Биохимия растений

миоинозит, в результате осуществляется синтез фосфатиди˝лсерина и фосфатидилинозита:

Фосфатидилсерины могут также синтезироваться при замещ˝е- нии остатков холина или этаноламина в молекулах фосфатид˝илхолинов или фосфатидилэтаноламинов на серин:

Фосфатидилэтаноламин + Серин →

→ Фосфатидилсерин + Этаноламин;

Фосфатидилхолин + Серин → Фосфатидилсерин + Холин.

401

В реакцию с ЦДФ-диацилглицеридом может вступать глице- рол-3-фосфат с образованием фосфатидилглицерофосфата:

Далее в результате гидролиза фосфоэфирной связи от молек˝у-

лы фосфатидилглицерофосфата отщепляется остаток фосфор˝ной

кислоты и происходит образование фосфатидилглицерина:

Фосфатидилглицерофосфат + Н2Î →

→Фосфатидилглицерин + Н3ÐÎ4

10.4.РАСПАД ЖИРОВ

Âпроцессе синтеза ацилглицеринов жира происходит образ˝о-

вание сложноэфирных связей между остатками глицерина и ж˝ирных кислот. В ходе распада ацилглицеринов происходит обра˝тный процесс — расщепление сложноэфирных связей гидролитич˝ескими ферментами липазами (3.1.1.3). Особенно высока активность

липаз в прорастающих семенах масличных растений, у которы˝х

главными запасными веществами являются жиры.

Под действием липаз жиры с участием воды расщепляются до глицерина и свободных жирных кислот:

402

В ходе реакции гидролиза фермент последовательно катали˝зирует расщепление первой сложноэфирной связи триацилгли˝церина, затем второй и далее третьей.

Большинство липаз находятся в клетках растений или микро˝-

организмов в растворимом состоянии и имеют оптимум катал˝ити- ческого действия при рН 8. Для проявления каталитической а˝к-

тивности липаз необходимо присутствие в физиологическо˝й среде катионов Са2+.

Образовавшиеся при гидролизе жира глицерин и жирные кис-

лоты подвергаются дальнейшим превращениям. Глицерин вна˝ча-

ле фосфорилируется от АТФ под действием фермента глицеролкиназы (2.7.1.30) и превращается в глицерол-3-фосфат:

Затем глицерол-3-фосфат окисляется с участием уже известно-

го нам фермента НАД-специфичной глицеролфосфатдегидрог˝е-

назы, превращаясь в фосфодиоксиацетон:

Под действием фермента триозофосфатизомеразы фосфодиок˝- сиацетон изомеризуется в 3-фосфоглицериновый альдегид. По˝- скольку данный фермент катализирует и обратную реакцию п˝ревращения 3-фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиац˝е-

тон, в физиологической среде между указанными метаболита˝ми

устанавливается динамическое равновесие:

403

Дальнейшие превращения фосфодиоксиацетона и 3-фосфогли- церинового альдегида могут происходить в двух направлен˝иях: они могут участвовать в синтезе углеводов или включаться˝ в дыхательные реакции.

Если в клетках организма осуществляется превращение зап˝асных жиров в углеводы, например при прорастании семян масл˝ич- ных растений, фосфодиоксиацетон и 3-фосфоглицериновый аль˝-

дегид под действием фермента альдолазы конденсируются с˝ образованием фруктозо-1,6-дифосфата, который превращается во фруктозо-6-фосфат, способный далее включаться в синтез раз˝лич-

ных углеводов по уже известным нам механизмам.

Кроме того, 3-фосфоглицериновый альдегид может включаться˝

âреакции дыхания и использоваться как энергетический ма˝териал. В этом случае он окисляется в анаэробной стадии дыхани˝я до

пировиноградной кислоты, которая в результате окислител˝ьного декарбоксилирования образует ацетил-КоА, включающийся д˝алее

âреакции цикла Кребса.

Другие продукты гидролиза жиров — жирные кислоты — под˝- вергаются окислению у человека и животных преимуществен˝но под действием ферментов, локализованных во внутреннем матри˝ксе митохондрий, а у растений в значительном количестве еще и˝ в цитоплазме клеток. В соответствии с этим у растений различа˝ют два

механизма окисления жирных кислот: α-окисление è β-окисление. Распад жирных кислот по механизму α-окисления осуществля-

ется в цитоплазме растительных клеток и проходит в две ст˝адии.

На первой стадии жирная кислота подвергается действию фе˝р- мента пероксидазы жирных кислот (1.11.1.3), который с участием пероксида водорода катализирует окислительное декарбок˝силиро-

вание жирной кислоты с образованием альдегида:

На второй стадии α-окисления альдегид жирной кислоты окисляется до кислоты под действием фермента дегидрогеназы альдегидов жирных кислот (1.2.1.3), включающего в качестве кофермента нуклеотидную группировку НАД:

В результате α-окисления кислород присоединяется к α-óãëå-

родному атому жирной кислоты, а от карбоксильной группы о˝тщепляется СО2 и углеродная цепь жирной кислоты становится на один

404

углеродный атом короче. При многократном повторении α-окисле- ния происходит деградация жирной кислоты на СО2 è Í2О. Но в ходе окисления альдегидов жирных кислот на каждую молеку˝лу выделившегося в предшествующей реакции СО2 синтезируется

одна молекула восстановленного динуклеотида НАД · Н. Та˝ким образом, при α-окислении жирных кислот часть их свободной

энергии используется для синтеза динуклеотидов НАД · Н˝, которые могут далее участвовать в восстановительных реакция˝х, лежа-

щих в основе синтеза различных биохимических продуктов р˝асти-

тельной клетки. Наиболее активно α-окисление жирных кислот

происходит в прорастающих семенах масличных культур.

Распад жирных кислот по механизму β-окисления происходит во внутреннем матриксе митохондрий. Бó льшая часть жирных кис-

лот находится не в свободном виде, а превращается в КоА-произ-

водные под действием ацил-КоА-синтетазы (6.2.1.3). В ходе такого

превращения осуществляется сопряженный синтез ацил-КоА˝ за

счет гидролиза АТФ:

Одни ацил-КоА-синтетазы катализируют активирование жир-

ных кислот с длинной цепью, а другие — с более короткой (4—˝12

углеродных атомов).

В переносе КоА-производных жирных кислот через мембраны митохондрий участвуют молекулы карнитина, содержащего бипо-

лярную группировку. Во внутренней мембране митохондрий и˝ме-

ется ацилтрансфераза, катализирующая перенос ацильных о˝статков с КоА на карнитин по следующей схеме:

405

Âсоединении с карнитином жирная кислота проникает через˝ мембраны митохондрий во внутренний митохондриальный ма˝т- рикс, где снова осуществляется замещение остатка карнити˝на на кофермент А. Определенная часть жирных кислот (до 30 %) может˝

проходить через мембраны митохондрий в свободном виде, и ˝их соединение с коферментом А происходит уже в митохондриал˝ь-

ном матриксе.

Âмитохондриальном матриксе активированные жирные кис-

лоты, соединенные с коферментом А, подвергаются действию

фермента ацил-КоА-дегидрогеназы (1.3.99.3), содержащего в каче-

стве простетической группы ФАД. В ходе реакции окисления ˝от

остатка жирной кислоты отщепляются электроны и протоны с˝ образованием α,β-ненасыщенного производного жирной кислоты,

присоединенной к коферменту А:

В митохондриальном матриксе имеются ацил-КоА-дегидроге-

назы, способные окислять радикалы жирных кислот с длинной˝ и короткой углеродной цепью. Перевод восстановленной форм˝ы

ацил-КоА-дегидрогеназы в окисленную, способную снова взаи˝мо-

действовать с новой молекулой ацил-КоА, осуществляется с ˝учас-

тием электронпереносящего флавопротеида, который перен˝осит электроны на один из переносчиков системы окислительног˝о фосфорилирования во внутренней мембране митохондрий.

На следующем этапе β-окисления к ненасыщенному ацил-

КоА-производному жирной кислоты присоединяется молекул˝а

воды под действием фермента еноил-КоА-гидратазы (4.2.1.17) и происходит образование β-оксипроизводного жирной кислоты, соединенной с коферментом А:

От образовавшегося β-оксиацил-КоА-производного жирной

кислоты отщепляется водород. Эту реакцию катализирует фе˝р-

406

ìåíò 3-оксоацил-КоА-дегидрогеназа (1.1.1.35), содержащий в активном центре кофермент НАД:

Под действием 3-оксоацил-КоА-дегидрогеназы атомы водоро-

да отщепляются от β-углеродного атома, в результате чего окси-

производное жирной кислоты превращается в кетопроизвод˝ное — β-оксоацилкофермент А. На последнем этапе β-окисления β-îê-

соацил-КоА-производное жирной кислоты взаимодействует с˝о

свободной молекулой кофермента А, образуя два продукта —˝ аце-

тил-КоА и ацил-КоА, углеродная цепь которого на два углерод˝-

ных атома короче, чем у исходной жирной кислоты. Синтез эти˝х продуктов катализирует фермент ацил-КоА-тиолаза (2.3.1.9):

Поскольку конечный этап окисления КоА-производного жирной кислоты с образованием β-оксоацил-КоА происходит у β-уг- леродного атома, весь цикл представленных здесь реакций п˝олу- чил название β-окисления жирных кислот. Остаток жирной кис-

лоты, укороченный на два углеродных атома, вновь вступает˝ в ре-

акции β-окисления, и от него отщепляется молекула ацетил-КоА. Затем цикл реакций β-окисления повторяется снова и снова до тех пор, пока вся цепочка жирной кислоты, имеющая четное число˝ углеродных атомов, не будет полностью расщеплена на молек˝улы

ацетил-КоА.

Åñëè æå β-окислению подвергается жирная кислота с нечетным

числом углеродных атомов, то в результате каждого цикла р˝еакций β-окисления будут отщепляться двууглеродные фрагменты

ацетил-КоА, однако на последнем этапе β-окисления в результате

отщепления ацетил-КоА остается конечный фрагмент молеку˝лы

407

жирной кислоты в виде пропионил-КоА. В матриксе митохондрий имеется набор ацетил-КоА-тиолаз, специфичных к цепям жирных кислот разной длины.

Как указывалось ранее, в организмах встречаются жирные ки˝с-

лоты, имеющие боковые радикалы, как правило, в виде метильной группы. При этом такие ответвления обычно находятся у˝ чет-

ных углеродных атомов жирной кислоты. В опытах выяснено, ч˝то жирные кислоты с боковыми метильными радикалами у четных˝

углеродных атомов подвергаются β-окислению, но в результате

тиолазной реакции от остатка жирной кислоты отщепляется˝ не

ацетил-КоА, а молекула пропионил-КоА:

Если же боковые радикалы присоединены к нечетным углерод˝-

ным атомам, то β-окисление жирной кислоты блокируется на ста-

дии образования β-оксиацил-КоА-производного, так как возника-

ющий на этой стадии β-окисления продукт не может окисляться

ферментом β-оксоацил-КоА-дегидрогеназой:

Впервые отрицательные последствия блокирования β-окисле- ния жирных кислот наблюдали в сельскохозяйственной отра˝сли. В ряде развитых стран до 1966 г. в больших количествах для обра˝ботки растений применяли синтетические детергенты с беспор˝ядоч-

но расположенными метильными радикалами в их жирнокисло˝т-

ных цепях. В результате процесс их β-окисления при биодеградации почвенными микроорганизмами блокировался в точках, г˝де метильные радикалы были присоединены к нечетным углерод˝ным

атомам. Последнее приводило к накоплению в почве пенистых˝

образований, наносивших значительный ущерб урожайности˝

сельскохозяйственных культур. После этого было принято р˝еше-

ние производить детергенты только на основе жирных кисло˝т с неразветвленными углеродными цепями.

408

Óнекоторых микроорганизмов при блокировании процесса β-окисления жирных кислот в качестве обходного пути исполь˝зуется механизм α-окисления или процесс окисления начинается с противоположного по отношению к карбоксильной группе ко˝нца.

Âэтом случае вначале гидроксилированию подвергается пе˝рвич- ный углеродный атом с образованием оксипроизводного жир˝ной

кислоты, которое затем окисляется в альдегид, а последний˝ — в карбоновую кислоту, способную далее вступать в реакции α-îêèñ-

ления. Окисление жирной кислоты с противоположного от кар˝-

боксильной группы конца получил название ω-окисления.

Óрастений и микроорганизмов бó льшая часть жирных кислот в

составе липидов относится к представителям ненасыщенно˝го ряда. Но они, как и насыщенные кислоты, подвергаются β-îêèñ-

лению, образуя в качестве конечного продукта ацетил-КоА. Е˝сли

в процессе окисления после очередного отщепления ацетил˝-КоА

двойная связь ненасыщенной кислоты оказывается в α,β-положе-

нии, то в этом случае нормально происходят последующие ре˝акции β-окисления. Однако если двойная связь оказывается сме-

щенной в β,γ-положение, то для нормального осуществления

реакций β-окисления требуется перемещение двойной связи в

α,β-положение. Такую реакцию осуществляют специфические

изомеразы ненасыщенных жирных кислот.

Основной продукт β-окисления жирных кислот ацетил-КоА

может далее участвовать в двух видах превращений — окис˝ляться в

дыхательных реакциях до СО2 è Í2О или использоваться для син-

теза углеводов.

Значительная часть молекул ацетил-КоА, образующихся в ход˝е β-окисления жирных кислот, вступает в реакции цикла Кребса˝, которые локализованы во внутреннем матриксе митохондри˝й.

Окисление одной молекулы ацетил-КоА в реакциях цикла Креб˝са дает три молекулы восстановленных динуклеотидов НАД · ˝Н, одну

молекулу ФАД · Н2 и одну молекулу АТФ за счет субстратного фосфорилирования при фосфоролизе сукцинил-КоА. Как мы уже˝

знаем, восстановленные динуклеотиды НАД · Н и ФАД · Н2 âíóò-

ри митохондрий окисляются в системе окислительного фосф˝орилирования, обеспечивая синтез АТФ. При окислении одной мо˝лекулы НАД · Н возможно образование трех молекул АТФ, а при

окислении одной молекулы ФАД · Н2 — двух молекул АТФ. Всего

за счет окисления одной молекулы ацетил-КоА возможен синт˝ез

(3ÀÒÔ × 3ÍÀÄ · Í) + (2ÀÒÔ × ÔÀÄ · Í2) + АТФ = 12 молекул АТФ. В ходе реакций β-окисления жирных кислот синтезируются

также восстановленные динуклеотиды ФАД · Н2 è ÍÀÄ · Í, êîòî-

рые, поступая в систему окислительного фосфорилирования˝, ис-

пользуются для синтеза АТФ. В каждом цикле β-окисления насы-

щенной жирной кислоты образуется по одной молекуле НАД ·˝ Н и

409

ÔÀÄ · Í2, что может обеспечить синтез пяти молекул АТФ. Однако при оценке общего выхода АТФ при β-окислении каждой молекулы жирной кислоты следует учитывать, что одна молекул˝а АТФ затрачивается на активирование жирной кислоты путем˝ ее

перевода в ацил-КоА-производное.

Попытаемся сравнить энергетический эффект окисления жи˝р-

ных кислот и углеводов. В качестве примера для расчета эне˝ргети- ческого эффекта окисления жирных кислот возьмем стеарин˝овую

кислоту, а углеводов — глюкозу. Углеродная цепь стеарино˝вой

кислоты включает 18 атомов углерода. В ходе ее распада 8 раз п˝о-

вторяется цикл реакций β-окисления и образуется девять молекул

ацетил-КоА. Как было показано ранее, в каждом цикле β-окисле- ния накапливаются восстановленные динуклеотиды, при оки˝сле-

нии которых в системе окислительного фосфорилирования м˝огут

синтезироваться пять молекул АТФ, а за восемь циклов реак˝ций

β-окисления — соответственно 40 молекул АТФ.

При окислении в дыхательных реакциях одной молекулы аце- тил-КоА возможно образование 12 молекул АТФ, а в результате

окисления девяти молекул ацетил-КоА могут синтезировать˝ся

108 молекул АТФ. Таким образом, в результате окисления одной

молекулы стеариновой кислоты через механизм β-окисления и

дыхательных реакций возможно образование в системе окис˝лительного фосфорилирования 40 + 108 = 148 молекул АТФ. Однако

если учесть, что одна молекула АТФ затрачивается на актив˝ирова-

ние жирной кислоты, то окончательный выход АТФ при окисле˝-

нии одной молекулы стеариновой кислоты составляет 147 моле˝кул

АТФ (или 147 молей АТФ в расчете на 1 моль стеариновой кислоты).

Если произвести расчет выхода АТФ при окислении 1 г стеари˝-

новой кислоты (284 г · моль–1), то получим следующий результат: 147 : 284 = 0,52 моля АТФ в расчете на 1 г стеариновой кислоты. В главе 9 (см. с. 348—349) было показано, что при окислении 1 моля глюкозы (180 г · моль–1) синтезируется 38 молей АТФ (или

38 : 180 = = 0,21 моль АТФ в расчете на 1 г глюкозы). Из этих по-

казателей видно, что энергетический эффект окисления одн˝ой единицы массы стеариновой кислоты более чем в 2 раза превы˝шает эффективность окисления глюкозы.

В качестве примера нами определен энергетический эффект˝

окисления насыщенной жирной кислоты — стеариновой. Одн˝ако

ненасыщенные жирные кислоты также дают высокий выход АТФ˝ при их окислении в митохондриях. У них только на одном из эт˝а- пов окисления, когда в реакцию вступает ненасыщенное прои˝з-

водное, не происходит образования ФАД · Н2, которое в системе

окислительного фосфорилирования обеспечивает синтез дв˝ух мо-

лекул АТФ. Поэтому в ходе окисления каждого моля ненасыще˝н-

410