Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

9.3. Биогенные молекулы, участвующие в энергетических процессах

ФАД

ФАДН2 OH OH

143

Глава 9. Биогенные молекулы энергетических процессов

При окислении в митохондриях одной молекулы ФАДН2 синтезируется две молекулы АТФ.

Глутатион (Г-SH) — трипептид, в состав которого входят три последовательно соединенных аминокислотных остатка (глутаминовая кислота, цистеин, глицин).

HOOC CH CH2 CH2CONH CH CH2 SH

Глутатион служит донором водорода в окислительно-восстановительных процессах. В растениях окисление глутатиона сопровождается образованием окисленной формы (Г-S-S-Г). Количество восстановленного глутатиона может служить критерием жизнеспособности живых организмов.

S-Аденозилметионин является основной формой метионина, участвующей в реакциях метилирования. Синтез S-аденозилметионина катализируется метионинаденозилтрансферазой, которая осуществляет присоединение L-метионина к АТФ.

S-Аденозилметионин является донором метильных групп, которые специализированными метилтрансферазами могут быть перенесены на гуанидиноуксусную кислоту с образованием креатина:

–СН3 S-аденозилметионин + HN=C(NH2)–NH — CH2 — COOH →

Гуанидиноуксусная кислота

→ S-аденозилгомоцистеин + HN=C(NH2)–N(CH3)–CH2 — COOH Креатин

144

ГЛАВА 10

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ

Высокая активность фотосинтеза обеспечивает поступление в растительные клетки значительного количества углеводов, которые способны быстро метаболизироваться, обеспечивая пластические и энергетические потребности растительного организма. При этом окисление углеводов в клетках обеспечивает накопление в них АТФ. Основными метаболическими процессами, в которых происходит превращение углеводов, являются процесс окисления глюкозы, процессы превращения пировиноградной кислоты, цикл трикарбоновых кислот, окислительное фосфорилирование, пентозофосфатный путь (рис. 10.1). Причем последний обеспечивает клетки в НАДФН, который затем используется в процессе синтеза стероидов

идругих биогенных соединений.

Вреакциях пентозофосфатного цикла образуются несколько различных пентоз, которые входят в состав нуклеиновых кислот. Образуемые

Метаболизм

углеводов

Рис. 10.1. Основные метаболические процессы синтеза и окисления углеводов в растениях

146

10.1. Особенности ассимиляции диоксида углерода у С3- и С4-растений

в пентозофосфатном цикле триозы могут быть использованы в процессах синтеза триглицеридов и фосфолипидов. Углеводы могут участвовать в реакциях гликозилирования функциональных белков, обеспечивая их взаимодействие с мембранами.

10.1. ОСОБЕННОСТИ АССИМИЛЯЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА У С3- И С4-РАСТЕНИЙ

Цикл Хетча-Слека. У некоторых видов растений, в частности у сахарного тростника, кукурузы, сорго и других, в листьях содержатся два разных типа хлоропластов: хлоропласты обычного вида (в клетках мезофилла) и крупные хлоропласты, не имеющие гран (в клетках, окружающих проводящие пучки). У этих растений акцептором СО2 служит четырехуглеродное соединение — фосфоенолпировиноградная кислота. Поэтому процесс фиксации СО2 получил название С4-путь фотосинтеза, или цикл ХетчаСлека (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Цикл Хетча-Слека (1 — фосфоенолпируваткарбоксилаза, 2 — малатдегидрогеназа,

3 — декарбоксилирующая малатдегидрогеназа, 4 — пируваткиназа)

Инициирующей реакцией процесса является карбоксилирование фосфоенолпировиноградной кислоты, которое протекает при участии фосфоенолпируваткарбоксилазы (1). Образовавшийся оксалоацетат восстанавливается до малата под действием малатдегидрогеназы (2). В реакции происходит окисление НАДФН. Затем малат подвергается декар-

147

Глава 10. Метаболизм углеводов

боксилированию при участии декарбоксилирующей малатдегидрогеназы

(3)с образованием пировиноградной кислоты.

Вреакции, катализируемой пируваткиназой (4), пировиноградная кислота превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту. На этом

процесс завершается. С4-путь наиболее активен у растений, обитающих в климатических условиях с высокими температурами, где растворимость

СО2 резко снижена, но в связи с высокой активностью фосфоенолпируваткарбоксилазы СО2 интенсивно усваивается, входя в состав четырехуглеродных соединений. При этом в листьях С4-растений коэффициент использования солнечной энергии значительно более высокий, чем у рас-

тений с С3-путем фотосинтеза. Кроме того, в результате кооперативной работы двух циклов (цикла Кельвина и цикла Хетча-Слека) у этих растений

происходит более активное усвоение СО2.

САМ-метаболизм. У растений суккулентов, произрастающих в засуш-

ливых районах, поглощение СО2 идет преимущественно в ночное время. Это обусловлено тем, что из-за высокой освещенности в дневное время устьицы бывают закрыты. Для этих растений характерен суточный цикл

метаболизма с образованием С4-кислот (яблочной кислоты) в темное время суток. Такой тип фотосинтеза часто называют САМ-метаболизмом (Crassulacean acid metabolism — CAM).

Ночью СО2 поступает в листья растений, где при участии фосфоенолпируваткарбоксилазы взаимодействует с фосфоенолпировиноградной кислотой с образованием оксалоацетата. Источником фосфоенолпиро-

виноградной кислоты служит крахмал. Аналогично утилизируется и СО2, образующийся в процессе дыхания. Затем оксалоацетат восстанавливается при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы до яблочной кислоты.

Днем при высокой температуре и закрытых устьицах яблочная кислота декарбоксилируется при участии декарбоксилирующей малатдегидроге-

назы (малик-энзим) с образованием пировиноградной кислоты и СО2. Последний поступает в хлоропласты и участвует в синтезе углеводов.

Таким образом, у растений с С4-путем фотосинтеза могут одновременно функционировать два процесса, утилизирующих СО2, однако протекающих в разных клетках, тогда как у суккулентов эти процессы разобщены во времени. Однако при достаточном количестве воды некоторые

растения с САМ-метаболизмом могут вести себя как С3-растения, тогда как растения с С3-путем фотосинтеза при недостатке воды реализуют САМ-метаболизм.

10.2. ЦИКЛ КАЛЬВИНА

Процесс, протекающий в растительных клетках, в результате которого происходит ассимиляция СО2, называется циклом Кальвина (рис. 10.3).

148

Глава 10. Метаболизм углеводов

Первичным акцептором молекул углекислоты служит рибулозо-5-фос- фат. В цикле Кальвина происходит синтез фруктозо-6-фосфата, для образования которого требуется последовательное присоединение шести молекул СО2.

Всвязи с тем, что первичным продуктом процесса является 3-фос- фоглицериновая кислота, т. е. трехуглеродное соединение, то процесс

еще получил название С3-путь фотосинтеза. Начальную стадию процесса катализирует рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, которая осуществляет

присоединение СО2 к рибулозо-1,5-дифосфату и последующее гидролитическое расщепление образовавшегося соединения на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты. Фермент локализуется на поверхности тилакоидов хлоропластов. Максимальная активность фермента наблюдается при рН 7,8…8,0.

Вследующей реакции 3-фосфоглицериновая кислота под действием фосфоглицераткиназы фосфорилируется с образованием 1,3-дифосфо- глицериновой кислоты. Последняя при участии триозофосфатдегидрогеназы восстанавливается до 3-фосфоглицеринового альдегида. В реакции происходит окисление НАДФН и отщепление молекулы фосфорной кислоты. В четвертой реакции 3-фосфоглицериновый альдегид изомеризуется в фосфодиоксиацетон. Реакцию катализирует триозофосфатизомераза. Образовавшийся фосфодиоксиацетон альдолаза присоединяет к 3-фос- фоглицериновому альдегиду.

Вшестой реакции гексозодифосфатаза отщепляет от фруктозо-1,6-ди- фосфата молекулу фосфорной кислоты с образованием фруктозо-6-фос- фата. В седьмой реакции транскетолаза осуществляет перенос концевого двухуглеродного остатка от фруктозо-6-фосфата на фосфоглицериновый альдегид. В результате реакции образуется ксилулозо-5-фосфат и эритро- зо-4-фосфат. Затем, в восьмой реакции, трансальдолаза соединяет эритрозо-4-фосфат с фосфодиоксиацетоном с образованием седогепту- лозо-1,7-дифосфата. В девятой реакции фосфатаза катализирует реакцию гидролитического отщепления молекулы фосфорной кислоты от седогеп- тулозо-1,7-дифосфата. Образовавшийся седогептулозо-7-фосфат при участии транскетолазы взаимодействует с молекулой 3-фосфоглицеринового альдегида. В результате образуются две пентозы — ксилулозо-5-фосфат

ирибозо-5-фосфат. В одиннадцатой реакции рибозофосфатизомераза катализирует превращение рибозо-5-фосфата в рибулозо-5-фосфат. В двенадцатой реакции рибулозо-5-фосфатэпимераза осуществляет превращение ксилулозо-5-фосфата в рибулозо-5-фосфат. В результате эпимеризации происходит изменение расположения атома водорода и гидроксила у третьего углеродного атома пентозы.

Завершает процесс фосфорибулокиназа, которая катализирует реакцию фосфорилирования рибулозо-5-фосфата в рибулозо-1,5-дифосфат.

150

10.3. Процесс окисления глюкозы

В этой реакции расходуется одна молекула АТФ. Суммарное уравнение цикла Кальвина можно представить в следующем виде:

6СО2 + 11Н2О + 18АТФ + 12НАДФН + 12Н+ →

→Фруктозо-6-фосфат + 14АДФ + 17Н3РО4 + 12НАДФ+

10.3.ПРОЦЕСС ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ

Процесс анаэробного расщепления глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты катализируется десятью ферментами (рис. 10.4). Местом локализации ферментов является цитоплазма клетки, в процессе анаэробного процесса образуется АТФ.

Первой ферментативной реакцией процесса является фосфорилирование, сопровождаемое переносом остатка фосфорной кислоты с АТФ на глюкозу. Реакция катализируется ферментом гексокиназой (1). Реакция протекает в присутствии Мg2+ или Мn2+, которые, связываясь с АТФ, образуют активные комплексы. Ингибиторами фермента могут быть соединения, содержащие сульфидные группы, глюкозо-6-фосфат. Гексокиназа способна также катализировать фосфорилирование D-фруктозы, D-маннозы:

Второй реакцией процесса является изомеризация глюкозы-6-фосфата во фруктозу-6-фосфат, которая катализируется ферментом глюкозо-6-фос- фат-изомеразой (2). Эта реакция легко обратима, так как глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат обладают высоким сродством к ферменту.

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой (3), которая осуществляет фосфорилирование фруктозы-6-фосфата во фрук-

151

Глава 10. Метаболизм углеводов

АДФ

Рис. 10.4. Анаэробный процесс расщепления глюкозы до пировиноградной кислоты (1 — гексокиназа, 2 — глюкозо-6-фосфатизомераза, 3 — 6-фосфоф- руктокиназа, 4 — альдолаза, 5 — триозофосфатизомераза, 6 — глицеральдегидфосфатдегидрогеназа, 7 — фосфоглицераткиназа, 8 — фосфоглицератмутаза, 9 — енолаза, 10 — пируваткиназа)

152