Биохимия растений

жения. Впервые на это обратил внимание в 1860 г. Л. Пастер, изу˝- чавший процессы образования этилового спирта клетками д˝рожжей в анаэробных условиях. Более детально биохимический м˝еханизм брожения сахара под действием дрожжей был выяснен в

1897 г. Э. Бухнером, который показал, что в дрожжевом экстракте˝ содержатся ферменты, катализирующие реакции превращени˝я са-

хара в этиловый спирт.

В дальнейшем было показано, что брожение происходит не

только у дрожжей, но и у многих видов бактерий, трихомонад, ˝не-

которых форм беспозвоночных, а также в некоторых органах ˝и

тканях растений, животных и человека. Согласно современны˝м

теориям о происхождении жизни на Земле брожение — более˝ древняя форма получения живыми клетками энергии, чем аэро˝б-

ное дыхание, так как на ранних этапах зарождения жизни кис˝ло-

рода в атмосфере Земли не было.

Для большинства видов брожения важнейшим промежуточным˝

продуктом является пировиноградная кислота, которая обр˝азуется в реакциях гликолиза. В зависимости от вида брожения пиро˝ви-

ноградная кислота подвергается соответствующим превращ˝ениям.

Спиртовое брожение. При этой форме брожения пировиноград-

ная кислота декарбоксилируется с участием фермента пируваткарбоксилазы и превращается в уксусный альдегид, который затем восстанавливается до спирта алкогольдегидрогеназой:

Пируваткарбоксилаза представляет собой димерный белок ˝с молекулярной массой 200 тыс., в составе каталитического цент˝ра

он содержит в качестве кофермента тиаминпирофосфат и кат˝ио-

íû Ìg2+.

У алкогольдегидрогеназы роль кофермента выполняют дину˝клеотиды НАД, которые связываются с такой же пептидной групп˝и- ровкой, как и в глицеральдегидфосфатдегидрогеназе (см. с. 86—87). В каталитическом центре алкогольдегидрогеназы активную˝ функ-

цию в переносе водорода выполняют катионы Zn2+.

Спиртовое брожение осуществляют в процессе своей жизнед˝е- ятельности клетки дрожжей, относящихся к роду Saccharomyces; плесневых грибов (Mucor, Fusarium), а также некоторых других

микроорганизмов (Monilia, Oidium).

Субстраты спиртового брожения — гексозы, а также сахаро˝за,

мальтоза, лактоза, крахмал после его превращения в гексоз˝ы. На

361

основе спиртового брожения разработаны бродильные технологии получения этилового спирта, вина и пива. Кроме спирта в˝ процессе брожения в некотором количестве синтезируются˝ побочные продукты — янтарная кислота, амиловый, бутиловый˝ и

изоамиловый спирты (сивушные масла), уксусный альдегид, гл˝и- церин. У некоторых бактерий (например, E. coli) в качестве про-

дуктов брожения образуются этиловый спирт, уксусная кисл˝ота,

ÑÎ2 è Í2.

Спиртовое брожение наряду с аэробным дыханием может про-

исходить в растительных клетках при недостатке кислорода. Так,

на ранних этапах прорастания семян, когда они находятся е˝ще на

стадии набухания, в их тканях очень сильно понижается кон˝центрация кислорода, вследствие чего инициируется процесс об˝разо-

вания этилового спирта. Аналогичная ситуация наблюдаетс˝я в со-

зревающих плодах и овощах, когда в их тканях увеличиваетс˝я со-

держание СО2, а количество кислорода снижается до 1—2 %. При

созревании плодов и овощей наблюдается накопление не тол˝ько спирта, но и уксусного альдегида, который является предше˝ствен-

ником при образовании этилового спирта.

Молочнокислое брожение. В ходе молочнокислого брожения

также осуществляются реакции гликолиза, в результате кот˝орых

образуется пировиноградная кислота. Затем она восстанав˝ливается лактатдегидрогеназой до молочной кислоты. Роль кофермента

выполняет восстановленный НАД · Н, который является продук-

том гликолиза:

Лактатдегидрогеназа — тетрамерный белок с молекулярно˝й массой около 140 тыс. В активном центре этого фермента локал˝и-

зованы аминокислотные радикалы гистидина, аргинина, тиро˝зи-

на, глутаминовой и аспарагиновой кислот, причем наиболее ˝активную роль в переносе водорода от НАД · Н на молекулу пировиноградной кислоты играет остаток гистидина.

Если в ходе молочнокислого брожения в основном образуетс˝я

молочная кислота, а выход побочных продуктов небольшой, т˝о такой тип брожения называют гомоферментативным. Гомофермен-

тативное брожение осуществляют Streptoñîññus lactis, Termobacterium cereale, Lactobacillus bulgaricus. Известны другие формы мо-

лочнокислых бактерий, которые при брожении кроме молочно˝й кислоты образуют уксусную кислоту и этиловый спирт, СО2, Í2,

362

ÑÍ4 и некоторые другие продукты. Такой тип молочнокислого брожения называют гетероферментативным.

У некоторых молочнокислых бактерий (род Lactobacillus, Leuconostoñ mesenteroides) гетероферментативное окисление глюко-

зы в лактат осуществляется через фосфоглюконатный путь. К˝ак и

âпентозофосфатном цикле, глюкоза фосфорилируется и окис˝ля-

ется до 6-фосфоглюконовой кислоты, которая, подвергаясь де˝карбоксилированию, превращается в рибулозо-5-фосфат. После эт˝о-

го рибулозо-5-фосфат под действием фермента фосфокетолазы

расщепляется на два продукта — 3-фосфоглицериновый альдег˝ид

и ацетилфосфат. Затем 3-фосфоглицериновый альдегид окисля˝ет-

ся в пировиноградную кислоту, как и в реакциях гликолиза, последняя восстанавливается в молочную кислоту, из ацети˝лфос-

фата образуется этанол.

На основе молочнокислого брожения разработаны промыш-

ленные технологии получения целого ряда пищевых продукт˝ов и

кормов: производство кефира, простокваши и других кисломо˝лоч- ных продуктов; приготовление кваса и дрожжей для хлебопеч˝е-

ния; квашение овощей; силосование кормов. В процессе приго˝-

товления многих из этих продуктов наряду с молочнокислым˝ осу-

ществляется также спиртовое брожение (при производстве к˝васа,

кефира, а также в хлебопечении и т. д.).

Молочнокислое брожение довольно активно осуществляется˝ в

некоторых тканях животных, рыб, птиц, человека. Так, наприме˝р,

âбелых мышцах домашней птицы продукты аэробного дыхания˝

почти не накапливаются, в то же время образуется довольно˝ много

молочной кислоты. В хрусталике и роговице глаз человека о˝сновным источником энергии служит анаэробное дыхание, конечн˝ым продуктом которого является молочная кислота. Продукты м˝олоч-

нокислого брожения обнаружены в проростках растений, а та˝кже

âхранящихся клубнях картофеля, корнеплодах, яблоках, нек˝оторых овощах.

Маслянокислое брожение. Сбраживание гексоз и других углево-

дов, способных превращаться в гексозы, в масляную (бутановую)

кислоту осуществляют в основном анаэробные микрооргани˝змы, типичными примерами которых служат обитающие в почве бактерии рода Clostridium и бактерии пищеварительного тракта животных Eubacterium è Butyrivibrio. У этих бактерий в процессе сбражива-

ния глюкозы осуществляются реакции гликолиза и окислите˝льного

декарбоксилирования пировиноградной кислоты с образова˝нием ацетил-КоА. Часть восстановленных динуклеотидов НАД · Н˝, образуемых в реакциях гликолиза и окислительного декарбоксилирова-

ния пировиноградной кислоты, реокисляются с образование˝м

молекулярного водорода. Эту реакцию катализирует фермент гидрогеназа, представляющий собой железосерный белок:

363

ÍÀÄ·Í+Í+ ¾¾¾¾¾®Гидрогеназа ÍÀÄ+ +Í2

Полученный в указанных ранее реакциях ацетил-КоА далее

подвергается конденсации под действием ацетоацетил-КоА-тио- ëàçû с образованием ацетоацетил-КоА:

Затем ацетоацетил-КоА восстанавливается ацетоацетил-КоА- дегидрогеназой в 3-оксибутирил-КоА:

3-Оксибутирил-КоА далее подвергается дегидратации под дей˝-

ствием фермента еноилгидратазы и превращается в кротонил-КоА, который восстанавливается дегидрогеназой в бутирил-КоА˝:

В последней реакции маслянокислого брожения энергия мак˝-

роэргической связи бутирил-КоА используется для синтеза˝ АТФ в

ходе реакции фосфоролиза, которая осуществляется по тако˝му

же механизму, как и фосфоролиз сукцинил-КоА (см. с. 335—336).

364

В ходе реакции фосфоролиза бутирил-КоА превращается в мас˝ляную кислоту, а КоА высвобождается:

Кроме масляной кислоты при маслянокислом брожении обра-

зуются также уксусная кислота, СО2 и водород, а при некоторых

модификациях брожения в качестве побочных продуктов — ˝бутанол и изопропанол. Маслянокислое брожение очень активно п˝ро-

исходит в среде, где ограничен доступ кислорода: в заболоч˝енных

почвах и на дне болот, в преджелудках жвачных животных, в ил˝и-

стых отложениях.

Пропионовокислое брожение. Субстратами пропионовокислого брожения являются глюкоза и молочная кислота, которые в х˝оде

уже известных реакций превращаются в пировиноградную ки˝сло-

ту. В дальнейшем пировиноградная кислота карбоксилирует˝ся с

участием карбоксилтрансферазы, содержащей карбоксильную

группу в связанном состоянии в виде карбоксибиотина, и пр˝евращается в щавелевоуксусную кислоту:

(1)

В последующих реакциях щавелевоуксусная кислота послед˝о- вательно превращается сначала в яблочную, а затем в фумар˝овую

и янтарную кислоты:

(2)

365

На образовавшуюся янтарную кислоту ферментом КоА-транс- феразой переносится группировка КоА с образованием сукцинилКоА:

(3)

На следующей стадии брожения сукцинил-КоА изомеризуется˝ в метилмалонил-КоА. Реакцию катализирует В12-зависимый фер-

ìåíò метилмалонил-КоА-мутаза. Затем происходит простран-

ственная изомеризация полученного продукта специфическ˝ой ра-

цемазой, в ходе которой изменяется пространственное поло˝жение

свободной карбоксильной группы.

(4)

Полученный в ходе изомеризации S-изомер метилмалонил-

КоА в следующей реакции декарбоксилируется, передавая ка˝р-

боксильную группу на карбоксилтрансферазу, которая ее переносит на пировиноградную кислоту, как показано в реакции (1). Продукты этой реакции — пропионил-КоА и карбоксилирова˝н- ный фермент:

366

В последней реакции с участием КоА-трансферазы осуществляется перенос группировки КоА от пропионил-КоА на янтарную˝ кислоту, в результате образуются пропионовая (пропановая˝) кислота и сукцинил-КоА:

Образовавшийся сукцинил-КоА снова включается в реакции

брожения, а пропионовая кислота — конечный продукт проп˝ио-

новокислого брожения. Кроме пропионовой кислоты в этих ре˝ак-

циях образуется также уксусная кислота путем фосфоролит˝ичес-

кого расщепления молекул ацетил-КоА, в ходе которого осущ˝е- ствляется синтез АТФ. Кроме того, в составе продуктов проп˝ио-

новокислого брожения содержится небольшое количество

янтарной кислоты. Пропионовокислые бактерии особенно мн˝ого-

численны в преджелудках жвачных животных, они также участ˝ву-

ют в химических процессах, лежащих в основе получения сыр˝а. Процессы брожения, проходящие в природной среде, как пра-

вило, осуществляются с участием разных видов микроорганизмов.

При этом продукты одних видов микроорганизмов могут служ˝ить

субстратами для других видов. Поэтому в ходе брожения обр˝азуется сложная смесь продуктов, которая постоянно изменяется в з˝ависимости от состава микроорганизмов и условий окружающей ср˝еды.

Для промышленных технологий брожения используют чистые˝

культуры отселектированных клонов микроорганизмов, спо˝соб-

ных обеспечить наиболее полный выход целевого продукта. Кроме того, в процессе реализации промышленной технологии пу˝тем направленного воздействия предотвращаются ответвления˝ биохимических путей, которые являются источниками образовани˝я по-

бочных продуктов.

9.4.ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ МОНОСАХАРИДОВ

Âфотосинтезирующих клетках растений первичные углевод˝ы

образуются в процессе фотосинтеза, который осуществляет˝ся в

ходе реакций цикла Кальвина. В этом цикле синтезируются н˝е

367

свободные моносахариды, а их фосфорнокислые эфиры: 3-фос- фоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон, эритрозо-4-фо˝с- фат, рибозо-5-фосфат, фруктозо-6-фосфат и др. Каждый из этих производных моносахаридов, вступая в реакции цикла, может˝

превращаться в другие моносахариды. Конечный продукт цик˝ла Кальвина фруктозо-6-фосфат путем изомеризации очень легко˝

превращается в глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкозофосфатизомеразы:

Вследствие того что реакции изомеризации сопровождаютс˝я

небольшим изменением свободной энергии, они в большинств˝е

своем обратимы.

Под действием фермента маннозофосфатизомеразы фруктозо-6- фосфат изомеризуется в маннозо-6-фосфат:

В результате действия соответствующих мутаз, осуществля˝ю- щих внутримолекулярный перенос фосфатной группы, из глюк˝о- зо-6-фосфата образуется глюкозо-1-фосфат, а из маннозо-6-фос- фата — маннозо-1-фосфат:

368

В нефотосинтезирующих клетках растений и у гетеротрофны˝х

организмов фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат включаются˝

в реакции гликолиза или пентозофосфатного цикла. В ходе р˝еакций гликолиза фосфорилированная гексоза расщепляется н˝а две

триозы — 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиаце˝тон,

из которых при обращении реакций гликолиза может снова си˝н- тезироваться гексоза. В пентозофосфатном цикле образует˝ся при-

мерно такой же набор фосфорнокислых производных моносах˝а-

ридов, как и в цикле Кальвина. Таким образом, в гликолитичес˝- ких реакциях осуществляются взаимные превращения гексо˝з и

триоз на уровне их фосфорнокислых эфиров, а в пентозофосф˝ат-

ном цикле и цикле Кальвина происходят взаимные превращен˝ия фосфорилированных форм триоз, пентоз, эритрозы, глюкозы и˝

фруктозы.

Включение свободных моносахаридов в различные реакции и˝х превращений осуществляется путем фосфорилирования. В каче-

стве донора фосфатных групп для реакций фосфорилировани˝я чаще всего используется АТФ. Ферменты, катализирующие пе-˝ ренос фосфатных групп от АТФ на моносахариды, называют киназами.

Фосфорилирование глюкозы и маннозы катализирует фермен˝т

гексокиназа с образованием глюкозо-6-фосфата и маннозо-6-фос-

ôàòà:

369

По аналогичному механизму фруктокиназа катализирует обра-

зование фруктозо-1-фосфата из фруктозы, а фермент галактокиназа синтезирует галактозо-1-фосфат из галактозы.

Образование свободных моносахаридов из их фосфорилиро-

ванных форм катализируют ферменты гидролитического тип˝а —

фосфатазы, которые отщепляют от фосфатов моносахаридов ос-

татки фосфорной кислоты. Гидролиз глюкозо-6-фосфата проис˝-

ходит с участием глюкозо-6-фосфатазы, галактозо-1-фосфата —˝ под действием галактозо-1-фосфатазы, фруктозо-6-фосфата —

фруктозо-6-фосфатазы и т. д.

Значительно сложнее происходят взаимопревращения галак˝то-

зы и других моносахаридов. В этих реакциях в качестве пром˝ежу-

точных продуктов образуются нуклеозиддифосфатпроизвод˝ные соответствующих моносахаридов. На первом этапе таких пре˝вращений галактоза фосфорилируется с участием фермента галактокиназы, в результате образуется галактозо-1-фосфат:

370