Биохимия растений

ществ. К ним относятся 3-фосфоглицериновый альдегид и фосф˝о-

диоксиацетон, 3-фосфоглицериновая и фосфоенолпировиногр˝адная кислоты. Фосфоглицериновый альдегид, кроме реакций гл˝и- колиза, участвует также в пентозофосфатном цикле, где явл˝яется промежуточным продуктом и через него осуществляется свя˝зь между этими двумя важнейшими биохимическими процессами˝, происходящими в цитоплазме растительных клеток.

При восстановлении фосфодиоксиацетона образуется глице˝- ролфосфат, который дает начало реакциям синтеза ацилглиц˝ери-

нов, фосфолипидов и гликолипидов. Из 3-фосфоглицериновой кислоты образуется оксипировиноградная кислота и амино˝кислота серин. Фосфоенолпировиноградная кислота необходима д˝ля

синтеза щавелевоуксусной кислоты и фенольных соединени˝й.

9.3.2.ЦИКЛ ДИ- И ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Âопытах с дрожжами Л. Пастер обнаружил, что в присутствии˝

кислорода снижается интенсивность брожения (превращени˝е глюкозы в спирт), но одновременно наблюдается интенсивны˝й рост биомассы дрожжей. В дальнейшем было показано, что уси˝ление биохимической активности клеток дрожжей в аэробных у˝сло-

виях связано с функционированием дыхательного цикла, про˝межуточными продуктами которого являются органические ки˝слоты. Анализируя полученные данные о влиянии органических к˝ис-

лот на дыхательные процессы, Г. А. Кребс в 1937 г. предложил последовательность реакций окисления лимонной кислоты ˝до

ÑÎ2 è Í2О, которую в дальнейшем стали называть циклом ди- и трикарбоновых кислот или циклом Кребса. Ферменты, катализ˝и-

рующие реакции цикла Кребса, локализованы в матриксе или ˝во

внутренней мембране митохондрий.

Непосредственно в реакции цикла Кребса вступает произво˝д- ное пировиноградной кислоты — ацетил-КоА, которое образ˝уется

âрезультате окислительного декарбоксилирования пирови˝ноград-

ной кислоты, катализируемого мультиферментным пируватд˝егидрогеназным комплексом. Ферментный комплекс растворен в м˝ат-

риксе митохондрий. Его молекулярная масса составляет до 9˝ · 106. Он состоит из трех ферментов: декарбоксилазы с тиаминпирофосфатом в качестве кофермента; дигидролипоилдегидрогеназы, содержащей ФАД; дигидролипоилтрансацетилазы, представляющей собой сердцевинный фрагмент в мультиферментном комплексе˝,

включающий остатки липоевой кислоты.

На первом этапе пировиноградная кислота взаимодействуе˝т с тиаминпирофосфатом декарбоксилазы, в результате чего от˝ пиро-

виноградной кислоты отщепляется СО2 и происходит образование гидроксиэтильного производного тиаминпирофосфата (ТПФ˝):

331

Затем гидроксиэтильное производное ТПФ взаимодействует˝ с окисленной формой липоевой кислоты в составе фермента ди˝гид-

ролипоилтрансацетилазы. В ходе окислительно-восстанови˝тель- ной реакции гидроксильная группа переносится на остаток˝ липо-

евой кислоты и превращается в ацетильную группу с образов˝анием связ˝ь липоевой

Под действием этого же фермента ацетильная группа с макро˝-

эргической связью переносится от ацетиллипоевой кислот˝ы на

кофермент А:

В качестве продуктов данной стадии превращения пировино˝- градной кислоты образуются регенерированный тиаминпиро˝фосфат, восстановленная форма липоевой кислоты и ацетил-КоА.˝

332

Восстановленная форма липоевой кислоты подвергается ок˝ис-

лению под действием фермента дигидролипоилдегидрогеназы, который отщепляет электроны и протоны от восстановленной лип˝ое-

вой кислоты и передает их на окисленный НАД, в результате ч˝его

регенерируется окисленная форма липоевой кислоты и синт˝ези-

руются восстановленные динуклеотиды НАД · Н:

Фермент — ФАД · Н2 + ÍÀÄ+ → Фермент — ФАД + НАД · Н+ + Í+

Таким образом, конечными продуктами окислительного дека˝р-

боксилирования пировиноградной кислоты являются ацетил˝-КоА,

восстановленные динуклеотиды НАД · Н и СО2. НАД · Н включает-

ся в различные восстановительные реакции, катализируемы˝е дегид-

рогеназами, или, как мы увидим далее, становится донором элект-

ронов и протонов для системы окислительного фосфорилиро˝вания,

локализованной в мембранах митохондрий. Ацетил-КоА, как и˝ пи-

ровиноградная, щавелевоуксусная и α-кетоглутаровая кислоты —

важный промежуточный продукт обмена веществ организмов˝. Он

используется для синтеза жирных кислот, углеводов и многи˝х аминокислот и также образуется при их распаде.

Синтез ацетил-КоА в ходе окислительного декарбоксилиров˝а- ния пировиноградной кислоты регулируется концентрациям˝и АТФ

и АДФ, а также НАД · Н и НАД+. Высокая концентрация АТФ ал-

лостерически ингибирует активность пируватдегидрогена˝зного

комплекса. При высокой концентрации НАД · Н также наблюд˝ает-

ся ингибирование активности данного ферментного компле˝кса вследствие пониженной концентрации НАД+, необходимого для регенерации кофермента ФАД · Н2 в окисленную форму ФАД.

В реакциях аэробного дыхания образовавшийся при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты ац˝етилКоА включается в реакции цикла Кребса. Вначале происходит˝ конденсация ацетил-КоА с енольной формой щавелевоуксусн˝ой кислоты, в ходе которой ацетильная группировка кофермент˝а А соединяется с углеродной цепью щавелевоуксусной кислот˝ы, в результате чего синтезируется лимонная кислота. Эту реакци˝ю катализирует фермент цитратсинтаза (4.1.3.7):

(1)

333

Фермент цитратсинтазу аллостерически ингибирует повыше˝н- ная концентрация АТФ. Поэтому при высокой обеспеченности˝ клетки энергией, когда повышается концентрация АТФ, вслед˝- ствие ингибирования цитратсинтазы ацетил-КоА будет мень˝ше

включаться в реакции цикла Кребса и больше использоватьс˝я на биосинтетические процессы.

В ходе дальнейших превращений лимонная кислота превраща˝- ется в öèñ-аконитовую кислоту в результате отщепления молекулы

воды под действием фермента аконитатгидратазы (4.2.1.3), ëîêà-

лизованного во внутренней мембране митохондрий:

(2)

В последующей реакции öèñ-аконитовая кислота под действием того же фермента присоединяет молекулу воды, превращая˝сь в

изолимонную кислоту:

(3)

Изолимонная кислота окисляется в щавелевоянтарную кисл˝оту

под действием НАДили НАДФ-специфичного фермента изоцитратдегидрогеназы (1.1.1.41). Образовавшаяся щавелевоянтарная

кислота самопроизвольно декарбоксилируется, превращаяс˝ь вα-

кетоглутаровую кислоту:

(4)

334

Фермент изоцитратдегидрогеназа ингибируется высокой ко˝н- центрацией НАД · Н и аллостерически активируется лимонной кислотой. Это — опережающая активация, когда определенн˝ый метаболит (в данном случае лимонная кислота) активирует ф˝ер-

менты, катализирующие его последующие превращения. Продукт реакции (4) α-кетоглутаровая кислота, подобно пиро-

виноградной кислоте, подвергается окислительному декар˝боксилированию под действием α-кетоглутаратдегидрогеназного ôåð-

ментного комплекса, который имеет такой же состав и строе˝ние,

как и пируватдегидрогеназный комплекс. В результате дека˝рбок-

силирования α-кетоглутаровой кислоты образуется ацильная груп-

пировка янтарной кислоты, которая переносится на коферме˝нт А с образванием макроэргического соединения сукцинил~S-КоА.

Суммарное уравнение процесса окислительного декарбокси˝лиро-

вания α-кетоглутаровой кислоты можно представить в следующем

âèäå:

(5)

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется выс˝о- кой концентрацией НАД · Н и аллостерически активируется АДФ

и АМФ, тогда как при высокой концентрации АТФ действие фер˝-

ментного комплекса подавляется.

В ходе дальнейших превращений энергия макроэргической связи сукцинил~S-КоА используется для синтеза АТФ, который˝ осуществляется в процессе субстратного фосфорилировани˝я и ка-

тализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой (6.2.1.5). Âíà-

чале фермент образует макроэргическое промежуточное со˝единение с группировкой кофермента А, а ацильный радикал янтар˝ной кислоты превращается в свободную янтарную кислоту. Кофер˝-

ментная группировка присоединяется к атому азота амидаз˝оль-

ного кольца гистидина в каталитическом центре фермента. Затем

группировка кофермента А в каталитическом центре фермен˝та

замещается на остаток фосфата с образованием макроэргич˝еского фосфофермента (фермент ~ Р), от которого остаток фосфор-

335

ной кислоты с макроэргической связью переходит на АДФ, ос˝уществляя таким образом синтез АТФ. Суммарное уравнение проц˝есса фосфоролитического расщепления сукцинил-КоА и сопряжен˝ного с ним синтеза АТФ можно записать в виде следующей схемы:

(6)

Как показано в представленных ранее реакциях, у растений ˝в

результате фосфоролитического расщепления сукцинил-КоА˝ осу-

ществляется синтез АТФ, тогда как в клетках животного орг˝анизма в аналогичном процессе происходит синтез ГТФ с участие˝м

ГДФ. Образовавшаяся в реакции (6) янтарная кислота окисляе˝тся

с участием фермента сукцинатдегидрогеназы, локализованного во

внутренней мембране митохондрий. Сукцинатдегидрогеназа˝ со-

держит в качестве кофермента динуклеотиды ФАД. В ходе этой реакции янтарная кислота превращается в фумаровую:

(7)

Сукцинатдегидрогеназа аллостерически ингибируется щав˝еле-

воуксусной кислотой и активируется АТФ и восстановленны˝м

убихиноном (КоQ · Н2).

В следующей реакции к фумаровой кислоте присоединяется

молекула воды под действием фермента фумаратгидратазы

(4.2.1.2) и образуется яблочная кислота:

(8)

В дальнейшем яблочная кислота окисляется в щавелевоуксу˝с- ную кислоту с участием НАД-специфичного фермента малатдегидрогеназы (1.1.1.37):

(9)

336

Малатдегидрогеназа ингибируется повышенной концентрац˝и-

ей щавелевоуксусной кислоты и НАД · Н.

Кетоформа щавелевоуксусной кислоты самопроизвольно пре˝- вращается в свою енольную форму:

(10)

После этого енольная форма щавелевоуксусной кислоты мож˝ет взаимодействовать с новой молекулой ацетилкофермента А˝, и рассмотренный нами цикл реакций будет повторяться снова.

Если исключить промежуточные продукты, образующиеся в

реакциях окислительного дикарбоксилирования пировиног˝рад-

ной кислоты и цикла Кребса, и записать только вещества, вхо˝дящие и выходящие из этого цикла при условии полного прохож˝де-

ния всех указанных выше реакций, то можно получить следую˝щее

суммарное уравнение:

Из этого уравнения следует, что пировиноградная кислота в˝

ходе происходящих превращений окисляется с образование˝м трех

молекул СО2 и пяти молекул восстановленных динуклеотидов НАД · Н, НАДФ · Н и ФАД · Н2. Источником кислорода для реак-

ций окисления служат молекулы воды, две из них показаны в л˝е- вой части уравнения и одна высвобождается при взаимодейс˝твии Н3ÐÎ4 и АДФ. Молекулы воды также являются донорами электронов и протонов для синтеза восстановленных динуклеотидо˝в.

Итак, можно заключить, что молекулы кислорода не принимают прямого участия в реакциях цикла Кребса, хотя указанны˝е ре-

акции и активируются кислородом. Непосредственное участ˝ие

кислорода в реакциях дыхания происходит на стадии окисле˝ния восстановленных динуклеотидов, образующихся при окисли˝тельном декарбоксилировании пировиноградной кислоты и в реа˝кциях цикла Кребса, с участием ферментных комплексов, локали˝зованных во внутренних мембранах митохондрий. Эти процессы˝ будут рассмотрены далее.

Кроме восстановленных динуклеотидов в цикле Кребса синт˝е- зируется также АТФ из неорганического фосфата и АДФ путем˝ реализации механизма субстратного фосфорилирования. Ка˝к мы увидим далее, при окислении восстановленных динуклеотид˝ов

также осуществляется синтез молекул АТФ, являющихся унив˝ер-

337

сальными для многих организмов биоэнергетическими прод˝укта-

ми, способными осуществлять транспорт энергии в организм˝е и участвовать в реакциях сопряженного синтеза веществ.

В реакциях окислительного декарбоксилирования пировино˝-

градной кислоты и цикла Кребса образуются не только важны˝е биоэнергетические продукты, но и промежуточные метаболи˝ты, с

участием которых осуществляется связь обмена углеводов˝ с обме-

ном липидов, аминокислот, белков и других органических ве˝-

ществ в организме. Как было указано ранее, к таким вещества˝м

относится ацетил-КоА.

Важными промежуточными продуктами являются также щаве-

левоуксусная и α-кетоглутаровая кислоты. В результате их амини-

рования синтезируются аспарагиновая и глутаминовая ами˝нокис-

лоты, которые занимают центральное место в обмене азотист˝ых

веществ, и из этих аминокислот при их распаде образуются у˝ка-

занные ранее кетокислоты. В результате оказывается возмо˝жным окисление аминокислот путем включения образующихся из н˝их кетокислот в цикл Кребса.

Наряду с кетокислотами в цикле Кребса образуются лимонна˝я

и изолимонная, öèñ-аконитовая, янтарная, фумаровая, яблочная

кислоты, через которые осуществляется связь цикла Кребса˝ с об-

меном органических кислот. Благодаря тому что при распаде˝ ли-

пидов, изопреновых производных, ряда аминокислот и других˝

азотистых веществ образуется ацетил-КоА, они могут исполь˝зо-

ваться в организмах как субстраты дыхания, так как получа˝емый в

процессе их распада ацетил-КоА может включаться в реакции˝

цикла Кребса и подвергаться полному окислению.

Если в ходе окисления ацетил-КоА в реакциях цикла Кребса

промежуточные продукты не выводятся из цикла для синтеза˝ других веществ, то происходит полная регенерация первого про˝дукта,

с которым реагирует ацетил-КоА, — щавелевоуксусной кисл˝оты. Однако в реальных физиологических условиях из цикла Креб˝са постоянно потребляются на различные биосинтетические п˝роцессы те или иные промежуточные метаболиты, поэтому цикличес˝- кий ход регенерации щавелевоуксусной кислоты в этих случ˝аях не

завершается и для обеспечения хода реакций цикла постоян˝но

поддерживается необходимая концентрация щавелевоуксус˝ной кислоты в матриксе митохондрий путем ее дополнительного˝

синтеза.

У растений и бактерий первичный синтез щавелевоуксусной˝

кислоты осуществляется под действием фермента фосфопируваткарбоксилазы èç ÑÎ2 и фосфоенолпировиноградной кислоты:

338

В животных клетках аналогичную функцию выполняет фермент пируваткарбоксилаза, катализирующий реакцию карбоксилирования пировиноградной кислоты:

Таким образом, цикл Кребса является связующим звеном в

обмене различных групп органических веществ и конечным э˝та-

пом их окисления. В ходе этих реакций высвобождается знач˝и- тельное количество энергии окисляющихся субстратов и св˝язы-

вается главным образом в виде восстановленных форм динук˝лео-

тидов НАД · Н и ФАД · Н2, энергия которых используется для

синтеза АТФ.

9.3.3. ОКИСЛЕНИЕ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ ЦИКЛА КРЕБСА

У аэробных организмов восстановленные формы динуклеоти˝-

äîâ ÍÀÄ · Í è ÔÀÄ · Í2 подвергаются окислению молекулярным

кислородом на заключительной стадии процесса дыхания. Их˝ окисление катализируют ферментные комплексы, входящие в˝ со-

став внутренней мембраны митохондрий. Первые сведения об˝

окислении субстратов цикла Кребса кислородом воздуха бы˝ли по-

лучены в 1925 г. О. Г. Варбургом и Д. Кейлином, которые открыли˝

действие фермента цитохромоксидазы, способного переносить

электроны на молекулярный кислород.

В последующий период были выяснены все основные перенос-

чики электронов и протонов от восстановленных динуклеот˝идов на молекулярный кислород, а в 1959 г. Б. Чанс по результатам спектрометрических исследований и на основе изучения де˝йствия специфических ингибиторов составил из них цепь дыхатель˝ных

ферментов, которую в настоящее время называют электронтранспортной цепью митохондрий (ЭТЦ). По современным представлениям она включает следующие компоненты:

339

Как видно из приведенной схемы, электроны и протоны от ФАД · Н2 и НАД · Н передаются на кофермент Q, который, превращаясь в восстановленную форму, становится активным донор˝ом электронов для последовательности переносчиков, состоя˝щей из

цитохромов. Протоны высвобождаются в физиологическую ср˝еду и далее взаимодействуют с ионизированными атомами кисло˝рода,

образуя молекулы воды: 2Н+ + Î2– → Í2О. Ионизация кислорода происходит в результате переноса на него электронов от ци˝то-

хромной системы под действием фермента цитохромоксидазы,

имеющего в своем составе цитохромы à è à3.

Перенос электронов в электронтранспортной цепи митохон˝д-

рий осуществляется в соответствии с общим химическим при˝нципом от переносчика с более отрицательным стандартным оки˝сли-

тельно-восстановительным потенциалом в направлении воз˝раста-

ния величины стандартного потенциала (табл. 9.2).

9.2. Стандартные окислительно-восстановительные потенциал˝ы компонентов электронтранспортной цепи митохондрий

Кофермент Q, или убихинон, как и пластохинон, относится к липидорастворимым производным хинона, содержащим в хино˝-

идной группировке метоксильные группы и ненасыщенный из˝о-

преноидный радикал, включающий от шести до десяти изопрен˝о-

вых группировок. У млекопитающих и растений структура уби˝хинона включает десять изопреновых группировок. Кофермент˝ Q

340