Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Авторы

Голованова Тамара Ивановна

Иванова Анна Николаевна

Избранные главы биохимии растений

конспект лекций

Красноярск

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………….

Раздел 1. Биохимия растений как наука…………………………….

Лекция 1. Биохимия растений как наука

1. 
   Предмет, цели и задачи курса. Место биохимии в системе биологических наук
   
2. 
   Особенности растительного организма.
   
3. 
   История становления биохимии как науки.
   
4. 
   Методы исследования.
   

Лекция 2. Метаболизм

2.1. Метаболизм и его регуляция.

2.2. Типы метаболических путей.

2.3. Катаболические пути.

2.4. Анаболические пути.

2.5. Центральные пути обмена.

2.6. Соотношение катаболизма и анаболизма.

2. 7. Анаплеротический путь.

Раздел 2. Углеводы

Лекция 3.Взаимопревращения углеводов в растительной клетке

3.1. Киназные реакции.

3.2. Мутазные реакции.

3.3. Изомеразные реакции.

3.4. Эпимеразные реакции.

3.5. Альдолазные реакции.

3.6. Транскетолазные реакции.

3.7. Декарбоксилирование.

3.8. Нуклеотидные производные сахаров.

Лекция 4. Восстановительный пентозофосфатный цикл

4.1. Карбоксилирование.

4.2. Восстановление

4.3. Регенерация.

4.4. Основные характеристики карбоксилирования.

Лекция 5. Фотодыхание

5.1. Понятие фотодыхания.

5.2. История открытия цикла.

5.3. Химизм фотодыхания.

5.4. Особенности гликолатного цикла.

5.5. Регуляция фотодыхания.

5.6. Физиологическая роль фотодыхания.

Лекция 6. С₄-тип фотосинтеза

6.1. История открытия С₄-пути фотосинтеза.

6.2. С₄-метаболизм у растений НАДФ-малатдегидрогеназного типа.

6.3. С₄-метаболизм у растений НАД-малатдегидрогеназного типа.

6.4. С₄-метаболизм у растений ФЭП-карбоксилазного типа.

6.5. Разнообразие С₄-метаболизма.

Лекция 7. Метаболизм по типу толстянковых.

7.1. Общие представления о САМ-метаболизме.

7.2. Фиксация СО₂ .

7.3. Реакции, происходящие на свету.

7.4. Энергетические затраты при САМ метаболизме.

7.5. Особенности САМ-растений.

Лекция 8. Окислительный пентозофосфатный путь

8.1. Из истории открытия цикла.

8.2. Две фазы пентозофосфатного пути окисления глюкозы.

8.3.Фаза 1 - первый окислительный этап пентозофосфатного пути.

8.4. Фаза 2 - неокислительный этап.

8.5. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления глюкозы.

8.6. Функции окислительного пентозофосфатного пути.
Введение
Биохимия изучает химический состав организмов и химические превращения, происходящие в процессе их жизнедеятельности.

В зависимости от объекта изучения различают биохимию растений, биохимию животных биохимию микроорганизмов.

Избранные главы биохимии растений является частью биологической науки, изучающей активность обменных процессов растительных организмов.

Предметом изучения курса являются пути биосинтеза и использования этих компонентов у растительных организмов в процессе жизнедеятельности, механизмы регуляции метаболических процессов, особенности метаболизма С₃- и С₄-растений, основное биохимическое различие между растениями и животными.

Курс «Избранные главы растений» дает представление об особенностях растительного организма и метаболических процессов, протекающих в растении. Для изучения данной дисциплины необходимы знания ботаники, химии, цитологии, физиологии растений, молекулярной биологии, генетики, экологии, биотехнологии, растениеводства, агрохимии.

Целью дисциплины «Избранные главы биохимии растений» является формирование у студентов представлений об особенностях метаболических процессов, протекающих в растительных организмах, относящихся к различным экологическим группам, о механизмах и путях регуляции обменных процессов у растений.

Раздел 1

Биохимия растений как наука

Лекция 1

Биохимия растений как наука

План лекции

1. 
   Предмет, цели и задачи курса. Место биохимии в системе биологических наук.
   
2. 
   Особенности растительного организма.
   
3. 
   История становления биохимии как науки.
   
4. 
   Методы исследования.
   

Предмет, цели и задачи курса. Место биохимии в системе биологических наук. Растение всегда было в центре внимания исследователей и оно заслуживает этого: накапливая энергию солнечных лучей в химических связях органических соединений, растение питает весь гетеротрофный мир Земли. От полноты знаний о растении и протекающих в нем процессах зависит практическое умение человека использовать потенциальные возможности растения.

Представителей растительного мира можно разделить на две группы в соответствии с природой необходимой им питательных веществ: на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы нуждаются только в простых питательных веществах: из этих простых веществ они синтезируют все сложные органические соединения, необходимые для их роста и воспроизводства. Гетеротрофные организмы неспособны жить, используя лишь простые неорганические вещества, хотя в небольших количествах эти неорганические вещества жизненно необходимы. Большую же часть питательных веществ для гетеротрофных организмов составляют сложные органические соединения.

Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул, большинство из которых представляют собой органические соединения. Тем не менее, живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплении неживых молекул. К ним относятся следующие свойства:

1. Сложность и высокая степень организованности. Живые организмы представлены миллионами разных видов.

2. Любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняется строго определенную функцию. Это относится даже к индивидуальным химическим соединениям (липиды, белки и т.п.).

3. Способность извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды – либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения

4. Способность к точному самовоспроизведению.

Биохимия – это наука, изучающая химический состав организмов и химические превращения, происходящие в процессе жизнедеятельности человека, животных, растений, микроорганизмов.

Биохимия развивалась на основе успехов органической химии, на основе расширения круга изучаемых ею природных веществ и усовершенствования методов синтеза органических соединений. Биохимия теснейшим образом связана с физиологией, изучающей закономерности явлений жизни. По словам Ф. Энгельса: «физиология есть, разумеется, физика и в особенности химия живого тела, но вместе с тем она перестает быть специально химией: с одной стороны, сфера ее действия ограничивается, но, с другой стороны, она вместе с тем поднимается здесь на некоторую более высокую ступень». Само название – биохимия отражает специфику этой науки, так как в основе всех проявлений жизнедеятельности, всех функций организма лежит обмен веществ.

Биохимия изучает отдельные этапы процессов обмена веществ, их взаимосвязь и взаимообусловленность, изучает физиологическую роль отдельных веществ в жизни организмов, процесс биосинтеза сложного органического вещества из простейших веществ, а также биогеохимические превращения растительных и животных остатков.

Задачи, стоящие перед биохимией:

1. 
   Расшифровка структуры и создание искусственным путем белков, нуклеиновых кислот.
   
2. 
   Основные закономерности, лежащие в основе наследственности и изменчивости.
   
3. 
   Изучение процессов обмена веществ с теми или иными физиологическими функциями организма.
   
4. 
   Выведение новых видов организмов.
   

Установление химического строения белков, нуклеиновых кислот и выяснение сущности процессов обмена веществ позволит не только разрешить одну из проблем – создание искусственным путем живое вещество, но и управлять организмами в желательном для человека направлении. Это приведет к созданию и выведению новых более ценных пород животных, сортов растений, повышению продуктивности животноводства и урожайности сельскохозяйственных культур.

Цель биохимии – это познание молекулярных основ жизни.

Особенности растительного организма. В настоящее время биохимия представляет собой весьма разветвленную область знания, охватывающую целый ряд разделов, выросших в самостоятельные дисциплины. В зависимости от изучаемого объекта биохимия подразделяется на биохимию растений, биохимию микроорганизмов, биохимию животных.

Биохимия растений, развиваясь на основе общих принципов и достижений биохимии, имеет свои существенные особенности. Эти особенности определяются двумя свойствами растительного организма:

1. 
   Способность растений синтезировать различные органические соединения из СО₂ и Н₂О и поступающих из почвы неорганических веществ (NO₃⁻, SO₄⁻², PO₄⁻³). Эти простые неорганические соединения поставляют растению шесть необходимых элементов: углерод, водород, кислород, азот, серу и фосфор, из которых построено подавляющее большинство компонентов тканей: белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т.д.
   
2. 
   Колоссальное разнообразие синтезируемых в растениях органических соединений. Растения могут образовывать соединения присущи только им: терпеноиды, алкалоиды, фенольные соединения и другие.
   

Зеленое растение способно улавливать энергию солнечного света и использовать ее для образования сложных органических соединений.

История становления биохимии как науки. Изучение проблем, составляющих предмет современной биохимии, началось в конце 18 века и было обусловлено крупными достижениями в области органической химии, физиологии, медицины.

Фридрих Вёлер (нем. Friedrich Wöhler; 31 июля 1800, Эшерсхейм — 23 сентября 1882, Гёттинген) — немецкий химик, по образованию врач. Изучал химию у Л. Гмелина в Гейдельберге и Й. Берцелиуса в Стокгольме. С 1831 профессор технической школы в Касселе; с 1836 до конца жизни профессор университета в Гёттингене; с 1853 иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. В 1824 Вёлер открыл щавелевую кислоту.

В 1828 г. Ф. Велер впервые синтезировал органическое вещество – мочевину из неорганических соединений.

Ю́стус фон Ли́бих (нем. Justus von Liebig; 12 мая 1803, Дармштадт — 18 апреля 1873, Мюнхен) — немецкий химик. Он усовершенствовал аппарат для сжигания органических соединений (печь Либиха) и улучшил метод анализа; исследовал почти все важнейшие органические кислоты; изучил продукты разложения спирта хлором, продукты окисления алкоголя и сверх того составные части жидкостей мяса. Либих открыл в аммелине и меламине первые могущие быть искусственно приготовленными углеродосодержащие основания, нашёл в моче сначала травоядных, а потом человека — гиппуровую кислоту, в жидкости мяса — креатинин и инозиновую кислоту и тирозин как продукт разложения казеина. Он отличил далее цинтонин — главную составную часть вещества мускулов — от кровяного фибрина. С Велером Либих предпринял исследование циановой и мочевой кислот, радикала бензойной кислоты и масла горьких миндалей.

Либих открыл один из фундаментальных законов экологии — закон ограничивающего фактора (известный также, как бочка Либиха).

Луи́ Пасте́р (правильно Пастёр, фр. Louis Pasteur; 27 декабря 1822, Доль, департамент Юра — 28 сентября 1895, Вильнёв-л’Этан близ Парижа) — французский микробиолог и химик, член Французской академии (1881). Пастер, показав микробиологическую сущность брожения и многих болезней человека, стал одним из основоположников микробиологии и иммунологии. Его работы в области строения кристаллов и явления поляризации легли в основу стереохимии.

Эдуард Бухнер (20 мая 1860, Мюнхен — 13 августа 1917, там же) — немецкий химик и биохимик. Нобелевская премия по химии (1907) («За проведенную научно-исследовательскую работу по биологической химии и открытие внеклеточной ферментации»).

Он начал изучать химию в 1884 году под руководством Адольфа Байера и ботанику у профессора Негели в Ботаническом институте Мюнхена.

В 1907 году Бухнер получил Нобелевскую премию по химии за биохимические исследования внеклеточной ферментации и выделение зимазы.

Ю.Либих, Л.Пастер, Э. Бухнер получили первые сведения о химических превращениях белков, жиров и углеводов в организмах, положено начало изучению химизма брожения.

Климе́нт Арка́дьевич Тимиря́зев (22 мая (3 июня) 1843, Петербург — 28 апреля 1920, Москва) — русский естествоиспытатель, физиолог, физик, приборостроитель, историк науки, писатель, переводчик, публицист, профессор Московского университета, основоположник русской и британской научных школ физиологов растений.

К. А. Тимирязев начал исследования процесса фотосинтеза.

Фридрих Мишер (нем. Friedrich Miescher, 13 августа 1844, Базель — 26 августа 1895, Давос) — швейцарский физиолог, гистолог и биолог, учился в Базеле, Геттингене, Тюбингене и Лейпциге, в 1871 г. приват-доцент, в 1872 г. — профессор физиологии в Базеле. В 1869 году Фридрих Мишер открыл ДНК. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота. Он исследовал химию нуклеиновых кислот.

Ненцкий (Nencki) Марцелий Вильгельмович (15.1.1847, Бочки, Польша, — 14.10.1901, Петербург), биохимик и микробиолог. В 1870 окончил Берлинский университет. В 1877—90 профессор физиологической химии и руководитель медицинско-химического института Бернского университета. С 1891 заведующий химическим отделом института экспериментальной медицины в Петербурге. Исследовал синтез мочевины в организме, указал на роль печени в этом процессе и предложил (совместно с И. П. Павловым) одну из теорий синтетического образования мочевины в организме млекопитающих. Исследуя небелковую часть гемоглобина, установил химическую структуру гема, совместно с Л. Мархлевским показал (1897—1901) химическое родство гемоглобина и хлорофилла. Исследовал химический состав некоторых бактерий. Изучал химизм гнилостного распада белков. Разработал методы борьбы с чумой рогатого скота.

Данилевский Александр Яковлевич (10.12.1838, Харьков - 18.06.1923, С.-Петербург), зав кафедрой медицинской химии и физики (1863-1871), нормальной физиологии (1863-1865), фармакологии (1866-1869). В Казани А.Я. Данилевский начал исследования в области строения и свойств белков, что явилось его основным научным направлением

Бах Алексей Николаевич (5 [17] марта 1857, Золотоноша, Полтавская губерния — 13 мая 1946, Москва) — советский биохимик и физиолог растений, академик АН СССР (с 12 января 1929 г.), Герой Социалистического Труда (1945), лауреат Сталинской премии первой степени, основоположник российской биохимии. В 1936 году по его инициативе создается первый всесоюзный журнал «Биохимия», редактором которого он становится.

М.В. Ненцкий, А. Я. Данилевский, А. Н. Бах выявили сходство основных механизмов биохимических превращений у живых организмов различных групп.

О́тто Ге́нрих Ва́рбург (нем. Otto Heinrich Warburg; 8 октября 1883, Фрайбург, Баден — 1 августа 1970, Западный Берлин) — немецкий биохимик, доктор и физиолог, ученик Эмиля Фишера, лауреат Нобелевской премии, член Лондонского королевского общества. Один из выдающихся учёных двадцатого века в области цитологии.

Ханс Адольф Кребс (нем. Hans Adolf Krebs, 25 августа 1900, Хильдесхейм — 22 ноября 1981) — немецко-английский биохимик. Член Лондонского королевского общества (1947) и Национальной Академии наук США (1964). Внёс основной вклад в разработку цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса). В 1932 описал орнитиновый цикл синтеза мочевины в печени животных.

О́тто Фриц Ме́йергоф (нем. Otto Fritz Meyerhof; 12 апреля 1884, Ганновер, Германия — 6 октября 1951, Филадельфия, США) — немецкий биохимик и врач. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1922 году (совместно с Арчибалдом Хиллом) за труды в области мышечного метаболизма (включая гликолиз).

Исследовал ферментативные превращения углеводов и сопряжённые с ними превращения аденозинтрифосфата и креатинфосфата. Описал связь анаэробного распада и аэробного синтеза углеводов в работающей и отдыхающей мышце (т. н. цикл Пастера — Мейергофа), показал, что энергия, освобождающаяся в ходе химических превращений углеводов, используется в процессе мышечного сокращения.

О. Варбург, Г. Эмбден, О. Мейергоф, Х. Кребс установили основные этапы процессов брожения и биологического окисления. Описан цикл Кребса.

Джеймс Бетчеллер Самнер (англ. James Batcheller Sumner) (19 ноября 1887, Кантон, Массачусетс, — 12 августа 1955, Буффало, Нью-Йорк) — американский биохимик. Член Национальной АН США и Американской академик искусств и наук. Работы по препаративной химии белков и ферментов, впервые выделил кристаллический фермент (уреазу), доказав в 1926 г. белковую природу ферментов. Нобелевская премия по химии (1946, совместно с У. Стэнли и Дж. Нортропом).

Кирхгоф Константин Сигизмундович (Готлиб Сигизмунд Константин)

(19.II.1764—26.II.1833). Русский химик, акад. Петербургской АН (с 1812). Р. в Тетерове (Мекленбург-Шверин, Германия). Открыл (1811) каталитическую реакцию получения глюкозы при нагревании крахмала с разбавленной серной кислотой. Это открытие положило начало изучению каталитических процессов. В 1814 г. К.С. Кирхгоф обнаружил осахаривание крахмала под действием фермента.

Липман (Lipmann) Фриц Альберт (1899-1986), американский биолог немецкого происхождения, выделивший и частично объяснивший молекулярную структуру коэнзима А (1943 г.), производного от пантотеновой кислоты - витамина В. За эту и другие работы по вопросам метаболизма он в 1953 г. получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины вместе с Хансом Кребсом, открывшем цикл трикарбоновых кислот. В 1950 г. продемонстрировал получение лимонной кислоты из щавелевого ацетата и ацетата, и обнаружил, что для этого процесса необходим коэнзим А. Определил, каким образом клетка получает энергию и что ключевую роль в этом процессе играет АТФ.

Ленинджер Альберт Лестер – американский биохимик, член Национальной АН США (с 1956 г.). Родился в 17.02.1917 в Бриджпорте (штат Коннектикут). Окончил Уэслеянский университет в Мидлауне (1939). Преподавал в Висконсинском (1942-1945), в Чикагском университетах (1945-1952), с 1952 г. — профессор университета Дж. Хопкинса в Балтиморе. Основные научные работы посвящены изучению механизма биохимических процессов, происходящих в митохондриях. В 1949 г. показал, что митохондрии являются тем местом, где осуществляется окислительное фосфорилирование. Обнаружил, что процесс переноса электронов в митохондриях сопровождается их структурными изменениями и транспортом ионов. Автор книги "Биохимия" (1972). Президент Американского биохимического общества (1972-1973). Член Американской академии искусств и наук (с 1959 г.).

Джеймс Дью́и Уо́тсон (англ. James Dewey Watson, род. 6 апреля 1928, Чикаго, Иллинойс) — американский биолог. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года — совместно с Фрэнсисом Криком и Морисом Х. Ф. Уилкинсом за открытие структуры молекулы ДНК.
Фрэнсис Крик (англ. Francis Crick; 8 июня 1916, Нортгемптон, Англия — 28 июля 2004, Сан-Диего, Калифорния, США) — британский молекулярный биолог, врач и нейробиолог. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года — совместно с Джеймсом Д. Уотсоном и Морисом Х. Ф. Уилкинсом с формулировкой «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах».

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик доказали, что ДНК состоит из двух цепей.

К. Ниренберг расшифровал генетический код ДНК.
А. Спирин получил первое свидетельство существования некодирующих РНК (в 1957 году); совместно с А. Н. Белозерским обнаружил фракцию ДНК-подобной РНК (информационную, или матричную РНК) в 1958 году. Сформулировал основные принципы макромолекулярной структуры РНК (1959—1963). Открыл разворачивание рибосомных субъединиц и на этой основе сформулировал один из главных принципов строения рибосомы (1963—1966). Исследовал разборку и обратную самосборку рибосом (1963—1966). Открыл существование информосом и сформулировал теорию «маскированной» мРНК (1964—1969).

Методы исследования. В биохимии растений для изучения обменных процессов, протекающих в организме, широко используются методы: химические; физические; ферментативные методы; молекулярно-генетические:

1. 
   Методы препаративной химии и биохимии.
   
2. 
   Методы выделения органелл.
   
3. 
   Хроматография.
   
4. 
   Электрофорез.
   
5. 
   Спектральные методы.
   
6. 
   Методы меченых атомов.
   
7. 
   Генная инженерия.
   

Совершенствование методов выделения, очистки, фракционирования, анализа и изучение веществ живой природы на базе биохимии привело к возникновению новых направлений, таких как молекулярная биология, физическая биохимия, биоорганическая и бионеорганическая химия, химическая энзимология. Исследования в этих направлениях являются теоретической базой для прикладной биотехнологии.

Лекция 2

Метаболизм

План лекции
1.Метаболизм и его регуляция.

2. Типы метаболических путей.

3. Катаболические пути.

4. Анаболические пути.

5. Центральные пути обмена.

6. Соотношение катаболизма и анаболизма.

7. Анаплеротический путь.
Метаболизм и его регуляция. Сложной и ответственной задачей, стоящей перед биохимией растений, является изучение обмена веществ у растений и влияние на него факторов внешней среды. Обмен веществ в клетке или организме можно определить как совокупность всех химических процессов, которые могут в них протекать; то есть вся совокупность химических реакций в клетке называется метаболизмом. Метаболизм представляет собой высококоординированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием многих мультиферментных систем. Он выполняет четыре основные функции:

1. снабжение клетки химической энергией, которая добывается путем расщепления богатых энергией пищевых веществ, поступающих в организм из среды у гетеротрофных организмов, или путем преобразования улавливаемой энергии солнечного света у автотрофных организмов;

Автотроф (от греч. аутос – сам + греч. трофо – пища, питание) – организм, синтезирующий из неорганических соединений органическое вещество с использованием энергии солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях. Имеются организмы со смешанным питанием.
2. превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые затем используются клеткой для построения новых макромолекул;

3. сборка белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и прочих клеточных компонентов из этих блоков;

4. синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения каких-либо специфических функций данной клетки

Обмен веществ не представляет собой чего-то неизменного. В любой данный момент времени реализуются только одни какие-то его возможности, другие остаются невыраженными.

Процесс взаимодействия с внешней средой может происходить и у неорганических тел, однако химические реакции, лежащие в основе этого взаимодействия, приведут к разрушению данного тела. Естественно возникает вопрос о факторах, контролирующих их обмен веществ. Этим факторам в современной биологии уделяется большое внимание. Регуляция обмена веществ осуществляется с помощью взаимосвязанных механизмов, куда входят внутренние компоненты (наследственные, генетические). Совокупность признаков, свойственная данному виду или сорту растения, исторически сложилась под влиянием условий внешней среды и определяется специфическим обменном веществ. Следовательно, регуляция обмена осуществляется и с помощью внешних факторов.

Обмен веществ слагается из множества отдельных химических реакций, протекающих в организме. Все эти реакции теснейшим образом связаны друг с другом. Данные свидетельствуют о тесной взаимосвязи и неразрывности усвоения и поглощения питательных веществ. Обмен углеводов теснейшим образом связан с обменом белков, липидов, витаминов.

Существование организма невозможно без этого взаимодействия. Огромное количество биохимических реакций, совершающихся в организме во время ассимиляции и диссимиляции, теснейшим образом связаны друг с другом и направлены на самообновление и самосохранение организма в целом. Однако ведущая роль в обменных процессах принадлежит белкам, нуклеиновым кислотам. И это не случайно, так как белковые вещества не только являются компонентами протоплазменных структур в организме, но и являются составной частью ферментов. Считается, что обмен веществ и его регуляцию можно прямо или косвенно объяснить, исходя из ферментативного оснащения организма. Белки будут определять скорость и направленность метаболических реакций, а нуклеиновые кислоты играют огромную роль в наследственности, изменчивости, в синтезе белка, являются источником различных коферментов нуклеотидов. Поскольку все процессы обмена веществ взаимосвязаны во времени и пространстве, образуя единое целое, то любые воздействия затрагивают весь обмен в целом, хотя для удобства мы можем сосредоточить наше внимание на какой-то одной реакции и ее участниках.

Будем рассматривать метаболические пути, то есть цепи или последовательности катализируемых ферментами химических реакций, в результате которых осуществляются превращения определенных органических соединений жизненно важных для организма. Вовлекаемые в такие реакции соединения называются метаболитами. Сопряженность отдельных реакций проявляется не только в слаженности и строго определенной последовательности этих реакций, но также в сопряженности превращения энергии, происходящих в течение всей жизни организмов. Ассимиляция питательных веществ, их превращение требуют непрерывного притока энергии. Так ассимиляция углекислоты растением происходит в нем в процессе фотосинтеза за счет солнечной энергии. Взаимосвязь реакций обмена проявляется и во взаимодействии обмена веществ различных частей и органов растительного организма.

Типы метаболических путей. Метаболизм - это обмен веществ, химические превращения, протекающие от момента поступления питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду. К метаболизму относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ извлекается энергия. Иногда для удобства рассматривают по отдельности две стороны метаболизма – анаболизм и катаболизм, т.е. процессы созидания органических веществ и процессы их разрушения.



Рис. 2.1. Типы метаболических путей
Катаболические пути – это процессы деградации, в ходе которых крупные органические молекулы разрушаются (обычно в окислительных реакциях) до простых клеточных компонентов с одновременным выделением свободной химической энергией. Эта энергия используется затем организмом для поддержания жизнедеятельности, для роста и развития организмов, а также преобразуется в другие формы энергии – механическую, химическую, тепловую (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Катаболический цикл

В ходе катаболизма углеводов сложные сахара расщепляются до моносахаридов, которые усваиваются клетками. Попав внутрь, сахара (например, глюкоза и фруктоза) в процессе гликолиза превращаются в пируват, при этом вырабатывается некоторое количество АТР. Пировиноградная кислота (пируват) является промежуточным продуктом в нескольких метаболических путях. Основной путь метаболизма пирувата — превращение в ацетил-КоА и далее поступление в цикл трикарбоновых кислот. При этом в цикле Кребса в форме АТР запасается часть энергии, а также восстанавливаются молекулы NADH и FAD. В процессе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот образуется диоксид углерода, который является побочным продуктом жизнедеятельности. В анаэробных условиях в результате гликолиза из пирувата при участии фермента лактатдегидрогеназы образуется лактат, и происходит окисление NADH до NAD⁺, который повторно используется в реакциях гликолиза. Существует также альтернативный путь метаболизма моносахаридов — пентозофосфатный путь, в ходе реакций которого энергия запасается в форме восстановленного кофермента NADPH и образуются пентозы, например, рибоза, необходимая для синтеза нуклеиновых кислот. Жиры на первом этапе катаболизма гидролизуются в свободные жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты расщепляются в процессе окисления с образованием ацетил-КоА, который в свою очередь далее катаболизируется в цикле Кребса, либо идет на синтез новых жирных кислот. Жирные кислоты выделяют больше энергии, чем углеводы, так как жиры содержат удельно больше атомов водорода в своей структуре. Аминокислоты либо используются для синтеза белков и других биомолекул, до диоксида углерода и служат источником энергии. Окислительный путь катаболизма аминокислот начинается с удаления аминогруппы ферментами трансаминазами. Аминокислоты, лишённые аминогрупп называют кетокислотами. Некоторые кетокислоты — промежуточные продукты цикла Кребса. Например, при дезаминировании глутамата образуется альфа-кетоглутаровая кислота. Гликогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу в реакциях глюконеогенеза.

Анаболические пути – это процессы синтеза. В ходе этих процессов из относительно простых предшественников строятся сложные органические компоненты клетки. Синтез часто включает восстановительные этапы и сопровождается затратой свободной химической энергией (рис. 2.3.).



Рис. 2.3. Анаболический цикл

Изучение обмена веществ показало, что метаболические системы отличаются поразительной упорядоченностью и простотой, несмотря на широчайшее разнообразие метаболитов, как потребляемых, так и образующихся.

Особенно большое значение имеет открытие центральных путей обмена, которые примыкают и к катаболическим, и к анаболическим путям, то есть непосредственно связывают между собой те и другие пути.

На начальных стадиях катаболизма крупные молекулы, разрушаясь, образуют очень ограниченное число небольших органических молекул, не считая СО₂ и Н₂О. Этот процесс сопровождается освобождением примерно 1/3 всей доступной свободной энергии. При разрушении углеводов образуются триозофосфаты и (или) пируват. При разрушении липидов образуются ацетил КоА, пропионил КоА и глицерин. При разрушении белков образуются ацетил КоА, оксалоацетат, α-кетоглутарат, фумарат, сукцинат.

Одним из важных открытий обмена веществ было обнаружение того факта, что одни и те же реакции, которые можно объединить в одно понятие – центральные пути обмена, протекают на всех трех ключевых этапах метаболизма. Это следующие этапы:

1. 
   Взаимопревращение различных вышеупомянутых продуктов катаболизма.
   
2. 
   Полное окисление этих продуктов до СО₂ и Н₂О, что дает организму использовать 2/3 запаса энергии.
   
3. 
   Обеспечение анаболических процессов наиболее важными промежуточными продуктами.
   

Центральные пути обмена веществ включают относительно небольшое число превращений. Это следующие реакции:

триозофосфат ↔ пируват;

пируват ↔ ацетил КоА;

оксалоацетат ↔ аспартат;

α-кетоглутарат ↔ глутамат;

циклическая система реакций, в ходе которых ацетил КоА окисляется до СО₂ и Н₂О.

Соотношение катаболизма и анаболизма. О соотношении катаболических и анаболических путей обмена можно сказать следующее:

- В ходе катаболизма из источников углерода образуются взаимопревращаемые промежуточные продукты центральных путей обмена. При анаболизме из этих промежуточных продуктов образуются строительные блоки. Таким образом, если катаболические пути имеют совершенно определенные исходные вещества, но не имеют идентифицируемых конечных продуктов, то анаболические пути, начинаясь от неопределенных рубежей, ведут к определенным конечным продуктам.

- Катаболические и анаболические пути очень редко повторяют друг друга. Так при распаде ароматических аминокислот образуются ацетил Ко А и фумаровая или янтарная кислота; тогда как для синтеза тех же аминокислот исходными продуктами являются ФЭП и ДОАФ.

Однако между катаболизмом и анаболизмом существует связь, которая проявляется на трех уровнях:

- На уровне источников углерода. Продукты катаболизма через посредство центральных путей обмена становятся субстратами анаболических реакций.

- На уровне снабжения энергией. В процессе катаболизма образуется АТФ или соединения легко превращающиеся в АТФ, анаболические пути нуждаются в энергии и потребляют АТФ.

- На уровне восстановительной способности. Процессы катаболизма являются в основном окислительными, они нуждаются в окислительной способности и служат источником восстановительной. Обратное справедливо для анаболизма.

Анаплеротический путь. Корнберг показал существование четвертого типа метаболических путей – анаплеротический путь. Известно, что конечные стадии катаболизма приводят обычно к полному удалению с общих метаболических путей большинства метаболитов в виде СО₂ и Н₂О, NH₄⁺ и т.д., при анаболизме также происходит постоянная утечка запасов промежуточных продуктов и удаление их с общих путей. Следовательно, необходим механизм, который обеспечивал бы пополнение этих запасов.

Вспомогательные последовательности реакций, осуществляющие эту функцию, называются анаплеротическими.

Таким образом, обмен веществ представляет собой совокупность химических реакций; поток веществ, идущий по различным путям обмена, не носит случайного характера, он очень точно «настроен» и приспособлен к потребностям организма. Эта поразительная слаженность и сопряженность отдельных биохимических реакций можно объяснить тем, что состав окружающей среды влияет на скорость и интенсивность синтеза различных ферментов, обмен веществ регулируется за счет ферментативных реакций.

В центральных метаболических путях исходные вещества могут быть активаторами ключевых ферментов метаболического пути. Как правило, при этом аллостерической активации подвергаются ферменты, катализирующие ключевые реакции заключительных этапов метаболического пути. В качестве примера можно рассмотреть принципы регуляции гликолиза - специфического (начального) пути распада глюкозы (рис. 2.3). Один из конечных продуктов распада глюкозы - молекула АТФ. При избытке в клетке АТФ происходит ингибирование аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы. При образовании большого количества фруктозо-1,6-бисфосфата наблюдают аллостерическую активацию фермента пируваткиназы. Благодаря такой регуляции осуществляется слаженность протекания метаболического пути распада глюкозы.

Рис. 2.3. Схема положительной и отрицательной регуляции катаболизма глюкозы.

Метаболические пути необратимы. Распад никогда не идет по пути, который являлся бы простым обращением реакций синтеза. В нем участвуют другие ферменты и другие промежуточные продукты.
Молекула АТФ участвует в ретроингибировании аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Фруктозе-1,6-бисфосфат - активатор метаболического пути распада глюкозы. Плюсами отмечена активация, минусами - ингибирование ферментов.
Нередко противоположно направленные процессы протекают в разных отсеках клетки. Так, жирные кислоты синтезируются в цитоплазме при участии одного набора ферментов, а окисляются в митохондриях при участии совсем другого набора. В биосинтетических процессах участвует сравнительно небольшое число строительных блоков, каждый из которых используется для синтеза многих соединений. В живом организме анаболизм и катаболизм долж­ны быть уравновешены. Если один процесс существенно преоб­ладает над другим, то обмен веществ и энергии нарушается и, следовательно, нарушается жизнедеятельность клетки, а затем и всего организма.

Раздел 2

Углеводы
Лекция 3

Взаимопревращения углеводов

План лекции
1. Киназные реакции.

2. Мутазные реакции.

3. Изомеразные реакции.

4. Эпимеразные реакции.

5. Альдолазные реакции.

6. Транскетолазные реакции.

7. Декарбоксилирование.

8. Нуклеотидные производные сахаров.
При рассмотрении химических процессов, происходящих при фотосинтезе, первичным улавливаемым продуктом фотосинтеза является фосфоглицериновая кислота (ФГК). Подвергаясь дальнейшим превращениям, она дает различные моносахариды. Встречающиеся в природе моносахариды являются производными распространенных гексоз – фруктозы и глюкозы. Рассмотрим реакции, осуществляющие взаимопревращение наиболее важных полисахаридов.

Киназные реакции. Обмен сахаров происходит в основном путем образования их фосфорилированных производных. Поэтому растения, так же как и другие организмы, обладают ферментами, которые катализируютперенос фосфорильной группы от АТФ к тому или иному сахару. К этим ферментам относится гексокиназа, катализирующая образование глюкозо-6-фосфата из глюкозы:

глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат



Равновесие этой реакции в значительной степени сдвинуто в сторону образования глюкозо-6-фосфата, однако, применяя субстраты, меченные радиоактивными изотопами, удалось показать обратимость этой реакции.

Гексокиназа способна катализировать не только фосфорилирование глюкозы, но также фосфорилирование фруктозы, маннозы, глюкозамина:

фруктоза + АТФ → фруктозо-6-фосфат



манноза + АТФ → манн озо-6-фосфат

.

Гексокиназа специфична по отношению к АТФ. Гексокиназа из растений проявляет активность с глюкозой, фруктозой, маннозой, глюкозамином.

Для действия гексокиназы необходимы ионы магния. Данный фермент расщепляет связь Р – О, а не С - О.

В фосфорилировании других сахаров участвуют другие киназы.

Фосфофруктокиназа катализирует превращение фруктозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-дифосфат:

фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1,6-дифосфат.

Данный фермент весьма специфичен, требует присутствия ионов магния, и его действие необратимо.

Д-галактокиназа катализирует превращение Д-галактозы в Д-галактозо-6-фосфат:

Д-галактоза + АТФ → Д-галактозо-6-фосфат

Гекcозофосфорные эфиры найдены у растений.

Мутазные реакции. Превращение глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат катализируется фосфоглюкомутазой. В этой реакции в качестве промежуточного продукта образуется глюкозо-1,6-дифосфат:

- глюкозо-6-фосфат + фосфо-фермент ↔ глюкозо-1,6-дифосфат

- глюкозо-1,6-дифосфат + фермент ↔ глюкозо-1-фосфат + фосфо-фермент

Фермент, содержащий связанную фосфорильную группу, отдает ее молекуле глюкозо-6-фосфат, так что образуется глюкозо-1,6-дифосфат. Последний реагирует с дефосфорилированным ферментом, и регенерация фосфорилированного фермента сопровождается образованием глюкозо-1-фосфат. Этот фермент получен в кристаллическом виде из картофеля. Глюкозо-1,6-дифосфат является коферментом. Для действия фермента необходимы ионы магния. Мутазные реакции, подобные приведенной выше, обнаружены для обратимых превращений:

галактозо-6-фосфат → галактозо-1-фосфат,

маннозо-1-фосфат → маннозо-6-фосфат,

рибозо-1-фосфат → рибозо-6-фосфат.

Во всех этих случаях в качестве промежуточного продукта является соответствующий дифосфат сахара.

Изомеразные реакции. Взаимопревращение фосфокетоз и фосфоальдоз катализируются изомеразами, типичным представителем которых является фосфоглюкоизомераза:

глюкозо-6-фосфат ↔ фруктозо-6-фосфат

К числу широко распространенных ферментов группы изомераз относятся фосфорибозоизомеразы и триозофосфатизомеразы:

рибозо-5-фосфат ↔ рибулозо-5-фосфат



3-фосфоглицериновый альдегид ↔ диоксиацетонфосфат



Эпимеразные реакции. Эпимеразы катализируют инверсию гидроксильной группы относительно определенного углеродного атома специфического фосфорилированного сахара:

ксилулозо-5-фосфат ↔ рибулозо-5-фосфат

Сахара, различающиеся только конфигурацией по месту одного углеродного атома, называются «эпимерами», а ферменты, катализирующие их взаимное превращение, - эпимерами.

Альдолазные реакции. Альдолазы осуществляют реакции альдольной конденсации между кетопроизводными и енеольными производными сахаров или фосфорилированными сахарами. Классическим примером подобных реакций служит обратимая реакция расщепления фруктозо-1,6-дифосфата на два триозофосфата:

фруктозо-1,6-дифосфат ↔ диоксиацетонфосфат + 3-фосфоглицериновый альдегид

Однако альдолаза обладает более широкой специфичностью. Так диоксиацетонфосфат и эритрозо-4-фосфат могут конденсироваться с образованием седогептулозо-1,7-дифосфат:

диоксиацетонфосфат + эритрозо-4-фосфат ↔ седогептулозо-1,7-дифосфат

.

В свою очередь седогептулозо-1,7-дифосфат может расщепляться на диоксиацетонфосфат и эритрозо-4-фосфат.

Трансальдолазы обладают широкой специфичностью по отношению к донорам и акцепторам и не требуют кофакторов. Субстратом трансальдолазы служат монофосфаты сахаров.

Альдолаза чрезвычайно широко распространена в растительном мире. В наибольшем количестве альдолаза содержится в активно растущих частях растений. Альдолаза играет важнейшую роль в процессах превращения сахаров в растениях.

В результате действия альдолазы могут образовываться пентозы, при взаимодействии диоксиацетонфосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида происходит образование фруктозо-1,6-дифосфат. Под действием альдолазы диоксиацетонфосфат может обратимо конденсироваться не только с 3-фосфоглицериновым альдегидом, но также с целым рядом других альдегидов, найденных в растениях:

Диоксиацетонфосфат + уксусный альдегид ↔ фосфорнокислый эфир 5-дезоксикетопентоза

.

При аналогичной реакции с гликолевым альдегидом образуется фосфорилированная кетопентоза.

Таким образом, в результате альдолазных реакций образуются как гексозы, так и триозы, тетрозы, пентозы и гептозы.

Транскетолазные реакции. Этот фермент осуществляет перенос двууглеродного фрагмента от одной фосфорилированной альдолазы на другую. Продуктом переноса является кетоза:

фруктозо-6-фосфат + 3-фосфоглицериновый альдегид → ксилулозо-5-фосфат + эритрозо-4-фосфат.



Транскетолаза переносит первый и второй углеродные атомы фруктозы-6-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием ксилулозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата или же на рибозо-5-фосфат с образованием седогептулозо-7-фосфат:

фруктозо-6-фосфат + рибозо-5-фосфат → седогептулозо-7-фосфат.