Биохимия растений

поступать в любые акцепторные клетки растительного орга˝низма и использоваться в них для синтеза различных органически˝х веществ.

Таким образом, у растений наряду с процессом фотосинтеза

существует дополнительный механизм углеродного питания˝ за счет СО2 почвы, поступающего в нефотосинтезирующие клетки

корней. Однако первичный акцептор СО2 для этих реакций — фосфоенолпировиноградная кислота образуется в результа˝те

окисления фотоассимилятов, поступающих в корни из листье˝в.

9.3. ДЫХАНИЕ

Основной источник энергии для поддержания процессов жиз˝-

недеятельности у гетеротрофных организмов — это химиче˝ская энергия органических веществ, которые они используют в ка˝че-

стве пищи. Несинтезирующие органы растений, а в темноте и

способные к фотосинтезу клетки, в качестве источника энер˝гии

используют также органические вещества, образующиеся ка˝к про-

дукты фотосинтеза. Для того чтобы химическая энергия орга˝ни- ческих веществ могла использоваться для поддержания жиз˝недея-

тельности организма, они подвергаются окислению. При этом˝ на

каждом этапе окислительного распада веществ выделяется˝ энер-

гия, которая связывается в ходе определенных реакций в ви˝де

макроэргических соединений и восстановленных динуклеот˝идов и может затем использоваться для осуществления эндергон˝ичес-

ких процессов, связанных с синтезом, транспортом и активи˝рова-

нием различных химических веществ. В ходе биологического˝

окисления образуются промежуточные метаболиты, которые˝ затем участвуют в синтезе конечных продуктов, выполняющих в организме те или иные биологические функции (структурные˝, запасные вещества и др.).

Последовательность биохимических реакций, лежащих в осн˝о-

ве биологического окисления, называют дыханием. У растений и других высших организмов в реакциях дыхания участвует ки˝слород, а в качестве продуктов дыхания выделяются СО2 è Í2О. Первые сведения о дыхании растений были получены Я. Ингенхау˝зом

(1778), а к концу XIX в. было установлено общее уравнение дыха-

тельного процесса:

ãäå Ñ6Í12Î6 — моносахариды, образуемые при фотосинтезе.

В дальнейшем благодаря работам В. И. Палладина (1912) было

показано, что на первом этапе дыхательных реакций происхо˝дит

321

отщепление водорода от молекул сахара и воды и образовани˝е промежуточных восстановленных продуктов, а на следующем˝ этапе эти продукты уже окисляются кислородом с образованием˝ воды. Поэтому дыхательный процесс можно представить в две

стадии:

Если из уравнений (2) и (3) составить суммарное уравнение процесса, то мы получим уравнение (1).

В 1921—1925 гг. в опытах по изучению роли фермента цитохромоксидазы О. Г. Варбург и Д. Кейлин установили, что на второй ста-

дии дыхания на кислород переносятся электроны и протоны, ˝ко-

торые и участвуют в образовании молекул воды:

Î2 +4å +4Í+ → 2Í2Î

Отщепление электронов и протонов от молекул сахара и воды˝,

как было выявлено в ходе дальнейших исследований, катализ˝иру-

ют ферменты дегидрогеназы, и с их участием происходит образо-

вание восстановленных динуклеотидов НАД · Н и ФАД · Н2, при окислении которых и осуществляется перенос электронов и˝ про-

тонов на кислород.

По современным представлениям, процесс дыхания у растени˝й

состоит из трех стадий: гликолиза, цикла ди- и трикарбоновы˝х

кислот, а также окисления восстановленных динуклеотидов˝, образующихся на первых двух стадиях дыхания, с участием ферме˝нт-

ных комплексов, локализованных во внутренних мембранах м˝ито-

хондрий.

9.3.1. ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз представляет собой анаэробную стадию дыхания у

высших организмов и основной механизм дыхания у анаэробн˝ых

микроорганизмов. В процесс гликолиза включаются активированные формы моносахаридов — гексоз, которые подвергаются˝ окислительному распаду с образованием пировиноградной кисл˝оты. Большой вклад в раскрытие механизмов этих реакций внесли˝ из-

вестные биохимики Г. Эмбден, О. Ф. Мейергоф и Я. О. Парнас. Реакции гликолиза локализованы в жидкой фазе цитоплазмы˝ и

хлоропластов. Ферменты, катализирующие эти реакции в цито˝-

плазме, образуют комплексы с актиновыми белками цитоплаз˝ма-

тических филаментов, таким образом обеспечивается локал˝изация происходящих превращений.

322

Активирование гексоз осуществляется путем фосфорилиров˝а- ния с участием АТФ под действием соответствующих киназ, и об-

разующиеся фосфаты гексоз изомеризируются во фруктозо-6-

фосфат, который уже далее включается в реакции гликолиза.˝ В первой реакции фруктозо-6-фосфат подвергается повторному˝ фосфорилированию под действием фермента фосфофруктокиназы:

(1)

Образующийся в этой реакции фруктозо-1,6-дифосфат имеет

полярную молекулу, которая легко подвергается расщеплен˝ию на

следующем этапе превращений.

Фосфофруктокиназа — аллостерический фермент и поэтому˝

подвержен активной регуляции. Его активность ингибирует˝ся вы-

сокой концентрацией АТФ и лимонной кислоты, образующейся˝ в

цикле Кребса. Однако фермент аллостерически активируетс˝я

АДФ. Следовательно, при высокой обеспеченности клетки эне˝р- гией, повышающей концентрацию АТФ, происходит замедление˝

первой реакции гликолиза и в целом интенсивности дыхания˝.

Когда же энергетический потенциал клетки понижается и во˝зрас-

тает концентрация АДФ, последний аллостерически активир˝ует

фермент фосфофруктокиназу, вследствие чего возрастает с˝корость

включения фруктозо-6-фосфата в реакции гликолиза, вызывая˝

повышение интенсивности дыхания, обеспечивающего клетк˝у

энергией.

На следующем этапе гликолиза под действием фермента альдолазы происходит расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на две триозы — 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиаце˝-

òîí:

(2)

323

Между триозофосфатами устанавливается динамическое рав˝- новесие с участием фермента триозофосфатизомеразы:

(3)

Образовавшийся 3-фосфоглицериновый альдегид далее окисляется в 3-фосфоглицериновую кислоту под действием фермента

глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (1.2.1.12), молекулы которого

состоят из четырех полипептидных субъединиц с молекуляр˝ными

массами по 45 000 и содержат в активном центре тиоловые групп˝ы

(—SН) и окисленные динуклеотидные группировки НАД+. При взаимодействии фермента с 3-фосфоглицериновым альдегидо˝м

образуется фермент-субстратный комплекс, в котором иници˝иру-

ется возникновение ацилмеркаптановой макроэргической с˝вязи и

восстановление динуклеотидной группировки НАД+ â ÍÀÄ · Í:

(4)

После этого фермент-субстратный комплекс подвергается ф˝ос-

форолизу с участием неорганического ортофосфата. При это˝м НS-

фермент отщепляется от субстрата и к остатку последнего п˝рисоединяется фосфатная группировка, в которой за счет энергии˝ ацилмеркаптановой связи возникает макроэргическая ацилфосф˝атная связь:

(5)

324

В следующей реакции остаток фосфорной кислоты с макроэргической связью переносится на АДФ, в результате чего осу˝ществляется синтез АТФ. Эту реакцию катализирует фермент фосфоглицераткиназа (2.7.2.3):

(6)

Так как в реакции (5) макроэргическая ацилфосфатная связь

возникает в составе субстрата, такой процесс называют субстратным фосфорилированием.

Полученная в реакции (6) 3-фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфоглицератмутазы изомеризуется затем в

2-фосфоглицериновую кислоту:

(7)

После этого от 2-фосфоглицериновой кислоты отщепляется молекула воды с образованием фосфоенолпировиноградной ˝кислоты. Реакцию дегидратации катализирует фермент енолаза (4.2.1.11):

(8)

325

В результате дегидратации в молекуле субстрата происход˝ит перераспределение внутренней энергии и возникает макро˝эрги- ческая связь.

От молекулы фосфоенолпировиноградной кислоты фосфатная˝

группировка с макроэргической связью передается на АДФ, в˝ ре-

зультате чего осуществляется синтез АТФ. Перенос фосфатн˝ой

группировки в этой реакции катализирует фермент пируваткиназа

(2.7.1.40):

(9)

Пируваткиназа аллостерически ингибируется высокой конц˝ен-

трацией АТФ и ацетилкофермента А, который образуется при

дальнейшем превращении пировиноградной кислоты в ходе д˝ыха-

тельных реакций.

Продукт реакции (9) енолпировиноградная кислота самопроизвольно подвергается перегруппировке и превращается в˝ более

устойчивую кетоформу — пировиноградную кислоту:

(10)

Учитывая, что из гексозы образуется две триозы, в ходе их

окисления возникают две молекулы пировиноградной кисло˝ты.

По этой же причине все реакции гликолиза, начиная с четвер˝той, при окислении одной молекулы гексозы повторяются дважды˝. В ходе гликолиза, кроме двух молекул пировиноградной кисло˝ты, синтезируются биоэнергетические продукты в виде четыре˝х молекул АТФ [в реакциях (6) и (9)] и двух молекул НАД · Н [в реакции

(4)]. Поскольку на активирование гексозы затрачивается две˝ моле-

кулы АТФ, окончательный выход АТФ при гликолизе составляе˝т не четыре, а две молекулы. Кроме того, в реакции (9) происходи˝т

дегидратация 2-фосфоглицериновой кислоты, поэтому в расче˝те

326

на одну молекулу окисляемой гексозы выделяется две молек˝улы воды. Исходя из этих данных, суммарное уравнение гликолиз˝а принимает следующий вид:

+2ÍÀÄ·Í+2Í+ +2ÀÒÔ+2Í2Î

Конечный продукт гликолиза — пировиноградная кислота представляет собой один из важнейших продуктов дыхания и˝ в

целом обмена веществ любого организма. У анаэробных орган˝измов пировиноградная кислота включается в реакции брожен˝ия, в ходе которых в зависимости от организма происходит синте˝з эта-

нола, молочной, уксусной, пропионовой кислот и некоторых д˝ругих биохимических продуктов. У растений и других аэробных˝

организмов пировиноградная кислота подвергается окисле˝нию до СО2 è Í2О в ходе реакций цикла Кребса. В некоторых органах растений при недостатке кислорода также могут частично про˝исхо-

дить реакции брожения, конечным продуктом которых чаще вс˝его является этиловый спирт.

Через образование пировиноградной кислоты, как будет показано далее, осуществляется связь между обменом углевод˝ов, липидов и белков в растительном организме. Из пировиногра˝д-

ной кислоты путем аминирования синтезируется аминокисл˝ота аланин, которая участвует в реакциях азотного обмена и си˝нтезе

белков. Путем превращения в ацетил-КоА пировиноградная ки˝с-

лота дает начало синтезу жирных кислот, а при распаде белк˝ов, аминокислот, жирных кислот на определенных этапах образу˝ет-

ся пировиноградная кислота, которая может использоватьс˝я на

синтез углеводов путем обращения реакций гликолиза благ˝одаря тому, что большинство ферментов, катализирующих эти реак-˝

ции, обладают обратимым действием. Однако некоторые стади˝и

гликолиза необратимы и для их преодоления используются о˝б- ходные пути.

Первый необратимый этап в ходе превращения пировиноградной кислоты в гексозу — это образование из пировиног˝радной кислоты фосфоенолпировиноградной. Он осуществляетс˝я в четыре последовательные реакции, происходящие в митохон˝дриях и цитоплазме. Вначале пировиноградная кислота карбокс˝или-

руется с участием АТФ под действием митохондриальной пируваткарбоксилазы (6.4.1.1) и превращается в щавелевоуксусную

кислоту:

327

Затем щавелевоуксусная кислота восстанавливается митохондриальной малатдегидрогеназой в яблочную кислоту:

Образовавшаяся яблочная кислота перемещается в цитопла˝зму

и под действием цитоплазматической малатдегидрогеназы снова

превращается в щавелевоуксусную кислоту:

После этого под действием фермента фосфопируваткарбоксикиназы (4.1.1.32) из щавелевоуксусной кислоты путем декарбоксилирования образуется фосфоенолпировиноградная кислота:

Превращение фосфоенолпировиноградной кислоты в 3-фос-

фоглицериновый альдегид осуществляется в результате об˝раще-

ния соответствующих реакций гликолиза (8—4). В ходе этих

реакций на фосфорилирование 3-фосфоглицериновой кислоты

затрачивается АТФ, а на восстановление фермент-субстратн˝ого

комплекса глицеральдегидфосфатдегидрогеназы — восстан˝овленные динуклеотиды НАД · Н.

328

Рис. 9.7. Реакции гликолиза и обходные пути их обращения

329

Рис. 9.7. Реакции гликолиза и обходные пути их обращения. Про˝должение

В результате обращения реакций гликолиза (3) и (2) происхо-

дит синтез фруктозо-1,6-дифосфата из 3-фосфоглицеринового

альдегида, а под действием фруктозо-1,6-дифосфатазы фруктоз˝о-

дифосфат гидролизуется с образованием фруктозо-6-фосфата˝, с

превращения которого начинаются реакции гликолиза:

Реакции гликолитического окисления фруктозо-6-фосфата до˝ пировиноградной кислоты и обратный процесс синтеза фрук˝тозо-

6-фосфата из пировиноградной кислоты могут быть представл˝ены

в виде следующей схемы (рис. 9.7).

Реакции гликолиза являются для функционирующей клетки важным источником биоэнергетических продуктов, таких ка˝к

АТФ и НАД · Н, а также промежуточных метаболитов, которые˝ могут использоваться для синтеза многих жизненно важных˝ ве-

330