альдегид ацетон

Представленная реакция легко обратима, так как сопровождается небольшим изменением свободной энергии. Фермент триозофосфатизомераза отличается высокой молярной активностью (2800 кат×моль^-1фермента для превращения в фосфодиоксиацетон).

Образовавшиеся триозофосфаты не накапливаются в хлоропластах. Под действием фермента альдолазы(4.1.2.13) они конденсируются, превращаясь во фруктозо-1,6-дифосфат:

Н СН₂О(Р)

‌ ‌ (5)

СН₂ОН С=О С=О

| | альдолаза½

С=О + Н–С–ОН ¾¾®НО–С–Н

| | |

СН₂О(Р) СН₂О(Р) Н–С–ОН

фосфодиокси- 3-фосфоглицери-|

ацетон новый альдегидН–С–ОН

|

СН₂О(Р)

фруктозо-1,6-дифосфат

После этого от фруктозо-1,6-дифосфата происходит гидролитическое отщепление остатка фосфорной кислоты. Реакцию катализирует фермент фруктозо-1,6-дифосфатаза(3.1.3.11). В ходе этой реакции фруктозодифосфат превращается во фруктозо-6-фосфат:

СН₂О(Р) СН₂ОН (6)

| |

С=О фруктозо- С=О

| 1,6-дифос-|

НО–С–Н + Н₂О¾¾¾®НО–С–Н + Н₃РО₄

| фатаза|

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

фруктозо-1,6-дифосфат фрутозо-6-фосфат

Фруктозо-1,6-дифосфатаза – активируемый светом фермент. Его активирование происходит с участием восстановленного под действием света ферредоксина, который совместно со специфическим белком переводит фруктозо-1,6-дифосфатазу в активное состояние. От действия этого фермента зависит интенсивность включения СО₂в первой реакции цикла Кальвина. Если активность фруктозо-1,6-дифосфатазы низкая, то повышается концентрация фруктозо-1,6-дифосфата, который аллостерически ингибирует фермент рибулозодифосфаткарбоксилазу, вследствие чего понижается скорость первой реакции цикла Кальвина, катализируемой данным ферментом. А если фруктозо-1,6-дифосфатаза находится в активной форме, то повышается концентрация фруктозо-6-фосфата, являющегося аллостерическим активатором рибулозодифосфаткарбоксилазы. При таких условиях связывание СО₂проходит с максимальной скоростью.

На следующем этапе фотосинтеза фермент транскетолаза(2.2.1.1) катализирует перенос концевого двууглеродного радикала, содержащего кетонную группу, от фруктозо-6-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид, который образуется в результате присоединения к рибулозо-1,5-дифосфату ещё одной молекулы СО₂и повторения реакций 2 и 3. В результате взаимодействия гексозы и триозы синтезируются новые углеводные продукты – эритрозо-4-фосфат и ксилулозо-5фосфат:

Н (7)

СН₂ОН Н½

| ½С=О СН₂ОН

С=О С=О | |

| | транскето- Н–С–ОН + С=О

НО–С–Н + Н–С–ОН ¾¾®| |

| | лазаН–С–ОН НО–С–Н

Н–С–ОН СН₂О(Р) | |

| СН₂О(Р) Н–С–ОН

Н–С–ОН 3-фосфоглицери- эритрозо-4-|

| новый альдегид фосфат СН₂О(Р)

СН₂О(Р)ксилулозо-5-

фруктозо-6-фосфат фосфат

Ещё одна молекула 3-фосфоглицеринового альдегида, синтезированная в результате связывания второй молекулы СО₂, изомеризуется далее в реакции 4 в фосфодиоксиацетон, который затем соединяется с эритрозо-4-фосфатом, образуя седогептулозо-1,7-дифосфат. Эту реакцию катализирует ферменттрансальдолаза(2.2.1.2):

Н СН₂О(Р) (8)

½|

СН₂О(Р) С=О С=О

| | трансальдо-|

С=О + Н–С–ОН ¾¾¾®НО–С–Н

| | лаза|

СН₂ОН Н–С–ОН Н–С–ОН

фосфодиоксиацетон| |

СН₂О(Р) Н–С–ОН

эритрозо-4-фосфат|

Н–С–ОН

|

СН₂О(Р)

седогептулозо-

1,7-дифосфат

В следующей реакции происходит гидролиз седогептулозо-1,7-ди-фосфата, который катализирует специфическая фосфатаза. В ходе реакции

от седогептулозо-1,7-дифосфата отщепляется остаток фосфорной кислоты и таким образом осуществляется синтез седогептулозо-7-фосфата:

СН₂О(Р) СН₂ОН (9)

| |

С=О С=О

| фосфатаза |

НО-С-Н + Н₂О¾¾¾®НО-С-Н + Н₃РО₄

| |

Н-С-ОН Н-С-ОН

| |

Н-С-ОН Н-С-ОН

| |

Н-С-ОН Н-С-ОН

| |

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

седогептулозо-1,7- седогептулозо-7-

дифосфат фосфат

После этого снова вступает в действие фермент транскетолаза, катализирующий перенос двууглероного радикала с кетогруппой от седогептулозо-7-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид, который синтезируется за счёт связывания в первой реакции цикла Кальвина уже третьей молекулы СО₂. Продукты реакции, катализируемой транскетолазой, – пятиуглеродные производные моносахаридов ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат:

(10)

Н

СН₂ОН Н ½

| ½ СН₂ОН С=О

С=О С=О | |

| | транскетолаза С=О Н–С–ОН

НО–С–Н + Н–С–ОН ¾¾¾® | + |

| | НО–С–Н Н–С–ОН

Н–С–ОН СН₂О(Р) | |

| 3-фосфоглицери- Н–С–ОН Н–С–ОН

Н–С–ОН новый альдегид | |

| СН₂О(Р) СН₂О(Р)

Н–С–ОН ксилулозо-5- рибозо-5-

| фосфат фосфат

СН₂О(Р)

седогептулозо-7-

фосфат

В последующих реакциях цикла Кальвина осуществляется изоме-ризация фосфорнокислых производных пентоз, которая обеспечивает регенерацию первичного акцептора СО₂– рибулозо-1,5-дифосфата. Образовавшиеся в реакциях 7 и10 молекулы ксилулозо-5-фосфата превращаются в рибулозо-5-фосфат под действием ферментарибулозофосфатэпимеразы(5.1.3.1), который способен изменять на противоположную пространственную ориентацию водорода и гидроксильной группы у третьего углеродного атома пентозы:

СН₂ОН СН₂ОН (11)

| |

С=О ¾¾¾®С=О

| ¬¾¾¾|

НО-С-Н Н-С-ОН

| |

Н-С-ОН Н-С-ОН

| |

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

ксилулозо-5- рибулозо-5-фосфат

фосфат

Н (12)

‌ С=О СН₂ОН

| рибозофосфат- |

Н-С-ОН ¾¾¾®С=О

| ¬¾¾¾|

Н-С-ОН изомераза Н-С-ОН

| |

Н-С-ОН Н-С-ОН

| |

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

рибозо-5-фосфат рибулозо-5-фосфат

Превращение рибозо-5-фосфата в рибулозо-5-фосфат катализирует фермент рибозофосфатизомераза (5.3.1.6):

СН₂ОН СН₂О(Р) (13)

| |

С=О С=О

| фосфорибулокиназа |

Н-С-ОН + АТФ ¾¾¾®Н-С-ОН + АДФ

| |

Н-С-ОН Н-С-ОН

| |

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

рибулозо-5-фосфат рибулозо-1,5-дифосфат

Окончательную регенерацию первичного акцептора СО₂ осуществляет фермент фосфорибулокиназа (2.7.1.19), катализирующий фосфорилирование от АТФ рибулозо-5-фосфата:

В ходе указанных выше тринадцати реакций происходит включение в состав углеводных производных трёх молекул СО₂ и потребление трёх молекул первичного акцептора рибулозо-1,5-дифосфата, при этом осуществляется синтез шести молекул 3-фосфоглицеринового альдегида, из которых пять затрачиваются на регенерацию трёх молекул рибулозо-1,5-дифосфата и одна молекула 3-фосфоглицеринового альдегида остаётся как продукт темновой стадии фотосинтеза. Её синтез сопряжён с использованием биоэнергетических продуктов световой стадии фотосинтеза АТФ и НАДФ×Н.

Восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н участвуют в реакции 3 цикла Кальвина, которая в ходе синтеза 6 молекул 3-фосфоглицери-нового альдегида повторяется 6 раз и, следовательно, в этих реакциях потребляются 6 молекул восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н. АТФ участвует в реакции 2, которая, как и реакция 3, повторяется 6 раз, и в реакции 13, которая при синтезе 3 молекул первичного акцептора СО₂ рибулозо-1,5-дифосфата повторяется 3 раза. Всего при связывании 3 молекул СО₂ и восстановлении их до уровня 3-фосфоглицеринового альдегида потребляется 9 молекул АТФ.

Однако 3-фосфоглицериновый альдегид не накапливается в хлоропластах, он используется для синтеза гексозы. Часть молекул 3-фосфогли-церинового альдегида изомеризуется в фосфодиоксиацетон, который далее под действием альдолазы конденсируется с оставшимися молекулами 3-фосфоглицеринового альдегида и, таким образом, осуществляется синтез фруктозо-1,6-дифосфата. После гидролиза фруктозодифосфата с участием фруктозо-1,6-дифосфатазы образуется фруктозо-6-фосфат. Если учесть, что для синтеза фруктозо-6-фосфата потребуется связывание 6 молекул СО₂ в первой реакции цикла Кальвина и все выше указанные превращения, связанные с синтезом одной молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, должны повториться еще раз, суммарное уравнение темновой стадии фотосинтеза может быть записано в следующем виде:

ферменты

6СО₂ + 11Н₂О + 18АТФ + 12НАДФ×Н + 12Н⁺ ¾®фруктозо-6-фосфат + 18АДФ +

+ 12НАДФ⁺ + 17Н₃РО₄цикла Кальвина

В опытах с использованием СО₂, меченного ¹⁴С, было показано, что в течение 1-3 минут после экспозиции растений в атмосфере ¹⁴СО₂ все промежуточные продукты цикла Кальвина насыщаются меченым углеродом, а при более длительных экспозициях ¹⁴С обнаруживается уже в составе сахарозы, крахмала, органических кислот, аминокислот, липидов, белков и других органических веществ хлоропластов.

Следует отметить, что из всех реакций цикла Кальвина только первая и последняя (13) специфичны для фотосинтезирующих клеток, тогда как другие реакции могут протекать в любых других клетках и тканях фотосинтезирующих организмов в ходе синтеза, распада и превращений углеводов. При этом промежуточные метаболиты, образующиеся в цикле Кальвина, выводятся из этого цикла и потребляются для синтеза различных органических веществ в хлоропластах и листьях растений. Конечный продукт цикла Кальвина фруктозо-6-фосфат также включается в биосинтетические реакции, происходящие в фотосинтезирующих тканях, или превращается в транспортные формы, которые по сосудам флоэмы поступают в акцепторные органы растений.

Фотодыхание. Изучение механизма действия фермента рибулозоди-фосфаткарбоксилазы показало, что конкурентным ингибитором этого фермента является кислород, который конкурирует с СО₂при взаимодействии последнего с каталитическим центром ферментного белка. Поэтому при высокой концентрации кислорода и низкой концентрации СО₂в воздухе карбоксилирующая активность рибулозодифосфат-карбоксилазы понижается, но усиливается её оксигеназная способность, вследствие чего к рибулозо-1,5- дифосфату присоединяется не СО₂, а кислород, в результате происходит расщепление рибулозо-1,5-дифосфата на 3-фосфоглицериновую и фосфогликолевую кислоты:

СН₂О(Р) СООН

| |

С-ОН СН₂О(Р) Н-С-ОН

|| | + |

С-ОН + О₂¾¾®СООН СН₂О(Р)

| 2-фосфогли- 3-фосфоглице-

Н-С-ОН колевая кислота риновая кислота

|

СН₂О(Р)

енольная форма

рибулозо-1,5-ди-

фосфата

фосфата

Образовавшаяся фосфогликолевая кислота под действием специфической

фосфатазы подвергается гидролизу с образованием неорганического фосфата и гликолевой кислоты:

СН₂О(Р) фосфатаза СН₂ОН

| + Н₂О¾¾®| + Н₃РО₄

СООН СООН

гликолевая

кислота

Гликолевая кислота подвергается дальнейшим превращениям в пероксисомах – субклеточных органеллах, функциональная деятельность которых тесно связана с процессами, происходящими в хлоропластах и митахондриях. В пероксисомах гликолевая кислота окисляется с участием фермента гликолатоксидазы и превращается в глиоксиловую кислоту:

СН₂ОН гликолат- Н

| + О₂ ¾¾¾¾®½+ Н₂О₂

СООН оксидаза С=О

½

гликолевая СООН

кислота глиоксиловая

кислота

Продукт данной реакции Н₂О₂ разлагается под действием каталазы на воду и кислород, а глиоксиловая кислота аминируется от глутаминовой кислоты, превращаясь в аминокислоту глицин:

Н

½ + СН₂-СООН СН₂NH₂СН₂-СООН

С=О | аминотранс- | + |

½СН₂¾¾¾¾®СООН СН₂

СООН | фераза глицин |

глиоксиловая СНNH₂-СООН СО-СООН

кислота глутаминовая a-кетоглутаровая

кислота кислота кислота

Аминокислота глицин не накапливается в пероксисомах, а транспортируется из пероксисом в митохондрии, где участвует в синтезе аминокислоты серина (рис. …). Эту реакцию катализируют ферменты глициндекарбоксилаза и серинтрансгидрооксиметилаза, имеющая в активном центре в качестве кофермента тетрагидрофолиевую кислоту. В ходе реакции синтеза серина происходит также высвобождение СО₂ и NH₃, а также образование НАД×Н:

СН₂NH₂+Н₂О СН₂ОН

| + НАД⁺¾¾®| + СО₂+NH₃ + НАД×Н + Н⁺

CООН СНNH₂

глицин |

СООН

серин

Образовавшийся в митахондриях серин может далее транспортироваться в пероксисомы и под действием аминотрансферазыпередавать аминогруппу на молекулы пировиноградной кислоты. В результате этой реакции серин превращается в гидроксипировиноградную кислоту, а пировиноградная кислота в аминокислоту аланин:

СН₂ОН СН₃ СН₂ОН СН₃

| | аминотранс- | |

СНNH₂+ С=О¾¾¾®С=О + СНNH₂

| | фераза | |

СООН СООН СООН СООН

серин пировино- гидроксипи- a-аланин

градная ровиноградная

кислота кислота

СН₂ОН СН₂ОН

| |

С=О + НАДФ×Н +Н⁺ ¾¾®СНОН + НАДФ⁺

| |

СООН СООН

гидроксипиро- глицериновая

виноградная кислота

кислота

Гидроксипировиноградная кислота восстанавливается в глицериновую кислоту с участием дегидрогеназы:

Продукт этой реакции глицериновая кислота может затем в хлоропластах фосфорилироваться и, превращаясь в 3-фосфоглицериновую кислоту, включаться в реакции цикла Кальвина:

СН₂ОН СН₂О(Р)

| глицераткиназа |

СНОН + АТФ ¾¾¾¾¾¾®СНОН + АДФ

| |

СООН СООН

глицериновая 3-фосфо-

кислота глицериновая

кислота

Таким образом, при взаимодействии пероксисом, хлоропластов и митохондрий в фотосинтезирующих клетках растений осуществляется процесс, связанный с поглощением О₂ и высвобождением СО₂, который называют фотодыханием. Кислород принимает участие в первой реакции, где он связывается вместо СО₂ с молекулами рибулозо-1,5-дифосфата, и при окислении фосфогликолевой кислоты в пероксисомах. Выделение СО₂ происходит в митохондриях в ходе синтеза аминокислоты серина.

В связи с тем, что при фотодыхании осуществляются превращения гликолевой кислоты – продукта разложения первичного акцептора СО₂, синтезируемого в реакциях цикла Кальвина, за счёт таких превращений уменьшается количество связанной в ходе фотосинтеза СО₂, в результате чего понижается урожайность растений. В опытах установлено, что в естественных условиях произрастания при повышенных температурах, снижающих концентрацию СО₂ в хлоропластах, продуктивность растений вследствие интенсивного фотодыхания может понижаться на 30-40 %.

Исходя из этих данных, учёными–биохимиками сформулирована важнейшая задача для селекционеров и генетиков по выведению новых сортов сельскохозяйственных культур с пониженной скоростью фотодыхания. Одним из главных направлений такой работы является оптимизация структуры каталитического центра фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, направленная на усиление карбоксилазной и ослабление оксигеназной активности этого фермента. Для решения указанной проблемы большие надежды возлагаются на применение методов генетической и белковой инженерии.