Биохимия растений

Глюкоза + АТФ ¾¾¾¾¾¾®Гексокиназа Глюкозо-6-фосфат +АДФ Глюкозо-6-фосфат ¾¾¾¾¾¾¾¾¾®Фосфоглюкомутаза Глюкозо-1-фосфат

Глюкозо-1-фосфат + АТФ ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾®АДФГ-пирофосфорилаза АДФ-глюкоза + + Н4 Ð2Î7

На следующем этапе с участием АДФ-глюкозы под действием

фермента глюкозилтрансферазы синтезируется олигосахарид, со-

стоящий из 2—4 остатков глюкозы, соединенных a (1®4)-связя-

ми. Фермент глюкозилтрансферазу очень часто называют D-ôåð- ментом. Образующийся под действием D-фермента олигосахарид

далее служит акцептором для присоединения глюкозных ост˝атков

от АДФ-глюкозы при синтезе полимера.

Образование цепочечных структур молекул амилозы катали˝зи-

рует фермент АДФГ-крахмалглюкозилтрансфераза (2.4.1.21). Реакция протекает по следующей схеме:

полимеризации

Âэтой реакции с помощью указанного фермента остаток

глюкозы от АДФ-глюкозы переносится на первичный акцептор, в результате чего его глюкозная цепь удлиняется на од˝ин

остаток. Затем полученный продукт становится акцептором˝

следующего остатка глюкозы, и так продолжается присоедин˝е-

ние глюкозных остатков от АТФ-глюкозы на соответствующий˝ промежуточный акцептор, пока не закончится полный синтез˝ молекулы амилозы.

Âходе синтеза амилозы образуется длинная цепь (до 300) глюкозных остатков, соединенных О-гликозидными a (1®4)-связями. При этом следует отметить, что остатки глюкозы в процессе синтеза крахмала всегда присоединяются к нередуцирующим ко˝нцам полисахаридной цепи акцептора (т. е. со стороны НО-группы˝ чет-

вертого углеродного атома глюкозы).

Синтез в молекулах амилопектина a (1®6)-связей, за счет которых образуются разветвленные молекулы, осуществляетс˝я с уча-

стием так называемого Q-фермента, который по современной н˝о- менклатуре ферментов получил название a-глюкантрансферазы (2.4.1.18). Этот фермент способен катализировать перенос опреде˝- ленного участка полиглюкозной цепи на НО-группу шестого у˝г- леродного атома одного из глюкозных остатков прилегающей и

381

параллельно расположенной полисахаридной цепи. Расстоя˝ние

между ответвлениями в цепи зависит от природы фермента.

Донором глюкозных остатков для синтеза крахмала может та˝к-

же служить УДФ-глюкоза, но при этом скорость реакции очень˝

сильно замедляется. Однако в клетках животных организмов˝ основным источником глюкозных остатков для построения мол˝екул гликогена (аналога крахмала) служит УДФ-глюкоза.

Распад крахмала. Распад молекул крахмала может происходить путем гидролиза или фосфоролитических реакций. Гидролит˝ическое расщепление α (1→4)-связей в молекулах крахмала катализируют амилазы: α-амилаза (3.2.1.1), β-амилаза (3.2.1.2), глюкоамилаза (3.2.1.3).

α-Амилазы действуют на α (1→4)-связи между точками ветвле-

ния и способны расщеплять молекулы амилопектина на более˝ мелкие фрагменты, представляющие собой низкомолекулярн˝ые полисахариды — декстрины. Для проявления каталитическо˝й активности α-амилаз необходимо присутствие в реакционной среде хлорид-ионов, которые служат активаторами фермента. Без участия α-амилаз невозможно полное гидролитическое расщепление молекул амилопектина.

Под действием β-амилаз происходит гидролитическое расщепление α (1→4)-связей на концах полисахаридных цепей целых мо-

лекул или декстринов с образованием β-мальтозы. Действие этих ферментов прекращается при достижении точек ветвления м˝олекул крахмала, в которых глюкозные остатки соединены α (1→6)- связями.

Глюкоамилазы, êàê è β-амилазы, катализируют гидролиз α (1→4)-связей на концах полисахаридных цепей, но в результате действия этих ферментов образуются молекулы глюкозы.

Гидролитическое расщепление α (1→6)-связей в точках ветвления молекул амилопектина катализируют R-ферменты, которые˝ называют амилопектин-1,6-глюкозидазами (3.2.1.9).

Под действием всего набора амилолитических ферментов кр˝ах-

мал гидролизуется с образованием мальтозы и глюкозы. Одна˝ко на мальтозу также действуют ферменты, относящиеся к гидро˝лазам, α-глюкозидазы (3.2.1.20), которые расщепляют молекулы мальтозы с образованием глюкозы. Схематически действие г˝идролитических ферментов на молекулу крахмала показано на ри˝сунке 9.9.

Препараты, содержащие амилолитические ферменты, используются в производстве хлеба, пива, пищевого спирта, а также˝ в ка- честве кормовых добавок в животноводстве для улучшения п˝ере-

варимости крахмала, содержащегося в кормах.

382

Рис. 9.9. Действие гидролитических ферментов на молекулу кр˝ахмала

Фосфоролитическое расщепление молекул крахмала катализ˝и-

руют ферменты α-глюканфосфорилазы (2.4.1.1). Под действием

этих ферментов осуществляется перенос глюкозных остатк˝ов от

молекул крахмала на фосфорную кислоту, при этом в качеств˝е основного продукта реакции образуется глюкозо-1-фосфат, кот˝орый

далее может быть использован для синтеза УДФ-глюкозы или

включаться в реакции анаэробной стадии дыхания. Реакции ф˝ос-

форолиза крахмала проходят по следующей схеме:

Особенно высокая активность амилаз и α-глюканфосфорилаз

наблюдается при прорастании семян, клубней и луковиц, ког˝да в

них происходит интенсивный распад полисахаридов крахма˝ла и

увеличивается концентрация декстринов, мальтозы и монос˝ахаридов, используемых для формирования тканей проростков.

В процессе распада крахмал может превращаться не только в˝

мальтозу и глюкозу, но и в сахарозу. Наиболее активно такие˝ пре-

вращения происходят в листьях растений с фотосинтетичес˝ким крахмалом. На первом этапе указанных превращений под дей-˝ ствием соответствующего трансгликозилирующего фермента остатки глюкозы переносятся от крахмала на УДФ, в результат˝е об-

разуется УДФ-глюкоза:

Затем под действием фермента сахарозо-УДФ-глюкозилтранс˝-

феразы остаток глюкозы от УДФ-глюкозы переносится на фрук˝-

тозу с образованием сахарозы:

УДФ-глюкоза +Фруктоза ¬¾¾¾® Сахароза + УДФ

383

Совершенно очевидно, что в результате обращения двух ука-˝ занных выше реакций возможно также превращение сахарозы˝ в крахмал.

Синтез и распад полифруктозидов. В растениях обнаружены

ферменты, катализирующие превращения сахарозы в полифру˝к- тозиды и свободную глюкозу. У некоторых растительных видо˝в

(мятликовые, лилейные, астровые, колокольчиковые) образов˝авшиеся при фотосинтезе углеводы превращаются во фруктози˝ды,

которые затем поступают в созревающие семена или другие з˝апа-

сающие органы. Схематически превращение сахарозы в поли-

фруктозиды можно представить следующим образом:

nСахароза → nГлюкоза + [Фруктоза]n

Ферменты, катализирующие указанные превращения, содер-

жатся также в клетках бактерий. Донором фруктозных остатк˝ов

при синтезе полифруктозидов служит УДФ-фруктоза:

При биосинтезе инулина остатки фруктозы присоединяются˝ от

УДФ-фруктозы к молекуле сахарозы, включающей остатки глю-˝

козы и фруктозы:

Глюкоза-О-фруктоза + УДФ-фруктоза →

→Глюкозо-О-фруктоза-О-фруктоза + ÓÄÔ

Âходе реакции между остатками фруктозы образуется β (1→2)-

связь. В дальнейшем к полученному продукту вновь осуществ˝ля-

ется перенос остатка фруктозы от УДФ-фруктозы с образован˝ием новой β (1→2)-связи. Удлинение полифруктозной цепи по указанному механизму будет продолжаться до тех пор, пока полнос˝тью не закончится синтез молекулы инулина. Распад молекулы ин˝ули-

на происходит гидролитическим путем под действием ферме˝нта

инулазы (3.2.1.7) с образованием свободной фруктозы и сахарозы.

Другие полифруктозиды гидролизуются соответствующими г˝ли-

козидазами до свободной фруктозы.

Синтез и распад целлюлозы. Молекулы целлюлозы построены

из остатков β-D-глюкозы, соединенных β (1→4)-связями. В опытах in vitro с использованием бесклеточных ферментных экстрактов˝,

384

выделенных из растений, показано, что синтез целлюлозы мо˝жет осуществляться из УДФ-глюкозы или ГДФ-глюкозы (гуанозинд˝и- фосфатглюкозы), а также фрагментов целлюлозы (целлодекст˝ринов), выполняющих роль акцепторов остатков β-глюкозы.

Содержащийся в составе этих экстрактов фермент целлюлозосинтетаза (2.7.7.34) катализирует синтез молекул целлюлозы по

схеме

[β-Глюкоза]n + ÃÄÔ-β-глюкоза → [β-Глюкоза] n + 1 + ÃÄÔ

Молекулы фермента образуют полиферментный комплекс, ко-

торый катализирует одновременный синтез многих молекул˝ целлюлозы, формирующих микрофибриллу, в которой полимерные

цепи из остатков β-глюкозы соединены водородными связями.

Молекулы целлюлозы расщепляются в основном путем гидро-

лиза под действием фермента целлюлазы (3.2.1.4) с образованием

целлобиозы. Особенно высокой целлюлазной активностью от˝ли- чаются клетки многих почвенных микроорганизмов, а также к˝лет-

ки бактерий пищеварительной системы жвачных животных. Им˝е-

ются также сведения о том, что и в листьях растений при их с˝таре-

нии происходит процесс распада целлюлозы и превращения е˝е в

растворимые формы, которые затем подвергаются оттоку в со˝зревающие семена или клубни (у картофеля).

Продукт гидролиза целлюлозы — целлобиоза подвергается˝ гид-

ролитическому расщеплению с участием фермента β-глюкозидазы

(3.2.1.21) до свободной β-глюкозы.

Гемицеллюлозы. В биосинтезе гемицеллюлоз также принимают участие ферменты, катализирующие перенос остатков монос˝ахаридов от их нуклиозиддифосфатпроизводных на соответств˝ующий

олигосахарид, служащий первичным акцептором при образов˝ании полисахарида. В качестве донора остатков ксилозы для синт˝еза ксиланов используется УДФ-ксилоза. Донором остатков араб˝инозы при образовании молекул арабанов служит УДФ-арабиноза˝.

Для синтеза маннанов активированной формой моносахарид˝ных

остатков для включения в состав полисахаридной цепи явля˝ется ГДФ-манноза (гуанозиндифосфатманноза).

Распад гемицеллюлоз происходит в основном гидролитичес˝- ким путем под действием ферментов гемицеллюлаз. Такие фермен-

ты найдены в клетках бактерий и плесневых грибов, а также в˝

прорастающих семенах растений. Активирование гемицеллю˝лаз наблюдается в листьях растений в процессе их старения, пр˝и этом образующиеся в результате гидролиза гемицеллюлоз раств˝оримые

формы углеводов поступают в созревающие семена или клубн˝и (у

картофеля). Отмечается распад гемицеллюлоз и при созрева˝нии

плодов у некоторых плодовых культур.

385

Пектиновые вещества. Пектины синтезируются из УДФ-галак- туроновой кислоты, которая образуется при окислении УДФ-г˝лю- козы или УДФ-галактозы, а также в результате активировани˝я свободной галактуроновой кислоты путем фосфорилировани˝я и

взаимодействия с УТФ:

Галактуроновая кислота + АТФ → → 1-Фосфогалактуроновая кислота + АДФ

1-Фосфогалактуроновая кислота +

+ÓÒÔ → УДФ-галактуроновая кислота + Н4Ð2Î7

Âходе образования пектинов остатки α-D-галактуроновой кис-

лоты под действием специфических трансфераз переносятс˝я от

УДФ-галактуроновой кислоты на соответствующий акцептор˝. Од-

новременно происходят реакции метилирования карбоксиль˝ных

групп под действием фермента метилтрансферазы, катализирующего перенос метильных радикалов от S-аденозилметионина н˝а

полигалактуроновую кислоту:

При взаимодействии пектина с галактанами и арабанами осу˝-

ществляется синтез сложноэфирных связей протопектина с˝ учас-

тием карбоксильных групп, содержащихся в молекулах пекти˝на.

Эти реакции также катализируют специфические трансфера˝зы,

осуществляющие синтез протопектина в клеточных стенках˝ расте-

ний или в формирующихся плодах.

386

Распад протопектина происходит гидролитическим путем п˝од действием ферментов протопектиназ, катализирующих гидролиз сложноэфирных связей, соединяющих полимерные цепи пекти˝на с галактанами и арабанами. Процессы гидролиза протопекти˝нов очень активно протекают в растениях при созревании плодо˝в и старении листьев.

Под действием фермента пектазы (3.1.1.11), катализирующего гидролиз сложноэфирных связей метоксильных групп, пекти˝ны

превращаются в полигалактуроновую (пектиновую) кислоту ˝и метиловый спирт. Полигалактуроновая кислота в отличие от пе˝кти-

на не обладает способностью образовывать желе, но очень л˝егко взаимодействует с катионами металлов, образуя нераствор˝имые

соли. На этом основано химическое определение пектиновых˝ веществ и их защитное действие в пищеварительной системе че˝ловека и животных по связыванию и выведению из организма ка˝тионов тяжелых металлов.

Пектиновая кислота подвергается гидролизу с участием фе˝р- мента полигалактуроназы (3.2.1.15), èëè пектиназы, действующей

на О-гликозидные связи, соединяющие остатки α-D-галактуроно- вой кислоты. Комплекс ферментов, гидролизующих пектиновы˝е

вещества, особенно активен в препаратах, получаемых из пл˝есневых грибов. В связи с этим указанные препараты применяютс˝я для

осветления плодовых соков и вин, содержащих растворимый п˝ектин, который обусловливает их возможную непрозрачность.

Контрольные вопросы. 1. Как были открыты световые и темновые реакции фотосинтеза? 2. Какие функции выполняют молекулы хлорофилла˝ в процессе фотосинтеза? 3. Каково участие каротиноидных пигментов в фотох˝имических реакциях? 4. Как под действием света инициируется перенос электро˝нов и протонов по системе переносчиков, локализованных в тилакоидных мемб˝ранах хлоропластов?

5.Каковы механизмы нециклического и циклического транспо˝рта электронов?

6.Какие механизмы реализуются в процессе синтеза восстановленных динуклеотидов НАДФ · Н и молекул АТФ с участием хлоропластного АТ˝Ф-синтетазного

комплекса? 7. В какой последовательности происходит синте˝з гексозы из СО и

2

Í2О в ходе реакций цикла Кальвина? 8. При каких условиях усили˝ваются реакции фотодыхания и как они влияют на эффективность процесс˝а фотосинтеза? 9. Как происходит ассимиляция СО2 ó Ñ4-растений? 10. Какова эффективность использования энергии при фотосинтезе? 11. По каким механиз˝мам происходит образование неуглеводных продуктов фотосинтеза? 12. Как вл˝ияют условия окружающей среды на выход продуктов фотосинтеза? 13. Каковы особ˝енности фотосинтеза у бактерий? 14. Какие биохимические реакции происхо˝дят при хемосинтезе? 15. Как были открыты реакции биологического окисления˝, называемого дыханием? 16. В какой последовательности осуществляются реак˝ции гликолиза? 17. Какие химические и биоэнергетические продукты образуются в ходе гликолиза, а также из продуктов этого процесса? 18. Каковы механизмы˝ превращения пировиноградной кислоты в продукты реакций цикла Кребса? 19. К˝акие химические и биоэнергетические продукты образуются в реакциях цикл˝а Кребса? 20. Как про-

387

исходит окисление восстановленных динуклеотидов, образ˝ующихся в цикле Кребса, с помощью ферментных комплексов митохондриальных мембран? 21. Каков механизм окислительного фосфорилирования? 22. С какой э˝ффективностью используется энергия дыхания для синтеза АТФ? 23. Как влияют˝ факторы окружающей среды на интенсивность дыхания растительных клет˝ок? 24. Какие биохимические реакции происходят в пентозофосфатном цикле и к˝акова его биологи- ческая роль? 25. Как моносахариды превращаются в кислоты? 26. К˝аковы механизмы анаэробного дыхания? 27. Как происходит синтез из моносахаридов спиртов и аскорбиновой кислоты? 28. По какому пути осуществляетс˝я обращение реакций гликолиза и какое это имеет значение для организм˝ов? 29. Какие взаимные превращения гексоз (глюкозы, фруктозы, маннозы и галак˝тозы) известны? 30. Каковы механизмы образования в организмах рибозы, ксило˝зы, арабинозы, эритрозы, глицеринового альдегида и диоксиацетона? 31. Как о˝существляются синтез и превращения сахарозы и других олигосахаридов? 32. К˝акие биохимические реакции лежат в основе синтеза крахмала, полифруктози˝дов, целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ? 33. С участием каких фермент˝ов происходит распад крахмала и других полисахаридов?

388

10. ОБМЕН ЛИПИДОВ

∙

Главными запасными формами липидов растений являются жиры, которые интенсивно синтезируются в хлоропластах, се˝менах и плодах. Особенно много жиров накапливается в семена˝х масличных растений. Изучение биохимических процессов в с˝о- зревающих семенах масличных растений показало, что увели˝че- ние в них содержания жиров сопровождается понижением кон˝-

центрации сахаров. При введении в созревающие семена саха˝ров, меченных радиоактивным изотопом углерода 14С, радиоактивная метка довольно быстро обнаруживалась в составе ацилглиц˝еринов жира. Это послужило доказательством того, что синтез жира˝ осуществляется из углеводов. В дальнейшем было выяснено, что˝ непосредственными предшественниками в синтезе ацилглицеринов жира являются активированные формы жирных кислот и фосфо˝- рилированный глицерин, которые образуются из продуктов у˝гле-

водного обмена.

Синтез глицеролфосфата. Исходными веществами для синтеза глицеролфосфата служат продукты фотосинтеза и дыхания —˝ 3-фос- фоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Они образу˝ются

в цикле Кальвина при фотосинтезе, на стадии гликолиза при˝ ды-

хании, а также в реакциях пентозофосфатного цикла. Непоср˝едственно глицеролфосфат синтезируется в результате восс˝тановления фосфодиоксиацетона ферментом глицерол-3-фосфатдегидроге- назой:

389

Синтезированный из углеводных продуктов глицерол-3-фос- фат затем используется для синтеза ацилглицеринов жира, ф˝осфолипидов и гликолипидов.

10.1.СИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Âопытах по изучению синтеза жирных кислот в созревающих

семенах масличных растений выяснено, что наиболее легко о˝ни образуются из производных уксусной кислоты. На этой основ˝е

было сформулировано предположение, что жирные кислоты си˝н-

тезируются в результате реакций конденсации двууглерод˝ных

органических соединений. В дальнейшем с использованием м˝е-

ченных 14С биохимических предшественников было показано, что основным органическим соединением, непосредственно уча˝ству-

ющем в синтезе жирных кислот, является ацетилкофермент А,˝ ко-

торый образуется как продукт дыхательных реакций или реа˝кций

распада липидов и аминокислот.

На первом этапе происходит активирование ацетилкоферме˝н- та А путем превращения его в малонилкофермент А. Эту реакцию

катализирует фермент ацетил-КоА-карбоксилаза (6.4.1.2), содер-

жащий в активном центре группировку биотина. В состав фер˝мен-

та также входят катионы Mn2+. Карбоксилирование ацетил-КоА

сопряжено с гидролизом АТФ:

(1)

В дальнейшем процесс синтеза жирной кислоты осуществляе˝т- ся с участием мультиферментного комплекса, называемого синтетазой жирных кислот. Ферментный комплекс растворен в жидкой

фазе цитозоля, и в его центральной части находятся молеку˝лы

специфического белка, способного присоединять и перенос˝ить ацильные остатки в ходе синтеза жирной кислоты. Этот бело˝к получил название ацилпереносящего белка (АПБ). К одному из сери-

новых остатков ацилпереносящего белка через остаток фос˝фор-

ной кислоты присоединена группировка витамина — пантотеновой кислоты, с которой связан остаток тиоэтаноламина. Посколь-

ку он содержит активную тиоловую группу, ацилпереносящий˝ белок сокращенно обозначают HS-АПБ. С помощью АПБ поддер-

390