Биохимия растений
.pdfводой и паром), вызывающей инактивацию ферментов, или суль˝- фитации (обработка сернистым газом), при которой происход˝ит ингибирование окислительных ферментов, разрушающих аск˝орбиновую кислоту. Почти полное разрушение витамина С проис˝хо-
дит также при естественной сушке сена в полевых условиях.˝ В растительных продуктах аскорбиновая кислота обычно со˝-
держится в трех формах: в виде восстановленной формы (аско˝рбиновая кислота); окисленной формы (дегидроаскорбиновая ки˝сло-
та) и в виде аскорбиногенов, в которых аскорбиновая кислот˝а свя-
зана с другими соединениями и может высвобождаться при ги˝дро-
лизе. В зрелых плодах и овощах преимущественно накапливае˝тся
восстановленная форма аскорбиновой кислоты, а в незрелых˝ и перезрелых продуктах возрастает доля дегидроаскорбиновой˝ кисло-
ты, которая менее устойчива к действию окислителей, поэто˝му ее
больше теряется при хранении и переработке плодоовощной˝ про-
дукции.
Цитрин (витамин Р). Как показали исследования, заболевание цингой полностью не излечивается при введении чистых пре˝пара-
тов аскорбиновой кислоты, необходимы другие вещества, кот˝орые
называют витамином Р. Поскольку вещества, обладающие Р-ви˝та-
минной активностью, впервые были выделены из лимона, они п˝о-
лучили название цитрина. Действие этих веществ на биохими˝ческие процессы в организме тесно связано с аскорбиновой кис˝ло-
той. К комплексу витамина Р относят две группы флавоноидн˝ых
веществ: свободные флавоноидные соединения и их соединен˝ия с
углеводами — флавоноидные гликозиды. Наиболее высокой ˝Р-ви-
таминной активностью обладают катехины, относящиеся к гр˝уппе восстановленных флавоноидных соединений, которые содер˝жатся в растениях в свободном состоянии:
Довольно высокой Р-витаминной активностью обладают такж˝е флавоноидные соединения, содержащиеся в растениях в виде˝ гликозидов — это гесперидин è рутин. Молекулы гесперидина образованы из остатков α-L-рамнозы, β-D-глюкозы и метоксифлавонона — гесперетина, соединенных О-гликозидными связями:
141
Рутин представляет собой α-L-рамнозил-β-D-глюкозилпроиз-
водное флавонола кверцетина:
Вещества, относящиеся к комплексу витамина Р, принимают
участие в окислительно-восстановительных реакциях. Благ˝одаря их легкой окисляемости они предохраняют от окисления дру˝гие
соединения, в частности вещества, регулирующие деятельно˝сть кровеносных сосудов. Вследствие недостатка витамина Р по˝нижается упругость кровеносных сосудов и проницаемость капи˝лляров, что служит причиной точечных кровоизлияний. Суточная˝ потребность человека в витамине Р составляет 25—50 мг.
Много этого витамина содержится в растительных продукта˝х, богатых аскорбиновой кислотой: черной смородине, сладком˝ перце, плодах цитрусовых. Однако известны растительные проду˝кты с низким содержанием аскорбиновой кислоты, но богатые цит˝рином: чайный лист, некоторые сорта яблок, зерно гречихи. При хранении и переработке плодоовощной продукции потери ве˝- ществ, обладающих Р-витаминной активностью, существенно
ниже, чем аскорбиновой кислоты.
Свободные флавоноидные соединения — катехины — содер˝-
жатся во многих плодах и ягодах: яблоках, груше, айве, перси˝ках, абрикосах, вишне, землянике, смородине, малине, бруснике и д˝р.
142
Особенно много катехинов накапливается в молодых побега˝х чайного растения (до 30 % сухой массы), которое широко использую˝т в производстве чая.
Очень много гесперидина содержится в плодах цитрусовых ˝—
лимоне, апельсине, мандарине, причем наиболее богата гесп˝еридином кожура цитрусовых плодов. Рутин в большом количеств˝е
обнаружен в коре дуба, чайном листе, листьях яблони, листья˝х и плодах гречихи, хмеле, ягодах винограда. По витаминной акт˝ив-
ности гесперидин и рутин уступают катехинам. Содержание в˝ита-
мина Р в некоторых плодах и овощах варьирует в следующих пре-
делах, мг%:
Яблоки |
20—45 |
Капуста и корне- |
30—50 |
Баклажаны, красный |
50—250 |
плоды |
|
перец, листовые |
|
Вишня |
100—250 |
овощи |
|
Клюква |
200—300 |
Черная смородина |
äî 1000 |
|
|
Пангамовая кислота (витамин В15). По химической структуре
представляет собой сложный эфир, образованный с участием˝ гидроксила шестого углеродного атома D-глюконовой кислоты и
N-диметилглицина:
Этот витамин синтезируется в клетках растений и микроорг˝а- низмов. Он стимулирует окислительные превращения в орган˝из-
мах и реакции метилирования. Как донор метильных групп ви˝та-
ìèí Â15 участвует в синтезе метионина, холина, стероидных гормонов. Обнаружено эффективное действие пангамовой кисло˝ты
на болезни печени, а также сердечно-сосудистые и ревматич˝еские
заболевания. Большое количество пангамовой кислоты соде˝ржится в листьях и семенах растений, в дрожжах и продуктах живо˝тно-
го происхождения. Человеку рекомендуется потреблять еже˝суточ-
но не менее 1—2 мг витамина В15.
143
Миоинозит (мезоинозит). Один из стереоизомеров циклическо-
го спирта инозита, обладающий витаминной активностью. Стр˝оение миоинозита может быть представлено следующей формул˝ой:
Миоинозит входит в состав липидов — фосфатидилинозитов˝,
участвует в биохимических процессах, проходящих в нервны˝х тка-
нях, возможный предшественник уроновых кислот, входящих в˝
состав клеточных стенок растений. При недостатке миоиноз˝ита
происходит замедление роста животных, выпадение волос. Су˝точ- ная потребность человека в миоинозите 1—1,5 г.
В растениях миоинозит накапливается главным образом в ви˝де
кальциево-магниевой соли инозитфосфорной кислоты — фитина.
Особенно много фитина содержится в семенах таких растени˝й, как
лен, соя, конопля, подсолнечник, хлопчатник — 1—3 %, семена злаковых — до 1 %. В незрелых семенах обнаруживается знач˝итель-
ное количество свободного миоинозита. Фитин используетс˝я расте-
ниями как запасное фосфорсодержащее вещество, которое сл˝ужит
источником фосфора в процессе прорастания семян и развит˝ия
проростков. Большое количество фитина содержится в отруб˝ях и жмыхах, из которых получают чистые препараты этого витами˝на.
S-Метилметионин (витамин U). По химическому строению этот витамин представляет собой метилсульфоновое производно˝е аминокислоты метионина:
Чистые препараты витамина U получают в виде солянокислой
соли S-метилметионинсульфонилхлорида. S-Метилметионин иг-˝ рает важную роль в активизации биохимических процессов в˝ сли-
зистой оболочке желудка и кишечника организма человека и˝ ока-
144
зывает положительное действие при лечении язвенных боле˝зней желудка и двенадцатиперстной кишки. В биохимических проц˝ессах этот витамин может участвовать как активный донор мет˝ильных групп. При лечении язвенных заболеваний суточная доза˝ ви-
тамина составляет не менее 250 мг.
Витамин U синтезируется в растениях, особенно много его со˝-
держится в овощах, мг% в расчете на сухую массу.
Томаты |
20—45 |
Спаржа |
100—150 |
Капуста белокочанная |
äî 85 |
Сельдерей |
15—25 |
6.3.АНТИВИТАМИНЫ
Âходе изучения строения, свойств и биологической функции˝
витаминов были обнаружены вещества, присутствие которых˝ в организме вызывает авитаминоз по определенным витамина˝м,
хотя данные витамины поступают в организм. Такие вещества˝
были названы антивитаминами.
Впервые механизм действия антивитаминов был выяснен в
1940 г. Д. Вудсом, который показал, что сульфаниламид (стрепто˝- цид) является метаболическим конкурентом витамина ï-амино-
бензойной кислоты, участвующей в синтезе дигидроптероев˝ой
кислоты — предшественника другого витамина — фолиево˝й кис-
лоты. По химическому строению сульфаниламид и ï-аминобен-
зойная кислота представляют собой структурные аналоги:
Сульфаниламид способен вместо ï-аминобензойной кислоты
вступать во взаимодействие с ферментом, катализирующим о˝бра-
зование дигидроптероевой кислоты, при этом фермент стано˝вится неактивным, из-за чего прекращается синтез дигидроптерое˝вой кислоты и, как следствие, ингибируется синтез фолиевой ки˝слоты, что и может быть причиной авитаминоза. Однако если в кле˝т- ках организма повысить концентрацию ï-аминобензойной кислоты, то действие сульфаниламида ослабляется. На основе сул˝ьфа-
ниламида и его структурных аналогов были разработаны мед˝и-
цинские препараты, подавляющие рост микроорганизмов пут˝ем
создания у них авитаминоза по фолиевой кислоте.
145
В дальнейшем были изучены структурные аналоги других витаминов, обладающие антивитаминной активностью. Все они спо˝- собны замещать в активном центре фермента биологически а˝ктивную витаминную группировку на химически измененную груп˝-
пировку структурного аналога, переводя фермент в неактивное состояние. Однако действие антивитаминов, представляющи˝х
структурные аналоги витаминов, обратимо и они могут вытес˝- няться из активного центра фермента при повышенной конце˝нт-
рации соответствующих витаминов.
Довольно хорошо изучено биологическое действие химичес˝ких
аналогов тиамина. Замещение в пиримидиновом кольце тиами˝на
метильной группы на этильную, пропильную и изопропильную˝ приводит к существенному снижению витаминной активност˝и
структурных аналогов тиамина, а при введении в пиримидино˝вое
кольцо бутилового радикала образуется соединение, облад˝ающее
антивитаминной активностью. В результате замещения в пир˝ими-
диновом кольце аминогруппы на гидроксильную образуется˝ окситиамин, обладающий очень сильным антивитаминным действи˝ем.
При модификации тиазолового кольца в молекуле тиамина та˝кже
образуется конкурентный аналог этого витамина — пирити˝амин,
обладающий сильным токсическим действием.
146
Известны также синтетические производные пиридоксина, к˝о- торые ингибируют ферментные системы, имеющие в активном центре коферментные формы этого витамина. Особенно сильн˝ым антивитаминным действием обладают 4-дезоксипиридоксин и˝
токсопиримидин, представляющий собой оксипроизводное п˝иримидиновой группировки молекулы тиамина. В процессе изуче˝ния
структурных аналогов выявлены антивитаминные формы для˝ многих других витаминов: пантотеновой кислоты, никотинов˝ой
кислоты, рибофлавина, биотина, фолиевой кислоты, филлохин˝о-
на, токоферола, аскорбиновой кислоты.
Как установлено в результате исследований, к антивитамин˝ам
относятся химические вещества, способные образовывать с˝ витаминами неактивные соединения, а также белковые молекулы,
специфически связывающие витамины. Так, например, изонико˝-
тинилгидразид является антивитамином пиридоксина, так к˝ак об-
разует с пиридоксалем неактивное соединение (по-видимому˝,
гидразон), которое не может превращаться в пиридоксальфо˝сфат, вследствие чего в присутствии изоникотинилгидразида на˝блюда-
ются симптомы недостаточности витамина В6.
В сыром яичном белке содержится антивитамин биотина —
авидин, представляющий собой гликопротеид с молекулярн˝ой
массой около 68 000. Молекула авидина включает четыре полипептидные субъединицы, в каждой из которых имеется биотин˝-
связывающий участок, проявляющий сильное химическое сро˝д-
ство к биотину. При скармливании опытным животным сырого
яичного белка довольно быстро наблюдается сильно выраже˝нный
авитаминоз по биотину. Антивитаминное действие авидина и˝с- следователи очень часто используют в качестве теста для о˝бнаружения и изучения биотинсодержащих ферментов.
Вещества, обладающие антивитаминным действием, в значи-
тельных количествах содержатся в растительных продукта˝х. В
проросших семенах гороха обнаружены антивитамины биоти˝на и пантотеновой кислоты, в зерне кукурузы — антагонист ник˝отиновой кислоты, в семенах льна — антивитамин пиридоксина˝, в
испорченном сладком клевере — антагонисты витамина К. Н˝еко-
торые растительные белки подобно авидину способны специ˝фи-
чески связывать определенные витамины и таким образом де˝й-
ствовать как антивитамины, в связи с чем не все растительн˝ые продукты можно употреблять в пищу в сыром виде. После прова-
147
ривания растительной пищи белки, обладающие антивитамин˝- ным действием, теряют способность к связыванию витаминов˝, так как в процессе варки пищи они подвергаются тепловой д˝енатурации.
Контрольные вопросы. 1. Как были открыты вещества, обладающие витаминной активностью? 2. Какие вещества относят к витаминам и как˝ они влияют на жизнедеятельность организмов? 3. Какие имеются сведения о˝ классификации витаминов и потребности в них разных организмов? 4. В чем сост˝оят химические и биологические особенности важнейших витаминов (ретинол˝а, кальциферола, токоферола, филлохинона, тиамина, рибофлавина, пиридоксина,˝ пантотеновой, никотиновой, аскорбиновой и фолиевой кислот, кобаламина, ˝биотина, цитрина, миоинозита, S-метилметионина)? 5. Каково содержание важнейш˝их витаминов в зерне злаковых и бобовых зерновых культур, семенах маслич˝ных растений, клубнях картофеля, корнеплодах, кормовых травах, овощах, плода˝х? 6. Как изменяется содержание витаминов в процессе роста и развития расте˝ний и при формировании их продуктивных органов? 7. Как влияют на накопление в˝итаминов при- родно-климатические факторы, погодные условия и уровень о˝беспеченности растений элементами питания? 8. Какие возможны потери витаминов при нарушении технологических режимов сушки, хранения и перерабо˝тки растительных продуктов? 9. В чем состоят особенности действия антивитам˝инов? 10. Какие имеются сведения о наличии антивитаминов в растительных˝ продуктах?
148
7. БИОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА
∙
В клетках живого организма одновременно происходят тыся˝чи
биохимических реакций, которые сопровождаются выделени˝ем или поглощением энергии, а также превращением одних ее фо˝рм
в другие. Так, например, в листьях растений в ходе фотосинтеза
осуществляется поглощение электромагнитной энергии сол˝неч-
ного света и превращения ее в электрическую энергию заряж˝ен-
ных частиц, которая затем в хлоропластах трансформируется в энергию трансмембранного электрохимического потенциал˝а,
инициирующего синтез молекул АТФ, с участием которого про˝хо-
дит синтез жизненно важных органических веществ. Таким об˝ра-
зом энергия солнечного света переходит в энергию химичес˝ких
связей органических веществ, синтезируемых в растительн˝ом организме. Часть поглощенной листьями световой энергии п˝ре-
вращается в тепло и энергию излучения в виде флуоресценци˝и и
фосфоресценции.
У всех живых организмов в процессе биохимических реакций˝ дыхания происходит превращение химической энергии угле˝водов, жиров, азотистых веществ в тепловую энергию, а также энергию мембранных потенциалов внутриклеточных структур и хими˝чес-
кую энергию АТФ, восстановленных динуклеотидов, которые за-
тем становятся источниками энергии для синтеза новых орг˝анических веществ, необходимых для поддержания жизненных функций организма. Совокупность всех биоэнергетических превращ˝ений в организме, обеспечивающих его нормальную жизнедеятельн˝ость в
изменяющихся условиях окружающей среды, изучает раздел б˝ио-
химии, называемый биохимической энергетикой.
Поскольку основу жизненных явлений, происходящих в организме, составляют химические и физические процессы, для и˝зу- чения биоэнергетических превращений применяют законы х˝ими- ческой термодинамики. Поэтому для оценки энергетических˝ па-
раметров биохимических реакций используют термодинамич˝ес-
кие функции — внутреннюю энергию системы (U), энтальпию
(Í), энтропию (S), свободную энергию Гиббса (G) è äð. Ïðè ýòîì
149
в ходе биохимических превращений определяют не абсолютн˝ые их значения, а изменения термодинамических функций — U, H, S, G. Очень часто такие изменения оценивают при стандартных условиях и тогда их обозначают специальным символом — U°,
H°, S°, G°.
За стандартные условия в биохимической энергетике прини˝ма-
ют давление 101,3 кПа, температуру 25 °С (298,16 К), концентрацию веществ 1 моль/л, рН физиологической среды 7. Кроме того,
следует учитывать, что биохимические реакции, катализиру˝емые
ферментами, протекают очень быстро и они осуществляются п˝ри
атмосферном давлении и температуре, которые изменяются о˝чень
медленно. Поэтому можно считать, что биоэнергетические пр˝е- вращения в ходе биохимических реакций происходят при пос˝то-
янной температуре и постоянном давлении.
В результате определения изменений термодинамических функ-
ций можно выяснить, происходит ли в ходе биохимического п˝ро-
цесса выделение или поглощение энергии, установить возмо˝ж- ность трансформации различных видов энергии и решить воп˝рос
о количестве выделяемой или поглощаемой энергии. На основ˝е
полученных таким образом данных можно оценить вероятнос˝ть
самопроизвольного осуществления биохимических реакций˝, а
также выявить возможные источники энергии для осуществл˝ения биосинтетических процессов.
7.1. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Живые организмы, их клетки и многие компоненты внутриклеточных структур представляют собой открытые термоди˝нами-
ческие системы, которые обмениваются и веществом, и энерг˝ией
с окружающей средой. При этом такой обмен является необхо˝димым условием поддержания их жизнедеятельности. Если обме˝н организма веществом и энергией с окружающей средой прекр˝а- щается, то организм погибает. Так, например, растения не мог˝ут
произрастать без света, кислорода, углекислого газа, пост˝упления
воды и питательных веществ. Человек и животные не могут жи˝ть без пищи, воды и кислорода.
Простейшая биохимическая система включает реагирующие вещества, продукты реакции, а также фермент, катализирующ˝ий данную биохимическую реакцию. Реагирующие вещества пост˝у-
пают в биохимическую систему из окружающей физиологичес˝кой
среды, а продукты реакции выходят из системы в окружающую˝
среду. В зависимости от характера биохимического превращ˝ения в
ходе реакции может происходить выделение в том или ином в˝иде
150