Биохимия растений

Белок—Ser—OH + АТФ → Белок—Ser—O P + ÀÄÔ

Реакции фосфорилирования очень важны в регулировании ка˝- талитических свойств белков, так как присоединение фосфа˝тной

группы может вызвать перестройку пространственной стру˝ктуры ферментного белка, которая очень часто сопровождается ус˝илени-

ем или ослаблением его каталитической активности. Фосфоглицераткиназа (2.7.2.3) осуществляет перенос фосфат-

ной группы вместе с макроэргической связью от АТФ на 3-фос-

фоглицериновую кислоту. В результате образуется новое ма˝кроэр-

гическое соединение — 1,3-дифосфоглицериновая кислота:

Этот же фермент может катализировать реакцию, в ходе кото˝-

рой остаток ортофосфорной кислоты с макроэргической свя˝зью

переносится на АДФ, что приводит к синтезу АТФ. Такая реакц˝ия

происходит в процессе дыхания на стадии превращения 3-фос˝-

фоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту˝Ïè. - руваткиназа (2.7.1.40) катализирует похожую по механизму реак-

цию. Она способна переносить фосфатную группу фосфоенолп˝и-

ровиноградной кислоты на АДФ с образованием АТФ:

Важную функцию выполняют ферменты, катализирующие межмолекулярный перенос остатков кофермента А, их называ˝ют КоА-трансферазами. Они играют ведущую роль в липидном обм˝е-

не организмов.

Пропионат-КоА-трансфераза (2.8.3.1), например, переносит остатки КоА от ацетил-КоА на пропионовую кислоту с образова˝ни-

ем пропионил-КоА:

251

Активным донором остатков кофермента А для переноса на ра˝- дикалы карбоновых кислот может также служить сукцинил-Ко˝А,

являющийся продуктом дыхательных реакций в цикле ди- и тр˝и-

карбоновых кислот.

8.8.3. ГИДРОЛАЗЫ

Класс гидролаз включает большую группу ферментов, катали˝-

зирующих гидролитическое расщепление различных субстра˝тов, в котором принимают участие молекулы воды. В зависимости от˝

природы гидролизуемых связей их подразделяют на 11 подкла˝с-

сов, а в каждом подклассе различают подподклассы с учетом˝ хи-

мических особенностей субстратов, подвергающихся гидро˝лизу.

Э с т е р а з ы (3.1). Ферменты подкласса эстераз катализируют реакции гидролитического расщепления сложных эфиров˝ по

схеме

Из эстераз очень широко распространены в растениях и клет˝- ках микроорганизмов липазы, с участием которых происходит гидролитический распад жира.

Триацилглицероллипаза (3.1.1.3) — общее название ферментов,

которые катализируют гидролиз ацилглицеринов. В результ˝ате действия этих ферментов образуются глицерин и свободные˝ жирные кислоты:

252

От активности липаз зависит интенсивность мобилизации ж˝и- ров в листьях и семенах растений для включения образующих˝ся продуктов в обмен веществ, а также способность растительн˝ых продуктов к прогорканию, особенно муки, крупы, растительн˝ых

масел, при повышении температуры и влажности во время хра˝нения. У каждого вида растений имеется свой набор липаз, отли˝чаю-

щихся растворимостью, оптимумами рН и ионного состава сре˝ды. Пектаза (3.1.1.11) — фермент, который содержится в клетках

микроорганизмов и растений, также относится к эстеразам. ˝Он

катализирует гидролитическое расщепление сложноэфирны˝х свя-

зей в молекулах пектина с образованием метилового спирта˝ и по-

лигалактуроновой кислоты.

К эстеразам относятся и ã è ä ð î ë à ç û ò è î ë î â û õ ý ô è ð î â,

катализирующие гидролиз тиоэфирных соединений с образо˝вани-

ем свободных тиолов, карбоновых кислот, спиртов, моносаха˝ри-

дов и других веществ.

Ацетил-КоА-гидролаза (3.1.2.1) является одним из таких ферментов, под действием которого осуществляется гидролити˝ческое

расщепление ацетилкофермента А:

Тиогликозидаза (3.2.3.1) способна подвергать гидролизу S-гли-

козидную связь в молекулах синигрина, содержащегося в сем˝енах

горчицы и корнях хрена:

253

Ô î ñ ô à ò à ç û — это гидролазы фосфомоноэфиров, которые катализируют гидролитическое расщепление сложноэфирны˝х связей в молекулах фосфорнокислых эфиров, образовавшихс˝я в результате взаимодействия ортофосфорной кислоты с гидр˝о- ксильными группами моносахаридов, спиртов и других соеди˝не-

íèé. Глюкозо-6-фосфатаза (3.1.3.9), например, гидролизует глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфатаза (3.1.3.10) — глюкозо-1- фосфат, гексозодифосфатаза (3.1.3.11) — фруктозо-1,6-дифосфат, фитаза (3.1.3.8) — инозитфосфорную кислоту, нуклеотидазы —

нуклеотиды.

В зависимости от оптимума рН различают фосфатазы кислые (рН 3—4), нейтральные (рН 5—6) и щелочные (рН 8—9).

à è ä ð î ë à ç û ô î ñ ô î ä è ý ô è ð î â (3.1.4) катализируют гидролитическое расщепление фосфодиэфирных связей в мо˝лекулах ДНК (десоксирибонуклеаза) и РНК (рибонуклеаза), а также˝ в

динуклеотидах и некоторых фосфолипидах.

Рибонуклеаза (3.1.27.5) — один из ферментов этой группы,

строение и механизм действия которого очень хорошо изуче˝ны.

Он выделен из поджелудочной железы животных. Полипептидн˝ая

цепь этого фермента состоит из 124 аминокислотных остатков˝, а

структуру каталитического центра образуют остатки гист˝идина в

положениях 12 и 119 и лизина в положении 41, которые сближа-

ются при формировании пространственной структуры молек˝улы.

R—ΗR1 + Í2Î → R—ÎÍ + R1—ÎÍ

К этой группе ферментов относятся α-глюкозидаза, β-фрукто-

фуранозидаза, β-глюкозидаза, α-амилаза, β-амилаза, глюкоамила-

за, инулиназа и др. (см. гл. 9).

254

α-Глюкозидаза (3.2.1.20) расщепляет О-гликозидную связь меж-

ду остатком α-D-глюкозы и гликозидным кислородом в молекулах мальтозы и сахарозы:

В представленной формуле мальтозы стрелкой показано мес˝то действия фермента. Особенно высокой α-глюкозидазной активностью обладают прорастающие зерна проса и ячменя.

β-Фруктофуранозидаза (3.2.1.26) — фермент, под действием которого сахароза гидролизуется с образованием глюкозы и ф˝руктозы. При этом фермент расщепляет О-гликозидную связь со сто˝роны фруктозного остатка в молекуле сахарозы:

255

β-Фруктофуранозидаза отщепляет также фруктозу от молекул˝ы рафинозы.

β-Глюкозидаза (3.2.1.21) катализирует гидролиз гликозидов, в ходе которого от молекулы гликозида отщепляется β-D-глюкоза и,

кроме того, образуется свободный агликон.

α-Амилаза (3.2.1.1) катализирует гидролиз О-гликозидных свя-

зей в молекулах крахмала, расщепляя молекулу полимера на ˝отдельные фрагменты, называемые декстринами. В результате д˝ей-

ствия на крахмал β-амилазы (3.2.1.2) происходит отщепление от

концов полисахаридной молекулы дисахарида мальтозы, при˝ этом

действие фермента прекращается при достижении точек вет˝вле-

ния, в которых глюкозные остатки соединены α(1 → 6)-связями. Глюкоамилаза (3.2.1.3) — фермент, механизм действия которого

примерно такой же, как и β-амилазы, однако под его действием от

свободных концов молекул крахмала и его ответвлений отще˝п-

ляется глюкоза. Действие фермента на молекулы амилопектина

прекращается при достижении точек ветвления. В результат˝е совместного действия амилаз молекулы крахмала почти пол˝нос-

тью (на 95 %) гидролизуются с образованием мальтозы и глюкоз˝ы.

Инулиназа (3.2.1.7) обнаружена у растений, накапливающих в

запасающих тканях полифруктозид инулин. Этот гидролитич˝ес-

кий фермент способен гидролизовать инулин до фруктозы.

Ï ð î ò å î ë è ò è ÷ å ñ ê è å ô å ð ì å í ò û (3.4), èëè ï ð î-

т е а з ы, гидролизуют пептидные связи в молекулах белков и пеп-

тидах по схеме

Протеазы разделяют на протеиназы и пептидазы. Ï ð î ò å è - í à ç û катализируют гидролитическое расщепление пептидных связей в молекулах белков, а ï å ï ò è ä à ç û действуют только на пептиды.

Из протеиназ наиболее хорошо изучены строение и свойства˝ пепсина, трипсина, химотрипсина и папаина.

Пепсин (3.4.23.1) выделяется слизистой оболочкой желудка в виде неактивного белка пепсиногена, который активируетс˝я в кислой среде в результате частичного гидролиза определе˝нных пептидных связей. Этот фермент преимущественно расщепля˝ет

пептидные связи, соединяющие какой-либо аминокислотный о˝с- таток с остатком ароматических аминокислот. В каталитиче˝ском действии пепсина важную роль играют карбоксильные групп˝ы дикарбоновых аминокислот.

256

Âсоке поджелудочной железы содержатся неактивные формы˝

гидролитических ферментов трипсиногена и химотрипсиног˝ена,

которые, попадая в тонкий кишечник, превращаются там в кат˝а-

литически активную форму под действием трипсина (3.4.21.4), îá-

разовавшегося с участием другого фермента энтерокиназы˝. Активирование трипсиногена и химотрипсиногена происходит в˝ результате расщепления в их полипептидных цепях определен˝ных

пептидных связей. В каталитическом действии трипсина и химотрипсина (3.4.21.1) участвуют аминокислотные остатки серина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. Выяснено˝, что трипсин направленно катализирует гидролиз пептидных св˝язей, которые образованы с участием аминокислотных остатков а˝ргинина и лизина.

Âрезультате действия пепсина, трипсина и химотрипсина бе˝л- ки гидролизуются с образованием пептидов и свободных ами˝нокислот. Эти ферменты получены в кристаллическом виде и оп˝ределены их аминокислотные последовательности.

Папаин (3.4.22.2) — растительный фермент, также относящийся

êпротеиназам, выделенный из млечного сока дынного дерева˝. В молекуле папаина содержится 212 аминокислотных остатков, к˝о- торые при формировании третичной структуры образуют три˝ дисульфидные связи. В гидролитической реакции, которую ката˝ли-

зирует папаин, участвуют сульфгидрильные группы (—SH) цист˝е- ина и амидазольная группировка гистидина. Гидролитическ˝ой активностью обладает восстановленная форма фермента, кото˝рая образуется из окисленной формы под действием тиоловых со˝единений (цистеин, восстановленный глютатион).

Ï å ï ò è ä à ç û включают три группы ферментов: аминопептидазы, катализирующие гидролитическое отщепление аминокислотных остатков от N-концов пептидов; карбоксипептидазы, катализирующие гидролитическое отщепление аминокислот˝ных

остатков от С-концов пептидов; дипептидазы, катализирующие

гидролиз пептидных связей в дипептидах с образованием св˝ободных аминокислот. Все они представляют собой металлоферме˝нты, содержащие цинк.

К пептидазам, отщепляющим аминокислотные остатки от С-конца полипептидных цепей, относится карбоксипептидаза А (3.4.17.1), которая синтезируется в поджелудочной железе животных. Этот фермент содержит в активном центре ион Zn2+, образующий хелатные связи с двумя имидазольными группами гисти˝ди-

на и карбоксильной группой глутаминовой кислоты. В катали˝ти-

ческом действии карбоксипептидазы А также участвуют ами˝но-

кислотные остатки аргинина и тирозина.

257

Лейцинаминопептидаза (3.4.11.1) — типичный представитель аминопептидаз. Она катализирует гидролитическое отщепл˝ение

остатков лейцина от N-концов полипептидов:

Глицилглицинпептидаза (3.4.13.11) — дипептидаза, катализирующая гидролиз дипептида глицилглицина:

А м и д а з ы (3.5) — подкласс, важнейшими группами фер-

ментов в котором являются ä å ç à ì è ä à ç û, катализирующие

гидролиз C—N-связей в амидных группировках, и ä å ç à ì è í à - ç û, которые ускоряют гидролитическое дезаминирование нукл˝еотидов, нуклеозидов и азотистых оснований.

К дезамидазам относятся уреаза, аспарагиназа, глутаминаз˝а,

аргиназа.

Уреаза (3.5.1.5) содержится в клетках растений, бактерий, плесневых грибов. Особенно ее много содержится в зерне сои и кл˝етках уробактерий. Этот фермент впервые был выделен в крист˝алли-

ческой форме и характеризуется очень высокой специфично˝стью

действия. Он катализирует гидролитическое расщепление м˝очеви-

ны на аммиак и диоксид углерода:

258

CO(NH2)2 + H2O → CO2 + 2NH3

Аспарагиназа (3.5.1.1) катализирует гидролиз аспарагина, глутаминаза (3.5.1.2) — глутамина:

Аргиназа (3.5.3.1) катализирует гидролитическое превращение

аминокислоты аргинина в мочевину и орнитин:

Указанные биохимические реакции играют важную роль в об-

мене азотистых веществ организмов.

Аденозиндезаминаза (3.5.4.4) из группы ä å ç à ì è í à ç катализирует реакции гидролитического превращения аденозин˝а в

инозин:

259

Ï î ë è ô î ñ ô à ò à ç û (3.6) катализируют гидролиз кислотноангидридных связей. Под действием этих ферментов происхо˝дит

гидролитическое отщепление фосфатных групп от полифосф˝атов.

По такому механизму действует фермент пирофосфатаза (3.6.1.1),

катализирующая гидролиз пирофосфата (дифосфорной кисло˝ты)

с образованием двух молекул ортофосфорной кислоты:

Í4Ð2Î7 + Í2Î → 2Í3ÐÎ4

Гидролиз АТФ катализирует фермент аденозинтрифосфатаза

(3.6.1.3):

ÀÒÔ + Í2Î → ÀÄÔ + Í3ÐÎ4

Указанные ферменты выполняют важные функции в ходе био-

энергетических превращений в организмах.

8.8.4. ЛИАЗЫ

Ферменты класса лиаз отщепляют от субстратов группировк˝и атомов с образованием двойной связи или присоединяют опр˝еде-

ленные группы в результате разрыва двойных связей. Раздел˝ение

лиаз на подклассы зависит от типов связей, которые подвер˝гаются разрыву в ходе ферментативных реакций. Рассмотрим некото˝рые реакции, катализируемые лиазами.

У г л е р о д - у г л е р о д - л и а з ы (4.1) — подкласс, к важней-

шим представителям которого относятся д е к а р б о к с и л а з ы, катализирующие отщепление или присоединение к субстрат˝ам

ÑÎ2; à ë ü ä î ë à ç à, участвующая в расщеплении фруктозо-1,6- дифосфата с образованием двух триоз или в синтезе фруктоз˝оди-

фосфата из триоз; ë è à ç û ê å ò î ê è ñ ë î ò, осуществляющие

расщепление и образование кетокислот.

260