Энергетические затраты при САМ метаболизме. Эдварс Дж. и Уокер Д. полагают, что энергетические затраты, приходящиеся на фиксацию СО₂ у САМ-растений, рассматривают как затраты на:

- темновое закисление (рис. 7.4),

- декарбоксилирование С₄-кислот,

- восстановительный пентозофосфатный цикл,

- превращения С₃- продукта карбоксилирования в крахмал.

Рис. 7.4. Темновое закисление

Метаболизм кислот по типу толстянковых представлен на рис. 7.5.

САМ-растения хорошо приспособлены к полузасушливым условиям окружающей среды. Днем в жару они запасают ту СО₂, которая высвобождается в процессе дыхания, а ночью, когда потери воды сведены к минимуму, они ассимилируют СО₂ из воздуха. Некоторые суккулентные растения могут даже переходить к С₃-фотосинтезу и использовать этот процесс как дополнительное средство для роста в условиях водного изобилия.

Рис.7.5. Метаболизм кислот по типу толстянковых

САМ-растения приспособлены не только к сбережению воды, они также запасают углерод и у них сведены к минимуму потери той СО₂, которая высвобождается в процессе дыхания.

Особенности САМ-растений. Для растений, осуществляющих метаболизм органических кислот по типу толстянковых, характерны следующие особенности:

1. 
   Их устьица обычно открыты ночью и закрыты в течение дня. Эти движения устьиц противоположны тем, что наблюдается у остальных растений.
   
2. 
   Фиксация СО₂ происходит в темное время суток в содержащих хлоропласты клетках фотосинтезирующей ткани листа или стебля, причем синтезируется значительные количества свободной яблочной кислоты.
   
3. 
   Эта яблочная кислота запасается в больших вакуолях, которые характерны для клеток САМ-растений.
   
4. 
   В светлое время суток яблочная кислота декарбоксилируется, высвобождающаяся СО₂ превращается в сахарозу и крахмал в световых реакциях фотосинтеза С₃-типа.
   
5. 
   В последующий темновой период часть запасного глюкана распадается с образованием молекул – акцепторов для темновой реакции фиксации СО₂.
   
6. 
   В тканях САМ-растений существует суточный цикл: ночью содержание запасного глюкана падает, содержание яблочной кислоты повышается, днем происходят противоположные изменения.
   

Лекция 8

Окислительный пентозофосфатный путь
План.

1. 
   Из истории открытия цикла.
   
2. 
   Две фазы пентозофосфатного пути окисления глюкозы.
   
3. 
   Фаза 1 - первый окислительный этап пентозофосфатного пути.
   
4. 
   Фаза 2 - неокислительный этап.
   
5. 
   Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления глюкозы.
   
6. 
   Функции окислительного пентозофосфатного пути.
   

Из истории открытия цикла. Первые работы по изучению химизма окислительного пентозофосфатного пути – это работы О. Варбурга, Ф. Диккенса, Б.Л. Хореккера (1935 -1938 гг.). Поэтому этот цикл иногда называют путем Варбурга – Диккенса - Хореккера. Особенно много работ в этом направлении появилось к концу 1940 и началу 1950 годов. К середине 1950 года был полностью изучен данный путь. Стало ясно, что любая живая клетка способна к этому циклу. Все реакции этого пути протекают в растворимой части цитоплазмы клетки, а также в пропластидах и хлоропластах (рис. 8.1).


Рис. 8.1. Пентозофосфатный путь окисления глюкозы.
Окислительный пентозофосфатный путь особенно активен в клетках, в которых идет интенсивный синтез липидов, нуклеиновых кислот, элементов клеточной стенки, фенольных соединений.

Две фазы пентозофосфатного пути окисления глюкозы. Окислительный пентозофосфатный путь можно разделить на две различные фазы:

Фаза 1 – от глюкозо-6-фосфата до рибулезо-5-фосфата. Необратима в физиологических условиях.

Фаза 2 – от рибулезо-5-фосфата до фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида. Обратима.

Фаза 1 - первый окислительный этап пентозофосфатного пути. Фаза 1(первый окислительный этап пентозофосфатного пути) начинается с окисления глюкозо-6-фосфата до D-глюконо-δ-лактон-6-фосфата. Реакция катализируется НАДФ-зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой. Эта реакция сильно экзэргоническая и практически необратима.

Глюконо-δ-лактон-6-фосфат – соединение нестабильное и быстро превращается либо спонтанно, либо с помощью 6-глюконолактонгидратазы в

6-фосфоглюконовую кислоту, которая подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием D-рибулозо-5-фосфата. Реакция катализируется НАДФ-зависимой 6-фосфоглюконат-дегидрогеназой. Эта реакция идет с выделением СО₂ и образованием НАДФН.

Этот процесс можно описать следующим образом:

6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + 2 Н₂О → 6 рибулозо-5-фосфат + 12 НАДФН + 6 СО₂ (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Две окислительные реакции пентозофосфатного пути

В фазе 1 на одну молекулу глюкозо-6-фосфата образуются две молекулы НАДФН.

Фаза 2 - неокислительный этап. В ходе неокислительного этапа происходит регенерация фруктозо-6-фосфата из пентоз. В фазе 2 рибулозо-5-фосфат изомеризуется в D-рибозо-5-фосфат и D-ксилулозо-5-фосфат. Реакции катализируют рибозофосфат-изомеразы и рибозофосфат-эпимеразы, соответственно.

Рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат взаимодействуют друг с другом с образованием 3-фосфоглицеринового альдегида (ФГА) и D-седогептулозо-7-фосфата. Реакция катализируется транскетолазой. Транскетоллаза расщепляет связь С – С между кетогруппой и соседним атомом углерода в молекуле ксилулозо-5-фосфата, в результате чего образуется 3-ФГА и двухуглеродный фрагмент, который переносится на альдегидную группу рибозо-5-фосфата с образованием седогептулозо-7-фосфата:

Рибулозо-5-фосфат + ксилулозо-5-фосфат → 3-ФГА + седогептулозо-7-фосфат.

3-ФГА и D-седогептулозо-7-фосфат взаимодействуют друг с другом, образуются фруктозо-6-фосфат и D-эритрозо-4-фосфат при участии фермента трансальдолазы. Трансальдолаза переносит трехуглеродный фрагмент от седогептулозо-7-фосфата на 3-ФГА, образуя фруктозо-6-фосфат и эритрозо-4-фосфат (рис. 8.3):

3-ФГА + седогептулозо-7-фосфат → фруктозо-6-фосфат + эритрозо-4-фосфат.

Рис. 8.3. Перенос C₃-фрагмента с кетона на альдегид

Из эритрозо-4-фосфат и ксилулозо-5-фосфата под действием транскетолазы образуются ФГА и фруктозо-6-фосфат. В данной реакции, катализируемой транскетолазой, происходит перенос двууглеродного фрагмента от ксилулозо-5-фосфата на эритрозо-4-фосфат, продукт реакции - фруктозо-6-фосфат и 3-ФГА.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления глюкозы. В результате превращения трех пентоз образуются две гексозы (фруктозо-6-фосфат) и одна триоза (3-ФГА):

3 фосфопентозы ↔ 2 фосфогексозы + ФГА.

Эта цепь реакций обратима, что позволяет клетке производить рибозо-5-фосфат для биосинтеза нуклеотидов даже тогда, когда нет потребности НАДФН.

Если в цикл вступают еще три пентозы, то образуется еще два фруктозо-6-фосфата и один 3-ФГА. 3-ФГА может изомеризоваться в диоксиацетонфосфат (ДОАФ). В результате альдольной конденсации ФГА и ДОАФ образуется пятая молекула фруктозо-6-фосфата.

Таким образом, на первом окислительном этапе из шести молекул глюкозо-6-фосфата образуется шесть молекул рибулозо-5-фосфата и шесть молекул СО₂. Затем из шести молекул рибулозо-5-фосфата регенерируют пять молекул глюкозо-6-фосфата. Все шесть молекул СО₂ образуются из первого углеродного атома каждой из шести молекул глюкозо-6-фосфата.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления глюкозы:

6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + 7 Н₂О → 5 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФН + 6 СО₂.

Следовательно, для того чтобы цикл был замкнут, необходимо участие шести молекул глюкозо-6-фосфата и образование, соответственно, шесть молекул рибулозо-5-фосфата. Перегруппировка молекул сопровождается превращением шести молекул пятиуглеродных сахаров в пять молекул шестиуглеродных сахаров. Скорость пентозофосфатного пути окисления глюкозы регулируется в первую очередь концентрацией НАДФ.

У растений ферменты окислительного пентозофосфатного цикла обнаружены как в цитозоле, так и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами. В гетеротрофных тканях корня окислительный пентозофосфатный цикл в пластидах протекает достаточно активно. На свету в хлоропластах действует цикл Кальвина, многие его ферменты – фосфатазы, транскетолазы, альдолаза, триозофосфатизомераза – являются также ферментами окислительного пентозофосфатного цикла. Полагают, что в хлоропластах окислительный пентозофосфатный цикл действует только в темноте. «Выключение» цикла на свету связано с механизмом регуляции пластидной изоформы глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.

Функции окислительного пентозофосфатного пути. В процессе полного окисления глюкозы образуется 12 молекул НАДФН, которые при окислении в электрон-транспортной цепи могут дать 36 молекул АТФ. Однако основная роль этого цикла не связана с синтезом АТФ, его роль заключается в поддержании пластического обмена.

Функции окислительного пентозофосфатного пути:

1. 
   Генерация НАДФН, который используется как восстановитель во многих биосинтезах, а также для синтеза углеводов с разным числом углеродных атомов и для восстановления NO₃⁻ и SO₄^2-.
   
2. 
   Образующиеся пяти- и четыреуглеводы активно уходят из цикла, так как необходимы для синтеза нуклеотидов, ароматических соединений, витаминов, флавоноидов, полисахаридов клеточной стенки и так далее.
   
3. 
   Три- и шестисахара могут покидать цикл и включаться в процесс гликолиза, который протекает в тех же компартментах (рис. 8.4).
   

Рис. 8.4. Окислительный пентозофосфатный путь и его связь с другими путями метаболизма

4. 
   Пентозофосфатный путь окисления глюкозы представляет собой обращенный цикл Кальвина, поэтому и его компоненты могут участвовать и в фиксации СО₂.
   
5. 
   Нередко окисление глюкозы по пентозофосфатному пути может на одном из этапов переходить на гликолитический путь. Образующиеся при этом в хлоропластах триозофосфаты, поступая в гликолиз и цикл Кребса, могут использоваться на синтез АТФ.
   

Аннотация. Данный конспект лекций, включая мультимедийную презентацию, содержит 2 раздела, 8 лекций. Первый раздел включает две лекции, в которых говорится об истории становления биохимиикак науки, методах, используемых в данной науке. Во втором разделе (8 лекций) рассматривается обмен углеводов. Главная цель – познакомить студента с с обменом углеводов, особенностями, функциями. Конспект лекций предназначен для студентов, аспирантов и преподавателей направление «Биология».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основная

1. 
   Льюин, Б. Гены // ред. Д. В. Ребриков. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 896 с.
   
2. 
   Клетки / / ред. Б. Льюин, Л. Кассимерис, В.П. Лингаппа, Д. Плоппер. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 951 с.
   
3. 
   Хелдт Г.-В. Биохимия растений // под ред. А.М. Носова, В.В. Чуба. - М.: Бином. Лаборатория знаний. 2011.- 472 с.
   
4. 
   Щербаков В.Г., Лобанов В.Г., Прудникова Т.Н., Минакова А.Д. Биохимия. Санкт-Петербург: ГИОРГ, 2005.
   
5. 
   Plant Metabolomics Edited by K. Saito, R.A. Dixon, and L.Willmitzer Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.
   
6. 
   George Kvesitadze, Gia Khatisashvili, Tinatin Sadunishvili, Jeremy J. Ramsden. Biochemical Mechanisms of Detoxification in Higher Plants. Basis of Phytoremediation. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.
   
7. 
   Wilfred Vermerris, Ralph Nicholson. Phenolic compound Biochemistry. Springer Science + Business Media B.V. 2009
   

Дополнительная

1. 
   Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология. Изд-во: Книжный дом, 2004.
   
2. 
   Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. Под ред. Северина Е.С., Николаева А.Я. ГЗОТАР – МЕД. 2001.
   
3. 
   Гамбург К.З. Биохимия ауксина и его действие на клетки растений. Новосибирск: Изд-во «Наука», 1976.
   
4. 
   Гудвин Т., Мерсер А. Введение в биохимию растений. М.: Мир. Т. 1,2, 1986.
   
5. 
   Дерфлинг К. Гормоны растений. Системный подход. М.: Мир, 1985.
   
6. 
   Евстигнеева Р.П., Звонкова Е.Н., Серебренникова Г.А., Швец. В.И. Химия липидов. М.: Химия, 1983.
   
7. 
   Ершов Ю.А., Попков В.А. Общая химия. М.: Высшая школа, 2003.
   
8. 
   Запрометов М.И. Основы биохимии фенольных соединений. М.: Высшая школа, 1974.
   
9. 
   Землянухин А. А., Землянухин Л.А., Епринцев А.Т., Игамбердиев А.У. Глиоксилатный цикл растений. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1986.
   
10. 
    Клейтон Р. Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели. М.: Мир, 1984.
    
11. 
    Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2004.
    
12. 
    Красильников Л.А., Авксентьева О.А., Жмурко В.В., Садовниченко Ю.А. Биохимия растений. Ростов: Тормсинг Феникс, 2004.
    
13. 
    Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир. Т. 1-3, 1985.
    
14. 
    Лобанов В.Г., Прудникова Т.Н., Щербаков В.Г. Биохимия: Учебник для ВУЗов. Под ред. Щербакова В.Г. Изд-во: ГИОРД, 2003.
    
15. 
    Ловкова М.Я. Биосинтез и метаболизм алкалоидов в растениях. М.: Наука, 1981.
    
16. 
    Мецлер Д. Биохимия. М.: Мир, 1980.
    
17. 
    Осипов В.И. Гидроароматические кислоты в жизнедеятельности хвойных. Новосибирск: Изд-во «Наука», 1979.
    
18. 
    Полевой В.В. Фитогормоны. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1982.
    
19. 
    Страер Р. Биохимия. М.: Мир. Т. 1-3, 1985.
    
20. 
    Уоринг Ф., Филлипс И. Рост растений и дифференцировка. М.: Мир, 1984.
    
21. 
    Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. Под ред. Третьякова Н.Н. Москва: Колос, 2000.
    
22. 
    Филипцова Г.Г., Смолич И.И. Основы биохимии растений. БГУ, 2004.
    
23. 
    Фотосинтез: В 2 т. /Под ред. Говинджи. – М.: Мир, 1987.
    
24. 
    Эдвардс С., Уокер Д. Фотосинтез С₃ и С₄ растений: механизмы и регуляция. М.: Мир, 1986. 590 с.
    
25. 
    СТО 4.2-07-2008. Система менеджмента качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной и научной деятельности [текст]/ разраб. Т.В. Сильченко, Л.В. Белошапко и др. – Введ. Впервые 09.12.2008. – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. – 47 с.