- •9. Обмен углеводов
- •9.1. Фотосинтез
- •9.1.1. Световая и темновая стадии фотосинтеза
- •9.1.2. Световая фаза фотосинтеза
- •9.1.3. Инициирование светом переноса электронов и протонов в мембранах хлоропластов
- •9.1.4. Фотофосфорилирование
- •11. Окислительно-восстановительные потенциалы основных компонентов цепи переноса электронов в хлоропластах (восстановленные формы)
- •9.1.5. Темновая стадия фотосинтеза
- •9.1.6. Фотодыхание
- •9.1.7. Ассимиляция со2 у с4-растений.
- •9.1.8. Эффективность использования энергии при фотосинтезе.
- •9.1.9. Конечные продукты фотосинтеза
- •9.1.10. Фотосинтез у бактерий
- •9.2. Ассимиляция со2 за счёт использования энергии химических реакций.
- •9.3. Дыхание
- •9.3.1. Гликолиз
- •9.3.2. Цикл ди- и трикарбоновых кислот
- •12. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы компонентов экектронтранспортной цепи митохондрий (этц)
- •9.3.4. Окислительное фосфорилирование
- •9.3.5. Энергетический выход реакций дыхания
- •9.3.6. Пентозофосфатный цикл
- •9.3.7. Окисление моносахаридов в кислоты
- •9.3.8. Анаэробное дыхание
- •9.4. Взаимопревращения моносахаридов
- •9.5. Синтез и превращения олигосахаридов.
- •9.6. Синтез и распад полисахаридов
- •Затем под действием фермента сахарозо-удф-глюкозилтрансферазы остаток глюкозы от удф-глюкозы переносится на фруктозу с образованием сахарозы:
- •Контрольные вопросы
- •Обмен липидов
9.4. Взаимопревращения моносахаридов
В фотосинтезирующих клетках растений первичные углеводы образуются в процессе фотосинтеза, который осуществляется в ходе реакций цикла Кальвина. В этом цикле синтезируются не свободные моносахариды, а их фосфорнокислые эфиры: 3-фосфоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон, эритрозо-4-фосфат, рибозо-5-фосфат, фруктозо-6-фосфат и др. Каждый из этих производных моносахаридов, вступая в реакции цикла, может превращаться в другие моносахариды. Конечный продукт цикла Кальвина фруктозо-6-фосфат путём изомеризации очень легко превращается в глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкозофосфатизомеразы:
⇄
фруктозо-6-фосфат глюкозо-6-фосфат
Вследствие того, что реакции изомеризации сопровождаются небольшим изменением свободной энергии, они в большинстве своём обратимы.
Под действием фермента маннозофосфатизомеразы фруктозо-6-фосфат изомеризуется в маннозо-6-фосфат:
⇄
фрукто-6-фосфат маннозо-6-фосфат
В результате действия соответствующих мутаз, осуществляющих внутримолекулярный перенос фосфатной группы, из глюкозо-6-фосфата образуется глюкозо-1-фосфат, а из маннозо-6-фосфата – маннозо-1-фосфат:
⇄
глюкозо-6-фосфат глюкозо-1-фосфат
⇄
маннозо-6-фосфат маннозо-1-фосфат
В нефотосинтезирующих клетках растений и у гетеротрофных организмов фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат включаются в реакции гликолиза или пентозофосфатного цикла. В ходе реакций гликолиза фосфорилированная гексоза расщепляется на две триозы – 3-фосфогли-цериновый альдегид и фосфодиоксиацетон, из которых при обращении реакций гликолиза может снова синтезироваться гексоза. В пентозофосфатном цикле образуется примерно такой же набор фосфорнокислых производных моносахаридов, как и в цикле Кальвина. Таким образом, мы видим, что в гликолитических реакциях осуществляются взаимные превращения гексоз и триоз на уровне их фосфорнокислых эфиров, а в пентозофосфатном цикле и цикле Кальвина происходят взаимные превращения фосфорилированных форм триоз, пентоз, эритрозы, глюкозы и фруктозы.
Включение свободных моносахаридов в различные реакции их превращений осуществляется путем фосфорилирования. В качестве донора фосфатных групп для реакций фосфорилирования чаще всего используется АТФ. Ферменты, катализирующие перенос фосфатных групп от АТФ на моносахариды, называют киназами.
Фосфорилирование глюкозы и маннозы катализирует фермент гексокиназа с образованием глюкозо-6-фосфата и маннозо-6-фосфата:
+ АТФ ⇄ + АДФ
глюкоза глюкозо-6-фосфат
+ АТФ ⇄ + АДФ
манноза маннозо-6-фосфат
По аналогичному механизму фруктокиназа катализирует образование фруктозо-1-фосфата из фруктозы, а фермент галактокиназа синтезирует галактозо-1-фосфат из галактозы.
Образование свободных моносахаридов из их фосфорилированных форм катализируют ферменты гидролитического типа – фосфатазы, которые отщепляют от фосфатов моносахаридов остатки фосфорной кислоты. Гидролиз глюкозо-6-фосфата происходит с участием глюкозо-6-фосфатазы, галактозо-1-фосфата – под действием галактозо-1-фосфатазы, фруктозо-6-фосфата – фруктозо-6-фосфатазы и т.д.
глюкозо-6-фосфатаза
+ Н2О ¾¾® + Н3РО4
глюкозо-6-фосфат глюкоза
Значительно сложнее происходят взаимопревращения галактозы и других моносахаридов. В этих реакциях в качестве промежуточных продуктов образуются нуклеозиддифосфатпроизводные соответсвующих моносахаридов. На первом этапе таких превращений галактоза фосфорилируется с участием фермента галактокиназы, в результате образуется галактозо-1-фосфат:
+ АТФ ¾¾¾® + АДФ
галактоза галактозо-1-фосфат
На следующей стадии галактозо-1-фосфат взаимодействует с уридинтрифосфатом (УТФ). Эту реакцию катализирует фермент галактозо-1-фосфатуридилилтрансфераза, под действием которого образуется нуклео-тидное производное галактозы – уридиндифосфатгалактоза (УДФ-галактоза) и пирофосфат:
ОН ОН
| |
+ УТФ ¾¾® НО–Р~О–Р–ОН2С
|| ||
О О
Н4Р2О7
галактозо-1-фосфат УДФ-галактоза
В дальнейшем УДФ-галактоза изомеризуется в УДФ-глюкозу под действием специфической НАД-зависимой 4-эпимеразы:
4-эпимераза
¾¾¾¾®
¬¾¾¾¾
УДФ-галактоза УДФ-глюкоза
После гидролитического расщепления УДФ-глюкоза распадается на два продукта – глюкозо-1-фосфат и уридинмонофосфат (УМФ):
+ Н2О ¾¾® + УМФ
УДФ-глюкоза глюкозо-1-фосфат
Глюкозо-1-фосфат может далее изомеризоваться в глюкозо-6-фосфат, а глюкозо-6-фосфат – во фруктозо-6-фосфат. Таким образом, посредством указанных реакций галактоза может превращаться во фруктозо-6-фосфат, который включается в реакции дыхания, или в глюкозо-6-фосфат, способный превращаться в продукты пентозофосфатного цикла.
Возможен также синтез галактозо-1-фосфата и глюкозо-1-фосфата, так как в клетках организмов содержится фермент глюкозо-1-фосфатури-дилилтрансфераза, катализирующий образование УДФ-глюкозы из глюкозо-1-фосфата и УТФ:
глюкозо-1-фосфат + УТФ ¾¾® УДФ-глюкоза + Н4Р2О7
Затем УДФ-глюкоза под действием 4-эпимеразы изомеризуется в УДФ-галактозу, при гидролизе которой образуется галактозо-1-фосфат:
УДФ-галактоза + Н2О ¾¾® галактозо-1-фосфат + УМФ
Взаимопревращения гексоз и пентоз осуществляются в пентозофосфатном цикле и цикле Кальвина. Важное значение для этих реакций имеют ферменты транскетолаза и трансальдолаза, а в пентозофосфатном цикле - фермент фосфоглюконатдегидрогеназа, катализирующий окислительное декарбоксилирование 6-фосфоглюконовой кислоты с образованием рибулозо-5-фосфата. Этот фермент фактически осуществляет превращение гексозы в пентозу.
Во взаимных превращениях пентоз также участвуют ферменты рибулозо-фосфатэпимераза и рибозофосфатизомераза, поддерживающие динамическое равновесие между рибулозо-5-фосфатом, с одной стороны, и ксилулозо-5-фосфатом и рибозо-5-фосфатом, с другой стороны.
Ксилоза и арабиноза синтезируются также из гексоз, но другим путём. При этом в качестве промежуточных продуктов образуются нуклеотидные производные глюкуроновой и галактуроновой кислот. На первом этапе осуществляется ситез УДФ-глюкозы из глюкозо-1-фосфата и УТФ, а затем под действием фермента УДФ-глюкозодегидрогеназы (2.1.1.22) УДФ-глюкоза окисляется в УДФ-глюкуроновую кислоту:
+ 2НАД+ + Н2О ® + 2НАД×Н+2Н+
УДФ-глюкоза УДФ-глюкуроновая
кислота
Затем УДФ-глюкуроновая кислота подвергается превращению в пиранозную форму УДФ-ксилозы:
¾¾®
СО2
УДФ-глюкуроновая УДФ-ксилоза
кислота
Полученная таким путём УДФ-ксилоза используется в процессе синтеза ксиланов, а свободная ксилоза не накапливается.
По аналогичному механизму осуществляется синтез УДФ-арабинозы из УДФ-галактозы, при этом в качестве промежуточного продукта образуется УДФ-галактуроновая кислота. УДФ-арабиноза также не накапливается в растительных тканях, а используется для синтеза арабанов. Кроме того, возможны взаимные превращения УДФ-глюкуроновой и УДФ-галактуроновой кислот, а также пираназных форм УДФ-ксилозы и УДФ-арабинозы под действием соответствующих 4-эпимираз:
D
УДФ-глюкуроновая УДФ-галактуроновая
кислота кислота
D
УДФ-ксилоза УДФ-арабиноза
УДФ-галактуроновая кислота является основным источником галактуроновой кислоты для синтеза пектиновых веществ, а УДФ-глюкуроновая кислота участвует в синтезе ксиланов (в качестве ответвлений), полиуренидов, аскорбиновой кислоты.
Синтез аскорбиновой кислоты. Основным предшественником в синтезе аскорбиновой кислоты является УДФ-глюкуроновая кислота, которая под действием специфической гидролазы даёт свободную глюкуроновую кислоту:
УДФ-глюкуроновая кислота + Н2О глюкуроновая кислота + УДФ
После этого глюкуроновая кислота с участием фермента глюкуронатредуктазы (1.1.1.19) восстанавливается в L-гулоновую кислоту:
О
//
С–Н СН2ОН
| |
Н–С–ОН
Н–С*–ОН
| |
НО–С–Н +
НАДН + Н+
НО–С–Н + НАД+
| |
Н–С–ОН
Н–С–ОН
| |
Н–С–ОН
Н–С–ОН
| |
СООН СООН
D-глюкуроновая
кислота L-гулоновая
кислота
Принадлежность к стереохимическому ряду гулоновой кислоты определяется по наиболее удалённому от карбоксильной группы ассиметрическому атому углерода (отмечен звездочкой), который показывает, что в данном случае образуется L-форма.
В
О О
// //
С–ОН
С-------
| | |
НО–С–Н
НО–С–Н |
| | О
НО–С–Н
НО–С–Н | + Н2О
| | |
Н–С–ОН
Н–С-------
| |
НО–С*–Н НО–С–Н
| |
СН2ОН
СН2ОН
L-гулоновая
кислота L-гулонолактон
П
О О
О
// // //
С-------
С------- С-------
| | НАДН
+ Н+ | | | |
НО–С–Н | НАД+
НО–С–Н | НО–С О
| О |
О ||
|
НО–С–Н |
О=С | НО–С |
| | | | |
|
Н–С--------
Н–С-------- Н–С-------
| | |
НО–С–Н
НО–С–Н НО–С–Н
| | |
СН2ОН
СН2ОН СН2ОН
L-гулонолактон кетопроизводное
L-аскорбиновая
аскорбиновой
кислота
кислоты
У человека и других приматов, а также у морских свинок отсутсвуют ферменты, катализирующие дегидрирование L-гулонолактона, поэтому в этих организмах аскорбиновая кислота не синтезируется и может поступать только с пищей. В растениях аскорбиновая кислота синтезируется в больших количествах, особенно в молодых листьях, овощах, плодах и ягодах.
Превращение моносахаридов в спирты. У растений, грибов и водорослей важную роль в углеводном обмене играют спирты – сорбит, маннит, дульцит.
Дульцита много содержится в листьях ряда растений, особенно в листьях бересклета. Сорбита много накапливается в плодах и ягодах. Очень много маннита в грибах и водорослях, а также в некоторых растительных продуктах. Синтез этих спиртов осуществляется в результате восстановления соответствующих моносахаридов. Наиболее хорошо изучена реакция образования маннита из фруктозы. Эту реакцию катализирует фермент маннитолдегидрогеназа (1.1.1.138):
СН2ОН
СН2ОН
| | C=O
НO–C–H
| | НO–C–H
+ НАДФН + Н+
НO–C–H
+ НАДФ+ | | H–C–OH
H–C–OH | | H–C–OH
H–C–OH | | CH2OH
CH2OH фруктоза
маннит
Спирты, синтезируемые в результате восстановления моносахаридов, выполняют функцию резервных углеводов. Они очень легко превращаются в соответствующие моносахариды и таким образом включаются в различные биохимические реакции, лежащие в основе обмена углеводов.