Биохимия растений

Скорость дыхательных реакций возрастает при повышении температуры. Оптимальная температура для дыхания растен˝ий 35—40 °С, она на 5—10 °С выше оптимальной температуры для фотосинтеза. В пределах достижения оптимальной температ˝уры

температурные коэффициенты (Q10) скорости дыхательных реакций для различных биологических объектов находятся в пре˝делах

2—3. При температурах свыше 45...50 °С начинаются процессы тепловой денатурации ферментных и других функционально акт˝ивных

белков, поэтому интенсивность дыхания быстро понижается˝.

Âсвязи с тем что многие дыхательные ферменты локализован˝ы

âжидкой фазе клеток, степень оводнения тканей заметно вл˝ияет

на интенсивность дыхания. Так, например, при влажности сем˝ян не более 10—11 % интенсивность дыхательных процессов нахо-

дится на низком уровне, а при увеличении влажности на 5—6 %

интенсивность дыхания возрастает в несколько раз, что мож˝ет

привести к перегреву и порче семян при хранении. Это объяс˝няет-

ся тем, что в сухих семенах вся вода находится в связанном с˝остоянии и не может служить растворителем для физиологическо˝й

среды. При повышении влажности тканей выше критической по˝-

является свободная вода, которая инициирует ферментатив˝ные

процессы, происходящие в жидкой фазе клеток, в том числе и р˝е-

акции дыхания.

Усиление интенсивности дыхания наблюдается при облучен˝ии

нефотосинтезирующих клеток растений коротковолновым св˝етом

(380—500 нм), что, очевидно, связано с активацией компонентов

электронтранспортной цепи митохондрий, имеющих хромофо˝р-

ные (светочувствительные) группировки.

Наиболее низкой интенсивностью дыхания обладают семена˝ растений, находящиеся в состоянии покоя и не содержащие с˝во-

бодной воды. Наиболее интенсивно дышат вегетативные органы растений, а также сочные растительные продукты — картоф˝ель, корнеплоды, плоды и овощи. Еще более интенсивно дышат микроорганизмы, особенно плесневые грибы. Появление плесени˝ на

хранящихся растительных объектах вследствие усиления д˝ыхания

и выделения теплоты быстро приводит к порче указанных рас˝тительных продуктов. Очень активно проходят процессы дыхан˝ия в молодых и растущих органах. Чем активнее осуществляются б˝иосинтетические процессы в растительных тканях, тем интенс˝ивнее

они дышат.

9.3.6.ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

Â1935—1938 гг. исследованиями ряда ученых было показано,

что при ингибировании основного дыхательного пути углев˝одов процесс их окисления не прекращается, так как инициируютс˝я

351

реакции превращения гексоз в пентозы на уровне фосфорнок˝ислых эфиров. Эти реакции сопровождаются окислением и отщеп˝- лением от гексоз атомов углерода в виде СО2. Такой путь окисления гексоз имеет циклический механизм и получил название˝пентозофосфатного пути èëè пентозофосфатного цикла. Как и цикл Кребса, пентозофосфатный путь окисления глюкозы инициир˝ует-

ся в присутствии кислорода.

Все ферменты, катализирующие реакции пентозофосфатного˝

цикла, локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, а также в хло˝-

ропластах и пропластидах. Реакции этого цикла инициируют˝ся

при усилении биосинтетических процессов, связанных с пот˝реб-

лением восстановленных динуклеотидов НАДФ · Н. В нефото˝синтезирующих клетках реакции пентозофосфатного цикла явл˝яются

основным источником этих восстановленных продуктов.

Повышение концентрации окисленной формы динуклеотидов

ÍÀÄÔ+ вызывает активацию дегидрогеназ, катализирующих клю-

чевые реакции пентозофосфатного цикла. Кроме того, промеж˝у- точный продукт пентозофосфатного цикла 6-фосфоглюконова˝я

кислота ингибирует фермент фосфофруктокиназу, иницииру˝ю-

щий реакции гликолиза, что способствует переводу дыхател˝ьного

процесса на пентозофосфатный путь окисления гексоз.

В реакции пентозофосфатного цикла включаются фосфорили˝- рованные гексозы, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфа˝т. В

первой реакции этого цикла под действием фермента глюкозо-6- фосфатдегидрогеназы (1.1.1.49) глюкозо-6-фосфат окисляется в

лактон 6-фосфоглюконовой кислоты. Коферментом данной де-

гидрогеназы служит НАДФ+, с помощью которого от глюкозо-6- фосфата отщепляются два электрона и два протона:

(1)

С участием фермента глюконолактоназы (3.1.1.17) лактон далее превращается в 6-фосфоглюконовую кислоту:

352

(2)

На следующем этапе окисления от 6-фосфоглюконовой кисло-

ты отщепляются два электрона и два протона и переносятся ˝на

ÍÀÄÔ+ в каталитическом центре фермента фосфоглюконатдегидрогеназы (1.1.1.43), под действием этого же фермента происходит

отщепление СО2 от карбоксильной группы 6-фосфоглюконовой

кислоты. Установлено, что для проявления каталитической ак-

тивности этого фермента необходимо присутствие катионо˝в

Ìn2+. В результате декарбоксилирования и сопряженного с ним β-окисления из 6-фосфоглюконовой кислоты образуется рибуло˝-

зо-5-фосфат:

(3)

Для осуществления дальнейших реакций пентозофосфатного˝ цикла необходимо окисление в рибулозо-5-фосфат еще одной м˝о- лекулы глюкозо-6-фосфата, в связи с чем реакции (1, 2 и 3) повторяются, образуя восстановленные динуклеотиды НАДФ · Н и рибулозо-5-фосфат. После этого происходит изомеризация ри˝-

булозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат под действием фер-

мента рибулозофосфатэпимеразы и в рибозо-5-фосфат — с участи-

ем фермента рибозофосфатизомеразы:

353

(4, 5)

Далее вступает в действие фермент транскетолаза, который переносит концевой двууглеродный радикал с кетонной групп˝ой от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат, в результате чего об˝разуются два новых фосфата моносахаридов — седогептулозо˝-7-фос-

фат и 3-фосфоглицериновый альдегид:

(6)

Затем под действием фермента трансальдолазы осуществляется перенос трехуглеродного радикала от седогептулозо-7-фосф˝ата на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием фруктозо-6-фо˝с- фата и эритрозо-4-фосфата:

(7)

354

Образовавшийся фруктозо-6-фосфат в следующей реакции изомеризуется в глюкозо-6-фосфат с участием фермента глюкозофосфатизомеразы:

(8)

Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в реакции пентозо˝- фосфатного цикла, а эритрозо-4-фосфат, полученный в реакции˝

(7), взаимодействует с ксилулозо-5-фосфатом, который возника˝ет

в результате окисления и декарбоксилирования третьей мо˝лекулы

глюкозо-6-фосфата. Эту реакцию катализирует транскетолаза ñ

образованием фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового ал˝ь- дегида:

(9)

Образовавшийся в реакции (9) фруктозо-6-фосфат, как и в ре-

акции (8), изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, а цикл реакций,

указанный ранее, повторяется еще раз до образования второ˝й мо-

лекулы 3-фосфоглицеринового альдегида. В этих реакциях пр˝оис-

ходит окисление еще трех молекул глюкозо-6-фосфата, однако˝ две

из них регенерируются из фруктозо-6-фосфата. Одна из молеку˝л

3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента триозофосфатизомеразы изомеризуется в фосфодиоксиацетон, кото-

355

рый далее взаимодействует со второй молекулой 3-фосфоглиц˝ери- нового альдегида с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Эту˝ реакцию катализирует фермент альдолаза:

(10)

После этого от фруктозо-1,6-дифосфата в результате гидролиз˝а

отщепляется остаток фосфорной кислоты с образованием фр˝укто-

зо-6-фосфата:

(11)

Полученный в данной реакции фруктозо-6-фосфат, как и в ре-

акции (8), изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, который вновь мо˝-

жет включаться в реакции пентозофосфатного цикла.

Таким образом, в результате окисления шести молекул глюко˝-

зо-6-фосфата в реакциях пентозофосфатного цикла 6 раз проис˝хо-

дит реакция декарбоксилирования с образованием шести мо˝лекул СО2, при этом пять молекул глюкозо-6-фосфата регенерируются,

поэтому фактически окислению подвергается одна молекул˝а глю-

козо-6-фосфата. При окислении каждой из шести молекул глюко˝-

зофосфата дважды происходят реакции дегидрирования, и в к˝о-

нечном итоге в них синтезируются 12 молекул восстановленн˝ых динуклеотидов НАДФ · Н. Суммарное уравнение окисления, г˝лю-

356

козо-6-фосфата в пентозофосфатном цикле можно записать в следующем виде:

Ñ6Í11Î6— Ð + 12ÍÀÄÔ+ + 7Í2Î →

→6ÑÎ2 + 12ÍÀÄÔ · Í + 12Í+ + Í3ÐÎ4

Âреакциях пентозофосфатного цикла не происходят процес˝сы субстратного фосфорилирования, а синтезируемые в этом ци˝кле

восстановленные динуклеотиды НАДФ · Н довольно медленн˝о окисляются ферментами электронтранспортной цепи митохо˝нд-

рий, вследствие чего пентозофосфатный цикл не является ак˝тивным источником свободной энергии для синтеза АТФ. Однако восстановленные динуклеотиды НАДФ · Н обладают бó льшим

восстановительным потенциалом, чем НАД · Н, поэтому они активно используются в качестве восстановителей во многих окис-

лительно-восстановительных реакциях, таких как синтез жи˝рных кислот, восстановление нитритов, сульфатов, дисульфидных˝ связей в пептидах и белках, превращение рибонуклеотидов в де˝зокси-

рибонуклеотиды и др.

Âпентозофосфатном цикле осуществляется превращение ге˝к-

соз в пентозы, которые могут выводиться из цикла и участво˝вать в различных биосинтетических процессах. Так, рибозо-5-фосфа˝т является исходным соединением, с которого начинается син˝тез

рибонуклеотидов, участвующих в образовании нуклеиновых˝ кислот, макроэргических нуклеозидполифосфатов, а также кофе˝р-

ментных группировок НАД, НАДФ, ФАД, кофермента А. Рибуло- зо-5-фосфат, превращаясь в рибулозо-1,5-дифосфат, участвует в

процессах темновой фиксации СО2, в которых также потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ · Н, синтезирован˝ные в пентозофосфатном цикле.

У растений и бактерий пентозофосфатный цикл является так˝же

важнейшим источником эритрозо-4-фосфата для синтеза шики-˝

мовой кислоты, из которой образуются многие ароматически˝е и фенольные соединения.

Âхлоропластах реакции пентозофосфатного цикла наиболе˝е активно проходят в темноте, поддерживая в отсутствие свет˝а необ-

ходимый уровень НАДФ · Н для восстановительных процесс˝ов.

Поддержание же определенного уровня АТФ осуществляется˝ за счет триозофосфатов, образующихся в пентозофосфатном ци˝кле,

которые превращаются в 3-фосфоглицериновую кислоту, иници˝-

ирующую реакции субстратного фосфорилирования.

Следует отметить, что в пентозофосфатном цикле синтезиру˝- ются промежуточные метаболиты (фруктозо-6-фосфат, 3-фос-

357

фоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон), которые мог˝ут включаться также в реакции гликолиза, поэтому между этими˝ двумя дыхательными путями осуществляется постоянная связь˝. Взаимодействие между гликолизом и реакциями пентозофосфатн˝ого

цикла осуществляется очень легко еще и потому, что они лок˝ализованы в жидкой фазе цитоплазмы, в которой постоянно прои˝схо-

дят процессы диффузии различных химических компонентов˝. В

связи с этим очень трудно определить, какая из молекул гек˝созы и на каком этапе включается в реакции гликолиза или пентозо˝фос-

фатного цикла. При благоприятных условиях развития расти˝тель-

ных организмов 10—40 % гексоз, окисляющихся при дыхании, подвергаются распаду через реакции пентозофосфатного ц˝икла, а

остальные — преимущественно в реакциях гликолиза и цик˝ла

Кребса.

В анаэробных условиях реакции цикла Кребса и пентозофос-

фатного цикла ингибируются и дыхание в основном осуществ˝ля-

ется через гликолиз. Соотношение дыхательных реакций, реа˝лизующихся в виде гликолиза и пентозофосфатного цикла, зави˝сит

от природы клеток и их функционального состояния. Активиз˝а-

ция реакций пентозофосфатного цикла наблюдается при деф˝иците влаги, затемнении растений, недостатке элементов питан˝ия,

поражении инфекцией, старении, интенсификации процессов˝, связанных с потреблением НАДФ · Н, рибозо-5-фосфата, рибуло-

зо-5-фосфата и эфитрозо-4-фосфата.

9.3.7.ОКИСЛЕНИЕ МОНОСАХАРИДОВ

ÂКИСЛОТЫ

Óнекоторых бактерий, фотосинтезирующих морских водорос˝- лей, грибов и в клетках животных найдены ферменты, катализ˝и- рующие окисление свободных моносахаридов, которые не под˝- вергаются активированию путем фосфорилирования. Из клет˝ок плесневых грибов выделен фермент глюкозооксидаза, способный

превращать D-глюкозу в глюконовую кислоту. Этот фермент де˝й- ствует на β-пиранозную форму глюкозы, которая образуется из α-формы под действием фермента мутаротазы. В результате дей-

ствия глюкозооксидазы образуется лактон глюконовой кис˝лоты и

пероксид водорода. Затем первый неферментативным путем п˝одвергается гидролизу, превращаясь в глюконовую кислоту, а ˝второй

разлагается каталазой на кислород и воду:

358

Фермент глюкозооксидаза представляет собой глюкопротеи˝д,

содержащий в активном центре ФАД. Этот фермент действует только на D-глюкозу. Однако в клетках некоторых бактерий на˝й- ден другой фермент — гексозооксидаза, который катализирует

превращение в альдоновые кислоты наряду с глюкозой и друг˝их

гексоз.

Образовавшаяся при окислении глюкозы глюконовая кислот˝а

далее фосфорилируется под действием фосфоглюконаткиназы и превращается в 6-фосфоглюконовую кислоту, которая может включаться в пентозофосфатный цикл или подвергаться дег˝идра-

тации. При этом молекула воды отщепляется от α,β-углеродных

атомов с образованием α,β-ненасыщенного енола, который само-

произвольно переходит в более устойчивую кетоформу 2-кето˝-3- дезокси-6-фосфоглюконовую кислоту.

359

Эту реакцию катализирует фермент фосфоглюконатдегидратаза:

Далее 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконовая кислота расщепляется альдолазой на пировиноградную кислоту и 3-фосфоглице-

риновый альдегид:

Продукты этой реакции — 3-фосфоглицериновый альдегид и

пировиноградная кислота — могут далее окисляться в реакциях

дыхания, включаясь в них на стадии гликолиза (3-фосфоглицер˝и- новый альдегид) или цикла Кребса (пировиноградная кислота). Кроме того, 3-фосфоглицериновый альдегид может подвергать˝ся превращениям в пентозофосфатном цикле. Реакции превраще˝-

ния 6-фосфоглюконовой кислоты в пировиноградную кислоту и

3-фосфоглицериновый альдегид называют путем Н. Энтнера и М. Дудорова — по имени исследователей, впервые изучивших ˝такие реакции у бактерий.

9.3.8.АНАЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ

Óанаэробных организмов обеспечение энергией процессов˝

жизнедеятельности осуществляется в отсутствие кислород˝а, и та-

кой путь окисления органических веществ получил названи˝е бро-

360