Документ 2092303

ВВЩЕНИЕ
В БИОХИМИЮ
тсгЕ н и й
Introduction
to Plant
Biochemistry
by
T. W. GOODWIN
Johnston Professor of Biochemistry,
University of Liverpool
and
E. I. MERCER
Senior Lecturer in The Department
of Biochemistry and Agricultural
Biochemistry, University College of Wales,
Aberystwyth
Second Edition
P E R G A M O N PRESS
Oxford • New York • Toronto
Sydney • Paris • Frankfurt
1983
г. i?;i!chh
Э. МЕРСЕР
ВВЩЕНИЕ
В БИОХИМИЮ
РАСТЕНИЙ
В двух томах
Т. 2
Перевод с английского
канд. физ.-мат. наук А. О. ГАНАГО,
д-ра биол. наук В. И. ИЕФЕЛИ,
канд. биол. наук В.А. ПАСЕШНИЧЕНКО,
канд. биол. наук Ж. В. УСПЕНСКОЙ и
канд. биол. наук В. Р. ШАТИЛОВА
под редакцией
чл.*корр. АН С С С Р В. Л. КРЕТОВИЧА
МОСКВА
«МИР»
1986
ББК%28.57 _
T IL
УДК 577.1
Гудвин Т., Мерсер Э.
Г93
Введение в биохимию растений: В 2-х т. Т. 2. Пер. с англ-М.:
Мир, 1986.-3/2 с., ил.
Книга двух английских авторов, один из которых-Т. Гудвин-уже знаком советско­
му читателю по книге «Сравнительная биохимия каротиноидов» (М.: ИЛ, 1954). Настоящая
монография охватывает практически все аспекты биохимии растений. Во втором томе рас­
сматривается биохимия нуклеиновых кислот, терпенов, терпеноидов, хлорофилла, алкалои­
дов, фенолов и фитогормонов, а также роль этих соединений в жизнедеятельности
растений.
Предназначена для студентов и аспирантов биологических факультетов и сельско­
хозяйственных институтов, агрономов и научных работников.
^ 2004000000-353
,
Г
138-85, ч. 1
041 (01)-86
ББК 28.57
Редакция литературы по биологии
Учебное издание
Тревор Гудвин, Эриж Мерсер
ВВЕДЕНИЕ В БИОХИМИЮ РАСТЕНИЙ
В двух томах
Т. 2
Ст. научн. редактор Л. Г. Тер-Саркисян. Мл. редактор Н. Ю. Плавинская.
Художник А. В. Шипов. Художественный редактор А. Я. Мусин.
Технический редактор 3. И. Резник. Корректор Т. П. Пашковская.
ИБ № 5089
Сдано в набор 17.06.85. Подписано к печати 26.05.86. Формат 70 х 100/16. Бумага офсетная № 1.
Печать офсетная. Гарнитура тайме. Объем 9,75 бум. л. Уел. печ. л. 25,35. Уел. кр.-отт. 50,70.
Уч.-изд. л. 35,26. Изд. № 4/3401 Тираж 5300 экз. Зак. 499. Цена 4 р. 40 к.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» 129820, ГСП, Москва, И-110, 1-й Рижский пер., 2
Можайский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли. 143200, г. Можайск, ул. Мира, 93.
ш vA
■'
' 1' -£>ос
ме/ллекетп<кч
L
умпверстеттщ © 1983 Pergamon Press Ltd.
гьм*_*м* м '<‘1Х&нгсу © перевод на русский язык, «Мир», 1986
л Ом6лИО~в»',’»
n « A o - :>CKoro гс— лри /
e ra*
ИЮ ГО
им. С.
) г ч г ; с
Г
i
!
ГЛАВА 10
Пуриновые и пиримидиновые основания,
нуклеиновые кислоты, синтез белка
А. ВВЕДЕНИЕ
Пуриновые и пиримидиновые основания
находятся в растениях не только в виде
свободных оснований, но также в виде нуклеозидов (N-гликозидов и иногда С-гликозидов азотистых оснований) и нуклеоти­
дов (фосфатных эфиров нуклеозидов). Та
исключительно важная роль, которую
играют полинуклеотиды ДНК и РНК, повидимому, привела к недооценке биологи­
ческого значения простых нуклеотидов,
иных, чем АТР. Между тем они играют
важную роль в обмене веществ, поскольку
входят в состав многих «активированных»
молекул, таких, например, как «активная
сера» (8.35) и кофермент А (8.14). Данная
глава подразделена на три главные части:
первая часть посвящена основаниям, их нуклеозидам и нуклеотидам, вторая-полину­
клеотидам (ДНК и РНК) и третья-синтезу
белка.
Б. ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ
I. Природа и распространение
1. Основания
ческими свойствами. В качестве примера
таких соединений можно назвать теобро­
мин (10.3), составляющий около 3% от
массы сухого вещества бобов какао
(‘Theobroma cacao), и кофеин (10.4), соста­
вляющий около 1,5% от массы кофейных
зерен. Все эти соединения являются про­
изводными ксантина (10.5), который также
содержится в зернах кофе. По-видимому,
наибольший интерес из свободных пури­
нов представляют изопентильные про­
изводные аденина; некоторые из них вхо­
дят в состав тРНК (разд. Г.VIII). Два
типичных примера таких соединений - зеатин (10.6) и N6 (транс-4-гидрокси-3-метилбут-2-енил)-2-металтиоаденин (10.7), содер­
жащий сульфгидрильный остаток. Эти
и родственные им соединения стимули­
руют деление клеток; кроме того, они вы­
полняют и другие физиологические функ­
ции (гл. 15, разд. Г)Мочевая кислота (10.8), аллантоин (9.1)
и аллантоиновая кислота (9.2), которые
долгое время считались конечными про­
дуктами обмена нуклеиновых кислот
у млекопитающих, широко распростра­
нены у высших растений. Однако, как
указывалось в предыдущей главе, аллан-
Из пуриновых оснований, называемых
для краткости просто пуринами, в состав
нуклеиновых кислот входят аденин (10.1)
и гуанин (10.2)*. Однако в растениях мож­
но обнаружить в значительных количе­
ствах и другие пурины. К ним относятся
N-метилированные основания, обладаю­
щие важными для человека фармакологи­
*
Содержащие кислород пуриновые (напри­
мер, гуанин) и пиримидиновые основания суще­
ствуют в водной среде в виде равновесной сме­
си оксо (лак та мной) и енольной (лактимной)
( Оксоформ. Положение равновесия зависит от pH;
лактамная форма преобладает при нейтральных
и слабокислотных значениях pH растительных
тканей.
( 10 . 1)
и ли лактамная
форма)
(ЕмОЛьная или л а кт о н ­
на9 форма )
(10.4)
(10.3)
(10.5)
H
Н
I
I
.C \
JCij. /C H jO H
HjC^ 4 : ^
H,C^
XH3
CH,OH
н,с—s
( 10.6 )
(10.7)
тонн и аллантоиновая кислота считаются
важными запасными формами азота
у многих видов растений, например у кле­
на.
(10.8)
тибиотики, образуемые грибами. Одним из
таких антибиотиков, имеющим важное
значение, является пуромицин (10.10).
3. Нуклеотиды
2. Нуклеозиды
Типичным пуриновым нуклеозидом,
встречающимся
у
высших
растений,
является кротонозид (Ы9-рибозид изогуа­
нина) (10.9). Функция таких соединений не­
известна, но следует отметить, что к нуклеозидам относятся также некоторые ан-
Многие пуриновые нуклеотиды играют
ключевую роль в метаболической активно­
сти высших растений. К таким соедине­
ниям, уже обсуждавшимся в предыдущих
главах, относятся ATP, NAD, FAD, GTP
и нуклеотиды сахаров, например ADPглюкоза. Важным регуляторным нуклеоти-
ОН
дом является циклический А М Р (10.11)
(аденозии-3',5'-циклический фосфат), однако
данные о его присутствии у высших расте­
ний противоречивы. П равда, в настоящее
время кажется очевидным, что цикличе­
ский АМ Р содержится у растений, но его
роль в обмене веществ пока неизвестна.
II. Биосинтез
1. Рибозидмонофосфаты*
Пурины синтезируются de novo в виде
нуклеозидмонофосфатов; первым образую­
щимся соединением с пуриновым кольцом
является
инозин-5'-монофосфат
(IMP).
Путь, ведущий к образованию IM P, пока­
зан на рис. 10.1. После превращения рибозо-5-фосфата в фосфорибозилпирофосфат
(ФРПФ) (а) первым решающим этапом
является глутаминзависимый этап, в кото­
ром пирофосфат заменяется амидной
N H 2-rpyimofl глутамина (б). В ходе этой
реакции С-1 ФРПФ претерпевает инверсию
с a -конфигурации на ^-конфигурацию, при­
чем эта последняя конфигурация сохра­
няется далее в процессе всего биосинтети­
ческого пути. Реакция, подобная реакции б,
участвует также в реакции д при образова­
нии a-N -формилглицинамидинрибонуклеотида. В реакции в происходит АТР-зависимое присоединение глицина к 5-фосфорибозиламину с образованием глицинамидрибонуклеотида. Перенос С,-фрагмента
от 5 , 10 -метенилтетрагидрофолиевой кис­
лоты приводит затем к образованию a-N формилглицинамидрибонуклеотида (г); по­
сле присоединения N H 2-rpynm>i в уже
упоминавшейся реакции д АТР-зависимая
реакция е приводит к закрытию кольца
с образованием 5-аминоимидазолрибонуклеотида. Затем происходит фиксация С О г
с образованием 4-карбокси-5-аминоимидазолрнбонуклеотида (ж ). На следующем
этапе вновь введенная карбоксильная груп­
па аминируется с образованием 4-карбоса м и д - 5 -а м и н о и м и д а зо л р и б о н у к л е о т и д а
в ходе двухступенчатого процесса (з и и);
при этом L-аспарагиновая кислота поста­
вляет аминогруппу (?) и превращается
в фумаровую кислоту (и). Э то аминирова-
ние по своему механизму напоминает пре­
вращение L-цитруллина
в
L-аргинин
(рис. 9.12, реакции и и к) в видоизмененном
цикле мочевины, описанном в гл. 9. После
этого происходит присоединение еще одно­
го Сц -остатка, на этот раз от Ы 10-формилтетрагидрофолевой
кислоты,
с
образованием 4-карбоксамид-5-формамидоимидазолрибонуклеотида (к). У послед­
него соединения в ходе спонтанной реак­
ции л закрывается кольцо, при этом удаля­
ется молекула воды и образуется инозин5'-монофосфат (IMP, инозиновая кислота);
эта реакция ускоряется ферментом IM Pциклогидролазой1.
Описанный путь полностью объясняет
распределение метки в пуринах, устано­
вленное в классических опытах, в которых
изучалось включение в пурины различных
меченных изотопом соединений (рис. 10 .2 ).
Регуляция этого биосинтетического пути
осуществляется двояким образом: фер­
мент, катализирующий реакцию а аллостерически ингибируется ADP и G D P, тогда
как фермент, катализирующий реакцию
б (первый решающий этап биосинтеза), аллостерически ингибируется пуриновыми
нуклеотидами, как этого и можно было
ожидать.
Пуриновые основания аденин и гуанин
образуются (на уровне рибонуклеотидов)
из IM P (рис. 10.3). Аденозин-5'-монофосфат
(АМР) возникает в результате аминирования атома С -6 IM P в ходе двухступенчато­
го процесса за счет L-аспарагиновой кис­
лоты. Э тот процесс аналогичен реакциям
з и к, изображенным на рис. 10 . 1 ; однако
в этом случае в качестве источника энергии
используется G TP, а не АТР. К образова­
нию гуанозин-5'-монофосфата (GTP) при­
водят две реакции. Сначала происходит
N A D *-зависимое окисление атома С-2
IM P с образованием ксантозин-5'-монофосфата (ХМР), а затем АТР-зависимое
аминирование атома С-2 ХМР, причем
аминная группа происходит из амидной
группы L-глутамина.
2. Рибозидтрифосфаты
Чтобы пуриновые основания могли ис­
пользоваться для синтеза РН К, они дол­
жны находиться в форме трифосфатов
АТР и GTP. Реакции, ведущие к синтезу
этих соединений, катализируются фер-
Н
НО— P -O H jC
I
он
Н
н >|
он
АТР
Н О - Р - О Н ,С
АМР
Mg2'
н.
/ он
он
a-D- рибоso- 5- фосфат
5- фосфо -се- д-рибозил1-пирофосфат ( 'ФРПФ ) >.ан
'/ '
н
/
Mg2* L-глутам ин
NHj
Hi С"
I
I
ЛМН,
рр
сн,
соон
о=с
НО— р —о н ,С
Mg2*
он
н
ОН
ОН
ADP + А
V
ОН
L - глутаминовая кислота
Глицин
I
^
АТР
нуклеоп
Гпицинамидрибонуклеотид
о
Н О -Р - О Н ,С
I
ОН
Н^
f Н
он он
5-фосфо-р-И-рибозил-!-амин
ы>^°-мете
- метенил-Нц Ров + Н,0
^V<tf+H*
;с н
'н
о
of-N- формилглицинамидриВонуклвотид
ас-Л/- формил глицин а мидинрибонукл в о т ид
^-АТР
Mg2*, К*
ADP + Рх
со,
НООО
-N
N
сн
Н} N—
N
1
h 2n - ' ^ n
_
Рибозо-5'-(?)
4-карбокси-5- аминоимидазолрибонуклеотид
Продолжение см. следующую страницу
\\
/СН
Рибозо- 5 '- @
5-ами ной мидазолрибо нуклеотид
Н О О С '^ _ __N
n
II
v>
сн
■Начало см. предыдущую
страницу
Н , N - " '(" '^ N
Рибозо -5’-(Р)
Ь-карбокси -5-аминоимида золрибонуклеотид
АТР
+ Р .^
ADP
НООС Н
^ /
HjC
/С .
О
||
ХС.
N
£ -аспара г иновая
кислота
С
Н
соон
I
с
Фумаровая
кислота
О
II
м
\\
н
II сн -----------соон------------------------------ и
Н2Ы
|
сн
Н, N'
РибоЗО-5'-(?)
Рибозо-5'-(Р)
4(Ы-сукцинкарбоксамид)5- аминоимидазолрибонуклеотид
4-карбоксамид- 5- аминои мидазолрибо нуклеотид
формил-Нц Foe
^
V
hn A
H4Foe
н ,о
c ^ ns
H2N '
сн
СН
“СЧ К СРибозо-S'■(?)
Инозин- 5 моносросфат
(IMP)
Рис. 10.1. Биосинтез инозин-5'-монофосфата
(IMP).
Ферменты, катализирующие реакции а —л:
а - рибозофосфат-пирофосфаткиназа, КФ 2.7.6.1;
6—амид офосфорибозил трансфераза,
КФ
2.4.2.14;
в - фосфорибозилглицинамид-синтетаза,
КФ
6.3.4.13;
г - фосфорибозилглицинамид-формилтрансфераза, К Ф 2.1.2.2;
д - фосфорибозилформилглицинамидин-синтетаза, КФ 6.3.5.3;
о= с.
Н
N
/
Н
Рибозо-S’-(f )
4-гарбокс амид-5-форма мидоимидазолрибо нуклеотид
е - фосфорибозиламиноимидазол-синтетаза,
КФ 6.3.3.1;
ж - фосфорибозиламиноимидазол-карбоксилаза,
КФ 4.1.1.21;
з - фосфорибозиламиноимидазолсукцинокарбоксамид-синтетаза, КФ 6.3.2.6;
и —ад енилосу кцинат-лиаза, КФ 4.3.2.2;
к - фосфорибозиламиноимидазолкарбоксамидформилтрансфераза, КФ 2.1.2.3;
л - IMP-циклогидролаза, КФ 3.5.4.10. Сокраще­
ния: G lu—L-глутаминовая кислота, G ln -L глутамин; H4Fol - тетрагидрофолиевая кис­
лота (см. рис. 9.11).
Из со
Из глицина
Из L-аспарагиновой\
кислоты
Из формиата
(т.е из с,-остатка)
Из формиата
(те. из С,-остатка)
Из амидного азота
х -гл ут а м и н а
Рис. 10.2. Источники атомов для биосинтеза пу­
ринового кольца.
н н н
У> / > с о о н
С
ноос^ ""с
соон
ноос^
Ксантозин -5 - моносросфат
GMP
(ХМР)
Рис. 10.3. Образование аденозин-5'-монофосфата
(АМР) и гуанозин-5'-монофосфата (GMP) из
IMP.
Ферменты, катализирующие реакции а - г :
а - аденилосукцинат-синтетаза, КФ 6.3.4.4;
б—аденилосукцинат-лиаза, КФ 4.3.2.2;
e -IM P -дегидрогеназа, КФ 1.2.1.14;
г-СМ Р-синтетаза. Сокращения: G lu -L -глутаминовая кислота; Gin - L- глутамин.
ментами
нуклеозидмонофосфат-киназой 2
[уравнение ( 10 . 1)] и нуклеозиддифосфаткиназой 3 [уравнение (10.2)]. В этих уравне­
ниях В означает аденозин или гуанозин (от
англ. base-основание)
2'-дезокси-ВОР + Тиорексин(— S— S— )
BM P + ATP ^
BDP + A D P
(10.1)
+ Н 20
BDP + ATP ^
ВТР + A D P
(10.2)
Суммарная реакция
ВТР + 2ADP
BM P
+
2АТР
3. Дезоксирибонуклеотиды
Для синтеза Д Н К пуриновые нуклео­
тиды также должны находиться в форме
дезоксирибонуклеотидов. Каким образом
происходит превращение рибозы в дезоксиформу у растений, точно не известно, но
очевидно, что в животных тканях и у бак­
терий восстановление происходит на уров­
не нуклеотида. О б этом свидетельствует
следующий факт: при введении в организм
нуклеотида, меченного 14С как по основа­
нию (в классическом случае в пиридимидине), так и по рибозе, распределение ра­
диоактивности в соответствующем дезоксинуклеотиде из Д Н К этого организма
было таким же, как в исходном нуклеоти­
де.
В случае хорошо изученного пути этих
превращений у Е. сдИ очевидно, что восста­
новление, о котором идет речь, происходит
на уровне дифосфата [уравнение (10.3)]
и катализируется мультиферментным ком­
плексом. Одним из компонентов этого
комплекса является небольшой кислый
термостабильный дитиоловый белок тиоредоксин (мол. масса 1 2 0 0 0 ), содержащий
108 аминокислотных остатков. Активный
центр данного белка имеет следующее
строение, одинаковое для тиоредоксина из
Е. соЧ, дрожжей и печени быка:
— S-----S----- 1
-Т rp-Cys j 2-Gly-Pro-Cysjj-Lys- MetЭ тот белок служит непосредственным ис­
точником восстановительных эквивален­
тов, необходимых для образования дезоксинуклеотида. Вторым компонентом ком­
плекса является рибонуклеозиддифосфатредуктаза4. Э тот фермент состоит из двух
субъединиц и требует ионов M g 2 + для
осуществления реакции (10.3).
Mg2 +
BDP -I- Тиоредоксин(— S H H S — ) -*•
(10.3)
Окисленный тиоредоксин восстанавли­
вается в — SH-форму за счет N A D PH
в присутствии другого компонента мультиферментного
комплекса - флавопротеина, называемого тиоредоксин-редуктазой 5
[уравнение (10.4)].
Тиоредоксин(— S— S—) + N A D PH + Н +
(10.4)
Тиоредоксин(— S H H S —) + N A D P +
Другие системы, обнаруженные у бакте­
рий, используют в качестве субстратов, повидимому, нуклеозидтрифосфаты (ВТР),
а не нуклеозиддифосфаты (BDP).
В. П И РИ М И Д И Н О В Ы Е
ОСНОВАНИЯ
I. Природа и распространение
1. Основания
Пиримидиновые основания, входящие
в состав нуклеиновых кислот,-это урацил
(10.12), цитозин (10.13) и тимин (10.14). Д о­
вольно обычным минорным компонентом
нуклеиновых кислот растений является ме­
тил цитозин.
2. Нуклеозиды
Нуклеозиды пиримидинов не очень ши­
роко распространены у растений; на самом
деле их наличие точно установлено только
у некоторых видов Streptomyces и у губок.
П римером пиримидиновых нуклеозидов,
встречающихся у растений, может служить
спонготимидин (10.16). Чаще всего у выс­
ших растений встречаются 5-О-гликозиды.
В качестве примера можно назвать вицин-2,4-диамино-6-оксопнримндин-5-0-(ЦD-глюкопиранозид) (10.17). Однако боль­
ший интерес представляет, по-видимому, другое соединение - псевдоуридин (v|/уридин, 10.18), являющийся нормальным
компонентом транспортных РН К многих
растений.
(10.16)
(10.17)
II. Биосинтез*
Как и при синтезе пуриновых нуклеоти­
дов, первым образующимся пиримиди­
новым нуклеотидом является мононуклео­
тид (уридинмонофосфат, UMP), однако
в данном случае сахарофосфат присоеди­
няется не в начале цепи превращений, а на
более поздних этапах (рис. 10.4).
На первом этапе (а) по одной молекуле
аммиака и С 0 2 реагируют с образованием
карбамоилфосфата; для этой реакции тре­
буются две молекулы АТР. Следующий
этап (б)-это первый решающий этап, в ко­
тором карбамоилфосфат переносится на
аспарагиновую кислоту с образованием
карбамоиласпартата (б). Дигидрооротаза
(в) катализирует закрытие кольца с удале­
нием воды и образованием дегидрооротата, который в реакции (г) окисляется в оротат. Вслед за этим происходит перенос (<))
на оротат фосфорибозильной группы от
ФРПФ с образованием оротидил-5'-монофосфата (ОМР, оротидиловая кислота).
Как и при синтезе пуринового нуклеотида,
происходит инверсия конфигурации при
С-1 фосфорибозилпирофосфата, приводя­
щая к образованию 0 -связи с основанием.
В результате удаления С 0 2 (е) образуется
(10.18)
UMP. Дальнейшее превращение UM P
в U D P и UTP происходит в реакциях (10.1)
и ( 10 .2).
Регуляция этого синтеза осуществляет­
ся на этапе (б), однако следует иметь в ви­
ду, что модуляторы этого процесса у раз­
ных организмов различны: у некоторых
высших растений это UMP, тогда как
у Pseudomonas fluorescens это UTP. У опре­
деленных бактерий вообще не было обна­
ружено регуляции на этом этапе.
Образование цитидинтрифосфата про­
исходит не с участием киназ, используемых
для синтеза UTP, а в специфической реак­
ции,
катализируемой
СТР-синтетазой 6
[уравнение (10.5)], субстратом которой слу­
жит UTP.
UTP + N H 3 + А Т Р ^ С С Т Р +
+ ADP + Pj
(10.5)
Дезокси-СТР образуется так, как это
указано для дезоксирибонуклеотидов пури­
новых оснований. Хорошо известно, что
в ДНК нет урацила, вместо него в ДНК
находится тимин (5-метилурацил). Суб­
стратом реакции является дезокси-UMP,
образующийся при дефосфорилировании
дезокси-UDP, а донором
метильной
группы - N 5’1°-метилентетрагидрофолят
(N 5, 10-MemneH-H4Fol). Катализирует эту
реакцию тимидилат-синтаза 7 [уравнение
(10.6)J. Тимидин-5'-монофосфат (ТМР) пре­
вращается в тимидин-5'-трифосфат (ТТР)
2ATP + НдО
2ADP + ^ j
HjN
а
+
о
II
но—с. .
? н2
■(—1 ^ Д5 счсоон
н
СО,
н н L-аспарагино-
°
&ая кислота.
но-р=о
I
он
Карбамоилфосфат
б
HN'
Г )°
HOj
ОJ II
H -. «Г С ,
сн 2
5N
Н'
Т1
Си. н
о
соон
дигирооротовая кислота
К
со он
N-карбамоил аспарагиновая кислота
(уреидоянтарная кислота)
NADH + Н*
О
рр-
II
HN/C ^CH
СН
111
ч
I
'СООН
® ° н ,с
It
N
О
ЧГООН
О
■ а д !
он
О
II
1
-■ч
1
о
X
о
II
Р—о
1
он
ФРПФ
он
Оротидин-5- монофосфат
(ОМР; оротивиловая кислота )
он
Рис. 10.4. Биосинтез уридин-5'-монофосфата
(UMP).
Ферменты, катализирующие реакции а-е:
а-карбамоилфосфат-синтетаза (аммиак), КФ
6.3.4.16;
б-аспартат-карбамоилтрансфераза, КФ 2.1.3.2;
e-дигидрооротаза, КФ 3.5.2.3;
г-оротатредуктаза, КФ 1.3.1.14;
д - оротат-фосфорибозилтрансфераза,
КФ
2.4.2.10;
е - оротидин-5'-фосфат—декарбоксилаза,
КФ
4.1.1.23.
■со,
HN
I
СН
II
@ О Н 2С
н N— f н
он он
Уридин- 5-монофосфат
(UMP; уривиловая кислота)
N s,w- метилен-HvFoe
н
Н
N
м
X
сь
Ny
СИ,
О
н с-
I
N— R
] \ Н 2 V*
HN
О
d R -®
н
«
HN ' A
V T
T S ,
г
О
d R -®
dUMP
путем обычных реакций [т.е. реакций 10.1
и 10.2]. Образование vjz-уридина происхо­
дит in situ в молекуле тРНК, но механизм
этой реакции неизвестен.
Г. ДНК и РНК
I. Введение
СН3
S -R
сн,
N—R
Н
г
N
d R -®
ТМР
области биохимии, чем в других ее обла­
стях, и в конце главы привели ссылки на
более общие труды. В первых разделах
данной главы мы уже изложили сведения
об основных строительных единицах поли­
нуклеотидов и, следовательно, теперь мо­
жем перейти непосредственно к рассмотре­
нию ДНК.
Открытие того факта, что полинуклео­ И. Структура Д Н К
тид ДНК является универсальным генети­
ДНК была открыта в 1869 г. Ф. Мишеческим материалом, а также выяснение де­
талей его строения и механизма реплика­ ром (F. Miescher), но данные, свидетель­
ции представляют собой огромное дости­ ствующие о том, что она является носите­
жение науки, которым ознаменовались по­ лем генетической информации, начали по­
следние 20 лет. Если же учесть, что являться только в 40-х годах-впервые
помимо этого удалось понять, каким обра­ в опытах Эйвери (Avery) по изучению глад­
зом эта информация транскрибируется ких и шероховатых колоний пневмокок­
в определенную последовательность осно­ ковых бактерий-и позднее, в 50-годах,
ваний в молекуле РНК, которая затем в знаменитых опытах Херши (Herchey)
транслируется с образованием уникальной и Чейза (Chase). Предположение о том, что
последовательности аминокислот в ка­ ДНК является носителем генетической ин­
ждом индивидуальном белке, мы можем формации, нашло подтверждение после от­
смело утверждать, что имеем дело крытия Уотсоном и Криком двуспиральс самым выдающимся научным достиже­ ной структуры ДНК. Первичная структура
ДНКнием второй половины двадцатого столе­ полинуклеотидов-компонентов
тия. Это достижение произвело револю­ представляет собой последовательности
цию в биологическом мышлении почти дезоксинуклеотидов, соединенных фосфо►S'. На рис. 10.S
в такой же степени, в какой это сделало диэфирными связями 3' —
в XIX в. появление дарвинского «Происхо­ показано строение полинуклеотида и
ждения видов». В таком учебнике, каким приведено его сокращенное изображе­
является наша книга, трудно соблюсти ние, используемое в большинстве работ,
равновесие между огромным количеством посвященных структуре нуклеиновых кис­
общей информации о структуре и функ­ лот. В настоящее время достигнут боль­
циях ДНК и РНК и теми сведениями, ко­ шой прогресс в определении последова­
торые касаются непосредственно растений. тельности нуклеотидов в ДНК многих
Для того чтобы объем этой главы не пре­ видов (так, что даже установлена полная
вышал разумных пределов, мы ориентиро­ последовательность нуклеотидов неко­
вались на читателя, несколько лучше зна­ торых небольших геномов), но здесь мы не
комого с основными фактами в этой будем вдаваться в подробности этих иссле-
О
II
5'
НО— Р— О Н ,с
п
/
\
А
7%
X-
\2
Z
-О
з’
з'
з'
Т
\
\
\
<Т“
3о
н
но—Р—о
р.
Р
\
\
Р
\
\
р
\
\
Рис. 10.S. Первичная структура полидезоксирибонуклеотидной цепи {А) и ее сокращенное изоб­
ражение (£). А-аденин, С-цитозин, G - гуанин,
Т -тимин.
дований. Двойная спираль, представляю­
щая собой вторичную структуру ДНК,
образована двумя полннуклеотндными це­
пями, скрученными в правовращающую
спираль вокруг одной и той же оси. Две
оси антипараллельны, т.е. их фосфодиэфирные (3' —* S’) связи идут в противопо­
ложных направлениях. Две цепи являются
плектонемическими, т.е. они могут быть
разделены только путем раскручивания
спирали. Основания расположены в виде
стопок внутри спирали, причем их плоско­
сти параллельны одна другой и перпенди­
кулярны длинной оси. Только опреде­
ленные пары оснований могут разместить­
ся в этой структуре таким образом, чтобы
между ними могли возникнуть водородные
связи. Такими разрешенными парами
являются пара аденин (А) + тимин (Т)
и пара гуанин (Г) + цитозин (Ц); на
рис. 10.6 показано, каким образом соеди­
няются тимин и аденин. Основания распо­
лагаются на расстоянии (от центра одного
основания до центра другого) 0,34 нм, при­
чем на один виток спирали приходится де­
сять оснований. Стабильность спирали
обусловлена межплоскостными (стэкинг)
взаимодействиями между основаниями,
причем возникновение этих взаимодей­
ствий связано с гидрофобной природой са­
мих оснований. Гидрофобная природа ос­
нований делает контакт молекулы с во­
дным окружением энергетически невы­
годным, а межплоскостные взаимодей­
ствия оснований приводят к дальнейшему
ослаблению контакта. Водородные связи
между основаниями придают двойной спи­
рали некоторую добавочную стабильность,
но их значение заключается главным обра­
зом в том, что они сообщают комплемен­
тарным основаниям структурную специ­
фичность.
Y »
0
1
r v
Г г н
I
к цепи
Рис. 10.6. Масштабное изображение соединенной
водородными связями пары оснований аденин— тимин.
Рис. 10.7. Некоторые типичные циклические м о­
лекулы ДНК. А - ковалентно-замкнутый дуплекс
(двухцепочечная Д Н К ) в форме суперспирали, со­
держащей 12 витков; Б -о ткр ы тая циклическая
молекула, одна цепь которой разорвана в участке
X; В -катенан, содержащий дуплекс А, соеди­
ненный с молекулой В.
(Воспроизведено с разрешения из книги
I.N . Davidson, Biochemistry of the Nucleic Acids,
8 th edition, revised by Adams, R. L. P., Burdon, R. H.,
Campbell, A. M. and Smellie, R. M. S., Chapman and
Hall.)
Природа двойной спирали требует,
чтобы в любой молекуле ДНК сумма ос­
нований А + G равнялась сумме основа­
ний Т + С и чтобы [А] равнялось [Т],
a [G ]-[C]*. И действительно, именно та­
кие соотношения были установлены в ре­
зультате тщательных исследований мето­
дами аналитической химии. Эти исследова­
ния составили экспериментальную основу
концепции двуспиральной структуры ДНК.
Так например, в ДНК зародыша пшени­
цы [А] + (G] I 50,0; [Т] | [С] +
+ [5-метилцитозин (10.15)] = 49,0; [А] =
| 27,3; [Т] I 27,1; [G] | 22,7; [С] «
= 16,8; [5-метилцитозин] = 6,0 моль на
100 г атомов Р. ДНК из зародышей
пшеницы относится к типу молекул, бо­
гатых парами оснований А—Т. Этот тип
молекул значительно более распространен,
чем тип молекул, богатых парами основа­
ний G—С. Широкому разнообразию в со*
Это соотношение вошло в литературу
«правило Ч аргаф ф а»-по имени исследовате­
ля, установившего эту закономерность.- Прим.
перев.
отношении оснований, которое установле­
но для ДНК из различных источников, не
приходится удивляться, но следует иметь
в виду, что в обшей ДНК, выделенной из
одного и того же вида, всегда наблюда­
лось одно и то же соотношение оснований.
Из хромосом очень трудно экстрагиро­
вать нативную ДНК. Однако из бактерий,
вирусов, митохондрий и хлоропластов бы­
ли выделены интактные молекулы ДНК.
На примере этих молекул показано, что
двойная спираль может сворачиваться да­
лее, образуя третичные структуры, такие,
как двухцепочечные циклические ДНК, ко­
торые были выделены из хлоропластов.
Циклические ДНК можно подразделить на
три главных типа (рис. 10.7): 1) ковалентно
замкнутая циклическая ДНК, содержащая
12 суперспиральных витков (А), 2) откры­
тая циклическая ДНК только с одним раз­
рывом цепи в точке х (£) и 3) комбинация
А и Б в форме катенана. Суперспиральная
ДНК (А ) может быть расспирализована
или «расслаблена» («релаксирована») в ре­
зультате так называемого «одноцепочечно­
го разрыва» (т.е. разрыва одной ковалент­
ной связи в цепи). Этот процесс называется
«разрезанием» (nicking).
1. Ядерная ДНК
Число хромосом в ядре у разных видов
различно. Так, например, в ядре клеток го­
роха их 14, а в ядре клеток кукурузы-20.
Каждая из этих хромосом содержит боль­
шую молекулу ДНК ( ~ 2 нм в диаметре),
соединенную с белком, так что образуется
нить диаметром в 3 нм, которая может
агрегировать и конденсироваться, образуя
толстые и плотные комплексы. В интер­
фазных ядрах эти ДНК-белковые ком­
плексы называются хроматином (гл. 3,
разд. B.IV). Белки, содержащиеся в этих
комплексах, представляют собой главным
образом основные гистоны. Саму ДНК
можно рассматривать как состоящую из а)
неповторяющихся, уникальных последова­
тельностей оснований, б) умеренно повто­
ряющихся оснований и в) часто повторяю­
щихся оснований. Последовательности ти­
па а), по-видимому, кодируют белки со
какспециальными функциями. Небольшое ко­
личество последовательностей типа б) ко­
дирует гистоны и рибосомные РНК, тогда
как биологическая функция последователь­
ностей типа в) в настоящее время не уста­
новлена. В некоторых клетках млекопи­
тающих эти часто повторяющиеся после­
довательности образуют блоки из несколь­
ких единиц длиной в 6 - 8 пар оснований.
Поскольку эти последовательности часто
отличаются от основной массы Д Н К со­
держанием G + С, то при центрифугиро­
вании в градиенте плотности хлористого
цезия они обычно отделяются, образуя по­
лосу сателлитной Д Н К. Еще одна важная
особенность ядерной Д Н К заключается
в том, что она содержит значительное чис­
ло палиндромных участков, т.е. участков
с обращенными повторами:
5' С—С—G —С—G - G
3'
У G—G—С—G—С—С
5'
т
t
Точка t, называемая точкой поворота, предста­
вляет собой ось симметрии структуры, обла­
дающей вращательной симметрией второго по­
рядка.
2. Митохондриальная ДНК
В отличие от Д Н К , обнаруживаемой
в ядре, митохондриальная Д Н К обычно
представляет собой небольшую двухцепо­
чечную кольцевую молекулу с мол. массой
107. Помимо этого она отличается от ядер­
ной Д Н К по нуклеотидному составу и по
плавучей плотности (8 = 1,706 вместо 1,698
для Д Н К из ядер гороха). Н а долю мито­
хондриальной Д Н К приходится около 10%
общей клеточной Д Н К ; она кодирует неко­
торые митохондриальные белки, а также
рибосомную и транспортную РН К мито­
хондрий.
3. Хлоропластная ДНК
В 60-е годы стало очевидным, что хлоропласты содержат особый вид ДН К
(ХпДНК), отличающейся от ядерной Д Н К
по плавучей плотности (5). Значение 8 для
Д Н К хлоропластов высших растений обы­
чно постоянно и составляет 1,694-1,698.
Э то значение сравнимо со средним значе­
нием 8 соответствующей ядерной ДНК,
однако последнее колеблется от 1,691 до
1,702. Постоянство значения плавучей
плотности свидетельствует, очевидно, о по­
стоянном содержании G + С в хлоропластной Д Н К из различных растений, но
это отнюдь не означает наличия у них об­
щей кодирующей структуры. При фрагмен­
тации различных хлоропластных ДНК
с помощ ью эндонуклеазы Э коМ не было
обнаружено общих фрагментов. Д ва дру­
гих
важных
свойства
хлоропластной
Д Н К -э т о отсутствие в молекуле метили­
рованных оснований и относительная лег­
кость
ренатурации.
Хлоропластная
Д Н К -б о л ь ш ая кольцевая молекула с мо­
лекулярной
массой
от
85-106
(Sphaerocarpus; печеночник) до 143-106
(Chlamydomonas; водоросль); у высших
растений молекулярная масса хлоропласт­
ной
ДНК
находится
в
пределах
9 0 -106—100 -10е. Кольцевая молекула мо­
жет существовать в виде ковалентно-замк­
нутой суперспирали (рис. 10.7) и содержит
в случае хлоропластов гороха приблизи­
тельно 18 рибонуклеотидов. В основе этого
открытия лежал тот факт, что в замкнутой
кольцевой молекуле Д Н К имеются щело­
челабильные центры, характерные для рибонуклеотидных связей (разд. Г.Ш). Более
того, действие панкреатической РН К азы
и РН К азы T j, которые расщепляют моле­
кулу и превращают ковалентно-замкнутую
кольцевую Д Н К в открытую кольцевую
ДН К , свидетельствует о том, что рибонуклеотидные вставки связаны с цепью кова­
лентно. Значение этого важного открытия
еще предстоит выяснить. Дальнейшее обсу­
ждение сведений о геноме хлоропластов
рассматривается в разд. Д.1Х.
III. Структура РНК
В клетках содержатся полирибонуклеотиды различных видов: рибосомная РН К
(рРНКХ транспортная РН К (тРНК) и ин­
формационная, или матричная, РН К
(мРНК). Все эти РН К имеют очень харак­
терное строение, которое лучше всего рас­
смотреть далее в этой главе при обсужде­
нии синтеза белка. Вместе с тем все эти
РН К имеют общую основную структуру:
они состоят из ряда рибонуклеотидов, со­
единенных (3' -^-ЗДссвязями. Таким обра­
зом, они имеюут ту ^ё^еаадую первичную
структуру, что/и ДЙ№-,{^ о*вдЩенщ 1 РН К
это было гораздо ярУднее, VcTaHoifa*^JteM
/
fc,
ч,
I
----Ti ! I XI у% /
Н2 С
Rj
о
Нуклеозид-2 \ 3-фосфаты
Нуклеозид- 2-фосфаты
и
Нуклеозид- 3-фосфаты
он
Рис. 10.8. Действие разбавленной щелочи на
полирибонуклеотид.
в случае Д Н К , поскольку в дезоксирибонуклеотидах отсутствует функциональная ги­
дроксильная группа при С-2'. Ключевую
роль в выяснении структуры Р Н К сыграло
выяснение природы реакции, делающей
молекулу Р Н К чувствительной к действию
щелочи. Первый этап этой р еакц и и -о б р а­
зование циклического нуклеозид-2',3'-фос­
фата и его последующий гидролиз с обра­
зованием
смеси
нуклеозид- 2 '-фосфатов
и нуклеозид-З'-фосфатов (рис. 10.8). Следо­
вательно нуклеотид, не способный к обра­
зованию циклического 2', З'-фосфата, дол­
жен быть устойчив к действию щелочи.
Именно этим и объясняется щелочувствительность молекулы Д Н К .
П рироду вторичной и третичной струк­
тур Р Н К мы рассмотрим позднее.
IV. Репликация ДН К
Клеточное деление приводит к образо­
ванию новых клеток, содержащих точную
копию исходного генетического материа­
ла; иными словами, новая молекула Д Н К
должна быть точной копией исходной
Д Н К . Э тот сложный процесс интенсивно
исследовался в течение последних 2 0 лет,
но, хотя в целом картина достаточно ясна,
многие тонкие детали процесса, особенно
у растений, все еще не выяснены. Классиче­
ские опыты Меселсона (Meselson) и Сталя
(Stahl) не оставляю т сомнений в том, что
репликация
происходит
полуконсервативным путем. Как показали эти исследо­
ватели, двойная спираль Д Н К м ож ет рас­
плетаться с образованием двух отдельных
цепей, каждая из которых может использо­
ваться в качестве матрицы для синтеза но­
вой комплементарной цепи; в результате
происходит образование двух дочерних
двухцепочечных молекул Д Н К . При этом
одна цепь в каждой из дочерних молекул
ведет свое начало от исходной молекулы
Д Н К , а вторая образуется заново. Опыт
Меселсона - Сталя заклю чался в следую­
щем. Клетки Е. coli выращивали в среде с
15N H 4 C1 (96,5% 15N) в течение 14 поколе­
ний и анализировали распределение метки.
О казалось, что Д Н К этих клеток почти це­
ликом бы ла помечена 15N. После этого
клетки переносили на среду, содержащую
обычный N H 4 C1, и образующ уюся Д Н К
исследовали в течение нескольких поколе­
ний в градиенте плотности хлористого це­
зия. Н аблю даем ая картина (рис. 10.9) пока­
зала, что после одной генерации в среде
присутствовал гибрид 15N , 14N ^ H K , ко­
торый при нагревании разделялся на 14Nи 15М-цепи; в последующих поколениях
Градиент плотности
CsCe
Ожидаемое поло­
жение меченых
ДНК
“Легкая" Днк-обе цепи содержат MN
ZZZ2
Экспеоементальные
наблюдения
“Смешанная"ДНК-одна цепь содержит “N.dpyeaa-^N
Тяжелая "Днк-обе цепи содержат №N
Состав ЯН К и еео толкование, подтверждающее
полу консервативный механизм
Родительская ДНК
Ff- поколение ДНК
(после одного кле­
точного деления) ZZ
Ft-поколение ДНК
Спосле двух клеточ­
7ZA
ных делений)
F>2-поколение д н к
Спосле более чем
двух делений)
ZZZ2.
Постепенно увеличивающаяся доля “легкой *ДНК
относительно “смешанной' ДНК; тяжелой днк
не образуется
Рис. 10.9. Опыт Меселсона-Сталя, доказываю­
щий, что репликация ДНК осуществляется по полуконсёрвативному механизму.
преобладали 14М-цепи. Этот факт нашел
подтверждение в опытах с клетками из
корней проростков фасоли, подкармли­
ваемых меченным тритием тимидином во
время синтеза ДНК. В этих условиях обе
дочерние хроматиды (гл. 3, разд. Б.1У) по­
лучали метку при делении клеток. Ме­
ченый тимидин затем удаляли. После сле­
дующего цикла деления каждая из хромо­
сом содержала одну меченую и одну
немеченую хроматиду.
1. Инициация и направление ре­
пликации
Инициация репликации ДНК, по-види­
мому, контролируется каким-то сигналом,
природа которого точно не установлена.
Электронно-микроскопические исследова­
ния выявили центры инициации, имеющие
вид двухцепочечных пузырьков (глазков).
"oo------3
Ведущая цепь
ь"*~^~(синтез непрерывный)
1I 1I I11I
MM
I
I
I
I
M
I I
I I
I I
I
I
I
I
I
I
I
I
I I I I I
I
I
I I I I I
H -f
Отстаю щ ая
цепь
s'— - з ’
j?o фффоооаа *++оаа<
оо
Рис. 10.10. Вероятный механизм репликации
Д Н К: а-расплетание двойной спирали геликазой • • и стабилизация одиночных цепей не­
сколькими молекулами SS-связываюшего белка
О ; б —РНК-затравки (праймеры) ♦
, синте­
зированные праймазой; в-фрагменты Оказаки
t t t C H J O O a , содержащие как ДНК □ ,
так и РНК • , синтезированные ДНК-полимеразой III; г-ц еп и ДНК, о о о н я образу­
ющиеся при удалении РНК-затравок под дей­
ствием (5' -» 3')-экзонуклеазной активности ДНКполимеразы I с последующим последователь­
ным присоединением дезоксирибонуклеотидов
к З'-концу под действием полимеразной актив­
ности того же фермента; д -связывание цепей
ДНК м т с о о ДНК-лигазой в участке, обоз­
наченном буквой X. -* направление синтеза или
ферментативного действия.
Такими центрами могут служить участки
со специфическими последовательностями
оснований или локальные участки с опре­
деленной конформацией, диктуемой после­
довательностью оснований Д Н К . Инициа­
ция может происходить в разное время.
Так, например, у Arabidopsis имеется два
семейства центров инициации, в одном из
которых синтез Д Н К начинается (при
22°С) на 36 мин раньше, чем во втором.
Репликация обычно происходит в двух
направлениях.
2. Механизм репликации*
Несмотря на то что в этом вопросе
остается еще много нерешенных проблем,
общая картина механизма репликации
у прокариот вырисовывается в таком виде,
как это изображено схематически на
рис. 10.10. У эукариот, в частности у выс­
ших растений, картина менее ясна, но
вполне возможно, что репликация у них
происходит так же, как и у прокариот.
Н а первом этапе (а) происходит раскру­
чивание двойной спирали за счет энергии
гидролиза АТР. Э тот процесс катализи­
руется ферментом, получившим название
геликазы. Разделенные цепи затем стабили­
зируются в результате взаимодействия
с несколькими молекулами белка, связы­
вающегося с одноцепочечной Д Н К (SSсвязывающий белок). Поскольку такие бел­
ки обладаю т более высоким сродством
связывания одноцепочечной Д Н К , чем
двухцепочечной, они вызывают раскручи­
вание молекулы Д Н К с образованием репликационной вилки (рис. 10 . 10 ), которая
под электронным микроскопом имеет вид
пузырьков на молекуле ДН К . Таким обра­
зом, Д Н К не раскручивается полностью до
начала синтеза новой молекулы Д Н К . П о­
скольку цепи родительской молекулы Д Н К
антипараллельны, то структура одной цепи
ориентирована в направлении от S'-конца
к З'-концу, а структура другой ц е п и -о т
З'-конца к S'-концу. Та цепь в репликационной вилке, которая идет от S'-конца
к З'-концу, называется ведущей цепью, а та,
которая
идет
в
направлении
3' -*
-* 5 ',-отстающей цепью.
Поскольку известно, что все ДНК-полимеразы синтезируют Д Н К в направлении
5' -» 3' и что синтез Д Н К происходит на
обеих цепях репликационной вилки, возни­
кает вопрос, каким образом происходит
синтез на отстающей цепи. Короткая РН К затравка, состоящая примерно из 10 ну­
клеотидов, синтезируется на особом затра­
вочном участке путем спаривания с осно­
ваниями одноцепочечной Д Н К (6 ). Фер­
мент, катализирующий этот процесс, назы­
вается праймазой (от англ. prim er-за т р а в ­
ка) и является ДНК-зависимой РНК-полимеразой, направляющей синтез от S'-конца
к З'-концу в растущей цепи Д Н К. ДНК-полимераза III затем удлиняет затравку в на­
правлении 5' -* 3', причем родительская
одноцепочечная Д Н К используется как ма­
трица для образования так называемых
фрагментов Оказаки, содержащих как рибо-, так и дезоксирибонуклеотиды (в). По­
сле этого вступает в действие ДНК-полимераза I. Она обладает также (5' —►
-» 3')-экзонуклеазной активностью, позво­
ляющей ей осуществить удаление РН К-затравки (г). После этого ДНК-полимераза
проявляет свою полимеразную активность
и продолжает удлинять фрагменты Д Н К
от находящегося ближе З'-конца (г). ДНКполимераза I обладает также (3' -*
—» 5')-экзонуклеазной активностью, кото­
рая, как считают, играет корректирующую
роль, поскольку позволяет удалять нуклео­
тиды в направлении, обратном тому, в ко­
тором идет репликация. Таким образом,
она может удалять основания, попавшие
в цепь по ошибке. Существует также ДНКполимераза II, которая подобна ДНК-полимеразе I, но не обладает (5' —»
—►3>экзонуклеазной активностью.
Фрагменты Д Н К , образованные в ко­
нечном счете на отстающей цепи, соеди­
няются под действием Д Н К -лигазы 8,9 пу­
тем связывания S'-фосфата одного фраг­
мента с З'-ОН-гругатой другого фрагмента
(д). Реакция включает образование про­
изводного A DP на S'-конце одного фраг­
мента с последующей конденсацией его
с 3'-концом другого фрагмента (рис. 10 . 11 ).
Источником остатка АМ Р служит NAD +
у Е. coli и АТР у животных; у растений ис­
точник АМ Р неизвестен. Д Н К -лигаза мо­
жет так же устранять разрывы и вшивать
фрагменты чужеродной Д Н К . О на по су­
ществу служит ключевым ферментом в ис-
to
АТР, где
Л>£РП-lys-N« + 0 = P - 0 —CH,
n
H,
*
OH
д н к -л и га за
о
A
н н
н ~м к н
он он
0
о
1
К
он
он
R = — Р -О -Р -О Н
и ли
0
NAD*,
Никотинамид
zde R = — Р—о - Рибоза
1
он
в,
/
з'
/
в,
/
в,
о
II
м
V
О -Р -О Н
R-0'(PPj U//U NMP)
5’
11
ДНК-5’- ©
ф ЕР М Луь— N — Р—0 - C H , ^ 0 v
А
н н он
в,
в
в.
в,
Vр
/г
*
/
Рис. 10.11. Механизм действия ДНК-лигаз (КФ
6.5.1.1 и 6.5.1.2).
А -аденин; N M P - никотинамид-5'-монофосфат;
Вь В2 и т.д. пуриновые и пиримидиновые основания Д Н К ; P P j- неорганический пирофосфат.
/
I/
ДН К-У-О Н
[Одна ДНК-лигаза (КФ 6.5.1.1.) использует АТР
на стадии 1; она обнаружена у животных и бактериофагов. Другая ДНК-лигаза (КФ 6.5.1.2) использует NAD + ; она характерна для бактерий.]
Люпнггые
т о т м м
M u m . c m rm 1 м п
следованиях по рекомбинации ДНК (ген­
ной инженерии). Синтез ДНК на ведушей
цепи происходят в основном непрерывно.
В настоящее время у эукариот обнару­
жены три Д НК-пол имеразы -а , р и у. Де­
тальный механизм их действия все еще ис­
следуется. Полагают, что «-форма связана
с репликацией, p-форма с репарацией и уформа -с синтезом ДНК митохондрий. По
своим свойствам они в основном подобны
ферментам из прокариот, а именно: тре­
буют для проявления активности присут­
ствия матрицы, З'-ОН-загравки и всех
четырех нуклеозидтрифосфатов. Однако
имеются данные о том, что по своим ката­
литическим свойствам они отличаются от
ферментов прокариот.
иш ш тш ш пш ш тш ш ш п
Промотор
ТГ1Ш Ш Щ Ш Щ Щ ТППЛППЛЛШ 1J
u@ t
/
V. Транскрипция
Информация, заложенная в геноме (мо­
лекуле ДНК), не передается прямо к систе­
ме синтеза белка. Сначала она переносится
в РНК в результате процесса, называемого
транскрипцией. В своей основе этот про­
цесс, в отличие от синтеза ДНК, не гребует
затравки и осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразой1°, катализирующей
образование 3',5'-фосфодиэфирных связей
между
рибонуклеозидтрифосфатами
с одновременным освобождением неорга­
нического пирофосфата. Последователь­
ность оснований во вновь образующейся
РНК определяется последовательностью
оснований в ДНК-матрице. Молекула
РНК растет от S'-конца (т. е. в направлении
5' -» 3') и сходит с З'-конца матрицы (т.е.
в направлении 3' —> S'); следовательно,
имеет место антипараллельный синтез.
РНК-полимераза прокариот исследова­
на довольно детально, фермент эукариот
изучен хуже. Так, фермент из Е. coli являет­
ся цннксодержащим белковым комплексом
с мол массой 500000, состоящим из двух
ос, р, Э' и а субъединиц, мол. масса ко­
торых равна соответственно 39000, 155000,
165000 и 95000.
Сигма-фактор (сг-фактор) может рас­
сматриваться как фактор узнавания. Он
необходим для правильного выбора промоторного участка (т.е. специфической
стартовой точки транскрипции) на ДНКматрице; для удлинения цепи он не нужен.
Последовательность из семи-восьми пар
птгптгщ»*
“
__
V
,
j f TTTTTf t TTT
и и и ш щ р .
J in u rfflv
T,Tt n i t l t l
—
v n im n iir г
/V
>гптш тп тг3
ATTTTTTTTTTt
Рис. 10.12 Вероятный механизм инициации син­
теза РНК. а - PH К-полимераза, состоящая из стфактора и а 2, р и Р'’-субъединиц; б-двойн ая спи­
раль Д Н К ; в-узнавание промоторного участка
9 -фактором и связывание с ним полимеразы;
г - расплетание промоторного участка ДНК
с образованием двух отдельных цепей; д - осво­
бождение ст-фактора и синтез РНК, закодирован­
ной одной из цепей ДНК. Информация считы­
вается в направлении У —>5', а синтез идет
в направлении 5 '-*3' под действием оставшихся
субъединиц РНК-полимеразы. Вторая цепь Д Н К
не транскрибируется.
оснований составляет уникальный инициаторный участок. Предполагается, что стар­
товый комплекс ДНК - РНК-полимераза
является закрытым, поскольку он обра­
зуется, когда ДНК остается еще в форме
двойной спирали. Затем происходит конформационное изменение, вызывающее ло­
кальное расплетание двойной спирали
вблизи инициаторного центра; в результа-
(Е Н Е Н Э -с
•Направление синтеза РНК
Рис. 10.13. Образование РНК с использованием
одной из цепей ДНК в качестве матрицы. Заметь­
те, что сначала основание подошедшего нуклеозид-5'-трифосфата должно связаться водородны­
ми связями с соответствующим комплемен­
тарным основанием матрицы; только после
этого происходит перераспределение электронов,
приводящее к образованию 3',5'-фосфодиэфирной связи с одновременным выделением пиро­
фосфата.
те основания в цепях ДН К оказываются
доступными для спаривания с поступаю­
щими сюда рибонуклеозидтрифосфатами.
Синтез цепи РНК начинается, вероятно,
с реакции GTP либо АТР с нуклеотидом,
определяемым матрицей. Поскольку при
GTP (или АТР) сохраняется трифосфатная
группа, то и все вновь образующиеся цепи
РНК начинаются с pppG или рррА. После
того как транскрипция уже началась, стфактор освобождается (рис. 10.12). Цепь
РНК удлиняется под действием кор-поли­
меразы (минимальной полимеразы; а 2 РР')
в соответствии с информацией, заложенной
в матрице. Необходимо подчеркнуть, что
для транскрипции используется только од­
на цепь ДНК. Терминация синтеза РНК
происходит либо при достижении специфи­
ческой последовательности оснований в це­
пи ДНК, либо под действием фактора
р (ро), представляющего собой белок. Ко­
нечный нуклеотид в цепи РН К имеет сво­
бодную З'-ОН-группу. Общий механизм
элонгации показан на рис. 10.13.
Подошедший
нуклеозидтрифосфат
У эукариот обнаружены три типа РНКполимераз. РНК-полимеразы типа I нахо­
дятся в ядрах и, по-видимому, транскриби­
руют гены пре-рРНК (разд. Г.1Х); РНК-по­
лимеразы типа II транскрибируют предше­
ственники мРНК, а полимеразы типа III
синтезируют небольшие РНК, т.е. транс­
портные РН К и 5S-PHK.
VI. Посттрансляционный
синг
процес­
Хотя последовательность оснований
различных РНК, содержащихся в клетке,
определяется последовательностью основа­
ний в ДНК-матрице, некоторые из образую­
щихся РНК-транскриптов подвергаются
дальнейшей модификации, называемой посттранскрипционным процессингом. Такие
посттранскрипционные изменения могут
включать в себя удаление нуклеотидов пу­
тем гидролиза (сплайсинг или тримминг),
присоединение нуклеотидов [например,
poly(A)] к концевым группам и химическую
модификацию, такую, как метилирование.
Последняя реакция играет особенно важ­
ную роль у растений.
VII. Информационная РНК
Информационная
РН К
(матричная
РНК, м РН К )-один из различных типов
РНК, синтезируемых в клетке, как указыва­
лось ранее. Каждая м Р Н К -эт о специфиче­
ская РНК, которая несет информацию для
N f
г" Q
Jf4
он он
\Н
"Цолпачок*на 5- конце
(Колпачок О представляет
собой исключительно 7-ме
тилгуанозин, связанный
как показано на рисунке.
аколпачо^1 включает до­
полнительно следующий
нуклеозид, у которого ме тилирована 2 ’- Он-группа,
а 'колпачо^г включает
дополнительно два сле­
дующих за 7-м ет илгуанозином нуклеозида с ме­
тилированными 2'-0Н группам и
о
о=р-оI
он
" Ч ь
-О ■
X
I
0
1
СНз
о
О
о
Н>|
Кодирующая область
Н >—Т н
о он
0=р—он
1
о
сн2 .
-*х
А
Гчн НУ1
н Ч —У н
1 он
0=1*-о н
Рис. 10.14. Общая структура мРНК эукариот.
В-аденин, гуанин, цитозин или урацил; А-аденин; х = ~ 1000, п = 60-200.
синтеза специфического белка. мРНК бакте­
рий-это короткоживущая молекула, время
ее существования составляет от нескольких
секунд до нескольких минут. У эукариот
мРНК является долгоживущей, возможно,
потому, что ей приходится перемещаться из
ядра в цитоплазму к месту синтеза белка.
Если предположить, что средняя мРНК
растений содержит около 1200 оснований,
что в гаплоидном геноме имеется 15 000 ге­
нов и что каждая мРНК детерминируется
одним геном, то для кодирования всех
мРНК в одной клетке требуется 1,8 • 107 пар
оснований ДНК. Поскольку ядерные ге­
номы растений содержат от 2 • 10® до 8 • Ю10
Рову (А )- хвост на 3 '-конце
пар оснований, то из этого следует, что для
кодирования мРНК используется лишь не­
большое количество ядерной ДНК.
мРНК эукариот имеют две характерные
особенности: 1) на S'-конце чаще всего
имеется так называемый колпачок, т. е. 7-метилгуанозин, связанный своей трифосфатной группой с С-5' концевого основания, и 2)
на З'-конце имеется «хвост» ро1у(А), длина
которого варьирует от 60 до 200 остатков.
У гистоновых мРНК такого хвоста нет; как
правило, его нет и у мРНК прокариот, хотя
у некоторых из последних он был обнару­
жен. Строение растительной мРНК в общем
виде показано на рис. 10.14. Две дополни­
тельные особенности: колпачок и хвост слу­
жат примерами посттрансляционного про­
цессинга. Наличие колпачка делает мРНК
более стабильными, поскольку предохра­
няет их 5'-концы от действия фосфатаз и ну-
клеаз и, кроме того, по-видимому, усили­
вает их трансляцию. Ро1у(А)-хвост также
увеличивает стабильность мРН К , но не
влияет на трансляцию.
У эукариот, включая растения, большая
часть РНК, находящихся в ядре, получила
название гетерогенной ядерной
РНК
(гя РНК). Это смесь РН К, представляющих
собой первичные транскрипты ядерных ге­
нов и являющихся таким образом предше­
ственниками мРН К. Их образование обус­
ловлено тем, что все картированные до
настоящего времени ядерные гены эука­
риот, за исключением генов для гистонов,
являются дискретными: кодирующая после­
довательность нуклеотидов прерывается
одной или более некодирующими последо­
вательностями (т.е. последовательностями,
которые не переводятся в последователь­
ность аминокислот закодированного белка).
Кодирующие последовательности гена на­
зываются
экзонами
(exon- о т
англ.
ex[pressed re g i]o n s-экспрессируемые обла­
сти), а некодирующие последовательно­
сти -интронами
(in trons-or
англ.
int[e]r[venning regi]ons-лeжaщиe между).
Исходно при транскрипции гена считы­
ваются как экзоны, так и интроны. Следова­
тельно, образующаяся в результате РН К
нуждается в дальнейшем процессинге пре­
жде, чем она станет м РН К , соответствую­
щей гену; она является гетерогенной ядер­
ной РНК. Процессинг начинается с присое­
динения колпачка и ро1у(А)-хвоста и завер­
шается ферментативным процессом сплай­
синга, в котором некодирующие последова­
тельности вырезаются и отрезанные концы
кодирующей последовательности точно со­
единяются вместе. Конечным продуктом
этого процесса является мРН К , строение
которой показано на рис. 10.14. У прока­
риот гены непрерывны, и поэтому они не ну­
ждаются в только что описанном посттрансляционном процессинге.
VIII. Транспортные РНК (тРНК)
Траспортные РН К (тРНК), несущие ак­
тивированные аминокислоты, взаимодей­
ствуют с м РН К и рибосомами в процессе
белкового синтеза (разд. Д). Различные
тРН К имеют подобные, но не идентичные
размер и структуру, содержат около 74-93
оснований. Н а примере вторичной струк­
туры цитоплазматической тРН К растений
(водорослей) (рис. 10.15) можно проиллю­
стрировать характерные особенности этой
молекулы. Это структура типа «клеверный
лист» со спирализованными областями,
в которых основания спарены водород­
ными связями, и петлями, образовавши­
мися неспаренными основаниями. Одна та­
кая петля несет антикодон, т.е. такой
триплет в молекуле тРН К, который непос­
редственно взаимодействует с мРН К
(разд. Д.Н). Кроме того, в молекуле тРН К
имеется небольшое дополнительное плечо,
или изменчивая петля. З'-конец тРН К , нахо­
дящийся на стебле, акцептирующем амино­
кислоту, заканчивается у всех тРН К после­
довательностью ССА. В настоящее время
для некоторых тРН К установлена третич­
ная структура. У
многих
митохон­
дриальных тРН К обнаружены структурные
особенности, не укладывающиеся в рамки
обобщенной структуры тРН К. Так, напри­
мер, у тРН К из митохондрий человека от­
сутствует одно из плеч.
Молекулы, исходно транскрибируемые
с генов для тРН К, намного больше, чем
функциональные молекулы тРН К. Эти
предшественники могут содержать одну или
несколько молекул тРН К . Лишние нуклео­
тиды удаляются специфическими нуклеазами упорядоченным путем с образованием
зрелых тРН К. Встречается ряд других посттрансляционных модификаций-например,
метилирование основания или рибозы при
С-2', восстановление по С-4,5, замена в уридине атома кислорода на атом серы при С -2
и С -6 (рис. 10.16). В случае метилирования
уридина при С-5 образуется риботимидин.
Кроме того, может просиходить внутримо­
лекулярная перестройка с образованием х|/уридина (10.18). Пурины также подвергают­
ся метилированию и тиолированию; кроме
того, к аденину (к атому азота при С-6 ) мо­
жет присоединяться изопентильный оста­
ток. Такие молекулы в свободном состоя­
нии действуют как растительные гормоны
(разд. А и гл. 15 разд. Г).
IX. Рибосомная РНК (рРНК)
У эукариот рибосомная РН К цитоплаз­
матических рибосом (гл. 3 разд. Б. III)
(рРНК) образуется путем транскрипции
в ядрышке. Первичный продукт транскрип­
ции седиментирует при 45S и имеет мол.
3’- конец
(
А —ОН —1
£
5'- конец
1
(Р>-А:: ::V
G ii :!С
1
С1 :: ::6
U:: ■■А
I
1
G:
: iiC1
I
1
1
А:: ::U
G :: ••С
\
Ч
C - G - C - m 2G -m ‘ G»-U
V
J
Акцепторный
стебель
G -C -G — Ф
Вариабельная петля
АнтикодоноОая петля
Антикодон
Рис. 10.15. Вторичная структура цитоплазмати­
ческой инициаторной тРНК (тРНК^е|) Scenedesmus obliquus (рисунок любезно предоставлен док­
тором D.S. Jones). От-2'-метилрибозилгуанин,
D - 5,6-дигидроуридин,
Ч*- псевдоуридин,
т 5С - 5-метилцитидин, m1А - 1 -метиладенозин,
m1G -1 -метилгуанозин; m2G - М2-метилгуанознн, m7G —7-металгуанозин, t 6A -N 6-(N-TpeoHiinкарбонил)аденозин.
массу около 4,1 • 10б. Затем он подвергается
посттрансляционным изменениям: вначале
происходит метилирование некоторых ну­
клеотидов при С-2' и, вероятно, превраще­
ние некоторых остатков уридина в остатки
\|/-уридина. После этого молекула гидроли­
зуется, распадаясь на ряд фрагментов, один
из которых (28S, 18S и 5,8S) включаются
в рибосомы, а другие (спейсеры) разру­
шаются. Расщепление молекулы, просле­
женное в электронном микроскопе, показа­
но схематически на рис. 10.17. О бразую ­
щиеся в результате молекулы тР Н К могут
теперь включаться в функциональные рибо­
сомы. Рибосомные белки, синтезируемые
в цитоплазме, движутся к ядрышку, где про­
исходит сборка характерных для эукариот
, метилиро­
вание
-Гидрирова­
ние
N ;
. Метилиродание
Рис. 10.16. Некоторые типы посттранскрипционной модификации, которой может подвергаться
уридин в тРНК.
45 $ <4.1 X 10*1
41 s <3.1 х ю * »
32 S (2.1 X 10* l
28 S ( 1 7 X 10*J
S.8 S (S X 104 )
20 S (0.9 X I06 )
18 S <0.65 X 10*)
Рис. 10.17. Образование у эукариот рРН К из 45Sпредшественника. В скобках указаны примерные
значения молекулярной массы.
808-рибосом путем взаимодействия между
белками, 18S, 28S, 5,8S-pPHK и 5SPHK. По­
следний тип РНК образуется независимо
вне ядрышковой области ядра. Интактная
рибосома может диссоциировать на две суб­
частицы -40S и 60S; первая содержит
18S-PHK плюс белок, а вторая-25S-, 5,8Sи 5S-PHK плюс белок. В 40-8-субчастице со­
держится около 30 белков, а в 608-субчастице-около 40. Размер рибосомы у эукариот
больше, чем размер рибосомы у прокариот,
которая является 708-частицей, диссоции­
рующей на 30S- и SOS-субчастицы. Важно
подчеркнуть, что рибосомы хлоропластов
(70S) относятся к прокариотическому типу.
Рибосомы митохондрий тоже напоминают
рибосомы прокариот, но содержат, вероят­
но, больше белка.
В процессе синтеза белка рибосомы агре­
гируют, образуя полирибосомы, или поли­
сомы (разд. Д-IV).
Теперь, после того, как мы рассмотрели
различные типы РНК, содержащиеся в клет­
ке, и строение рибосом, на которых осу­
ществляется синтез белка, мы можем перей­
ти к деталям белкового синтеза.
Д. СИНТЕЗ БЕЛКА
I. Трансляция
Синтез белков включает перенос инфор­
мации, записанной определенной последо­
вательностью оснований в специфической
мРНК, к системе, осуществляющей синтез
полипептидной цепи, последовательность
оснований в которой диктуется данной
мРНК. Это означает, что четыре основания
в мРНК должны быть организованы таким
образом, чтобы направлять синтез белка
в системе, в которой имеются двадцать про­
теиногенных аминокислот. Этот процесс на­
зывается трансляцией, а направляющим сиг­
налом служит специфическая последова­
тельность трех оснований, считываемая
в направлении от 5'-конца к З'-концу. Ка­
ждая такая последовательность трех осно­
ваний (триплет) называется кодоном. Три­
плеты считываются последовательно, не
перекрываясь. Всего существует шестьдесят
четыре кодона (триплета). Нет необходимо­
сти вдаваться здесь в подробности о том,
как был раскрыт генетический код; доста­
точно лишь сказать, что различные кодоны,
соответствующие различным аминокисло­
там, приведены в табл. 10.1. Генетический
Таблица 10.1. Генетический код (последователь­
ность оснований в кодонах мРНК, кодирующих
аминокислоты)
Среднее основание
Основание на
5'-ОН-конце
и
с
А
и
с
A
G
Phe
Phe
Leu
Leu
Leu
Leu
Leu
Leu
lie
lie
lie
( Met
fMet
Val
Val
Val
f Val
I (Met
Ser
Ser
Ser
Ser
Pro
Pro
Pro
Pro
Thr
Thr
Thr
Thr
Tyr
Tyr
Терм
Терм
His
His
Gin
Gin
Asn
Asn
Lys
Lys
Cys
Cys
Терм
Trp
Arg
Arg
Arg
Arg
Ser
Ser
Arg
Arg
и
с
Ala
Ala
Ala
Ala
Asp
Asp
Glu
Glu
Gly
Gly
Gly
Gly
и
I
G
Основание на
З'-конце
Ala-Аланин
Arg - Аргинин
Asn - Аспарагин
A sp -Аспарагиновая кислота
C yi- Цистеин
G ln -Глутамин
G lu -Глутаминовая кислота
G ly -Глицин
H is-Гистидин
lie-Изолейцин
Leu-Лейцин
А
G
и
С
А
G
и
С
А
G
С
А
G
Lys- Лиэин
Met - Метионин
fMet - N-формилмегионин
Phe- Фенилаланин
Рго- Пролин
Ser- Серии
Thr- Треонин
Тгр- Триптофан
Tyr- -Тирозин
Val- -Валин
Терм-Терминирующие ко­
доны
Антикодон дрожжевой тРнклеа с —G — 15
5'
G -C -U
з'
Кодоны,узнаваемые дрожжевой. Q _ r _ r
гда/r" »
| 0_с _ ^
Неоднозначное
положение
Спаривание при взаимодействии антикодон- кодон
Антикодон(тРНКЛеа)
3C
Кодон (н РНК)
- G —I 5
G —С
5'
Рис. 10.18. Примеры спаривания антикодон— ко­
дон для аланина, иллюстрирующие неоднознач­
ное соответствие. I-и н о зи н , структура которого
показана на рис. 10 .1 .
код вырожденный: более одного кодона ко­
дируют одну и ту же аминокислоту. Ко­
доны, обозначенные терм (табл. 10.1),
а именно UAA, UGA и UAG, завершают
(терминируют) синтез пептидной цепи и на­
зываются соответственно терминирующими
кодонами (разд. Д.7). Ранее их называли
бессмыленными (нонсенс) кодонами. Другие
триплеты, например, AUG и у прокариот
GUG, кодирующие метионин, называются
кодонами инициации (разд. Д-V). В коде нет
никаких знаков препинания, кроме точек
(термирующие кодоны).
II. Спаривание кодонов и антикодо­
нов
Кодон мРНК должен спариваться с ан­
тикодоном соответствующей тРНК. Одна­
ко при детальном рассмотрении это поло­
жение следует уточнить. Первые два основа­
ния кодона, начиная с 5'-конца, постоянны,
тогда как последнее основание (З'-конец ко­
дона) может быть различным. Такая степень
свободы объясняет в большой мере вырожденность кода. Например, четыре кодона,
кодирующие аланин, начинаются все с GC,
но могут при этом различаться по последне­
му основанию. Этот аспект вырожденное™
получил название гипотезы неоднозначного
соответствия (“шоЬЫе”-гипотеза, гипотеза
качаний). Антикодоны некоторых тРНК, как
известно, зачастую содержат модифициро­
ванные нуклеозиды, такие, как инозин и 5-N-
3C
U
-G -I5
3C
G -C -C
3
5
-G -IS
G -C -A
3
5
3'
метиламинометил-2-тиоуридин (10.19). Ин­
тересно, что эти модифицированные нуклео­
зиды находятся на 5'-конце антикодона, т. е.
соответствуют неоднозначному положению
в кодоне. На рис. 10.18 это проиллюстриро­
вано на примере антикодона, спаривающе­
гося с кодоном аланина.
III. Активация аминокислот
Коль скоро все готово для биосинтеза
белка, на первом этапе аминокислота связы­
вается с соответствующим ферментом,
образуя комплекс аминоациладенилат—
фермент [уравнение (10.7)]. На следующем
этапе этот комплекс должен распознать со­
ответствующую тРНК и связаться с ней.
Как это происходит-до сих пор остается за­
гадкой. За этим следует перенос аминокис­
лоты в положение 2'-0н или З'-ОН на ССАконце тРНК [уравнение (10.8)].
IV. Основные реакции синтеза бел­
ков
мРНК после того, как она образовалась,
связывается с рибосомами, которые пере­
двигаются по ее длине, переводя заложенО
Аминоацил-т РНК-синтетаэа,
специфическая в отношении
аминокислота/
L - аминокислота
(10.7)
NH3
О
Т
II
________ ,
О
»
II
Н О
I
О'
О
II
1
RmiC»"C — О —P - О — Риб— Ад ФЕРМ +
п
О - Р —О - Р — ОН
;____ I J
I
I
О"
Комплекс аминоациладенилат -
О"
Пирофосфат
фермент
0
II
----------- 1
- Р —О —Риб — Ад' ФЕРМ
1
_J
О"
Специфическая тРНК
Комплекс аминоациладенилат фермент
( 10.8 )
Н
1
—C""C""R
II I
О
NH3
Аминоацил- тРНК
Риб-рибоза, Ад-аденин, ФЕРМ-фермент.
ную в ней информацию в полипептидную
цепь. Во время этого процесса т Р Н К по­
ставляю т аминокислоты
к комплексу
м Р Н К — рибосомы и ставят их в точное по­
ложение, в котором они связываются между
собой в правильной последовательности.
Таким образом, синтез белка происходит на
рибосоме, которая долж на обладать спо­
собностью связывать как м Р Н К , так
и тРН К . Имею тся два участка для связыва-
+
0
II
' О - Р - О — Р и б - Ад + ФЕРМ
1
АминоацилтРНК-синшета за
О
АМР
ния тР Н К , известные как P -участок (пептидильный или донорный участок) и А-участок (акцепторный участок). С Р-участком
связана тР Н К , несущая растущую полипеп­
тидную цепь, тогда как с A-участком связы­
вается тР Н К , несущая следующую амино­
кислоту, которая должна присоединиться
к растущей цепи. м Р Н К транслируется в
(5' -* 3 ')-налравлении, и первая аминокисло­
та является N -концом завершенной полипептидной цепи. Статическая картина рибо­
сомы, синтезирующей белок, приведена на
рис. 10.19. О днако следует иметь в виду, что
ит.д
Направление считывания кодонов
Рис. 10.19. Д иаграм м а, показывающ ая, как
к м РН К , связанной с рибосомой, присоединяют­
ся тР Н К в пептид ильном (Р) и аминоацильном
(А) участках рибосомы в цитоплазме эукариоти­
ческих клеток ■ □ а в в и В различные ами­
нокислотные остатки.
in vivo с одной мРНК связано несколько ри­
босом, образующих полисому. В полисомах
на каждой рибосоме находится растущая
полипептидная цепь, длина которой тем
больше, чем ближе рибосома к точке терминации, где происходит освобождение поли­
пептида и рибосомы, которая снова всту­
пает в синтез белка, обусловливая таким
образом цикличность процесса (рис. 10.20).
Максимальная частота расположения рибо­
сом на мРНК-приблизительно одна рибо­
сома на восемь нуклеотидов.
V. Инициация синтеза белка*
Процесс инициации синтеза, рассматри­
ваемый в этом разделе, и процессы элонга­
ции и терминации, рассматриваемые со­
ответственно в разд. VI и VII, исследова­
лись более интенсивно у бактерий (т.е.
у прокариот), таких, как Е. coli, по сравне­
нию с другими организмами. Поэтому про­
цессы инициации, элонгации и терминации
у прокариот изучены значительно лучше,
хотя, и это следует подчеркнуть, полной яс­
ности в этом вопросе пока нет. Этого невоз­
можно достичь до тех пор, пока не будет вы­
яснена функция многочисленных белковых
компонентов рибосомных субчасгиц. Мы
располагаем достаточно большим количе­
ством данных о механизмах этих процес­
сов в цитоплазме, митохондриях и хлоропластах эукариотических клеток, чтобы
считать, что эти механизмы по сути
такие же, как и у прокариотических клеток,
хотя и имеются небольшие различия. На­
иболее очевидное различие состоит в том,
что рибосомы в цитоплазме эукариотиче­
ских клеток представляют собой 808-час­
тицы (40S- + 60-субчастицы), тогда как в
митохондриях и хлоропластах, подобно
бактериям, они являются 708-частицами
(30S- + 50-субчастицы). Действительно, на­
капливается все больше данных о том,
что синтез белка в митохондриях и хло­
ропластах напоминает больше синтез бел­
ка у прокариот, чем синтез белка в ци­
топлазме, в которой находятся данные
органеллы. Это прекрасно согласуется с
Рис. 10.20. Схематическое изображение полири­
босомы, состоящей из четырех рибосом, располо­
женных одна за другой в пределах одного цистрона полицистронной молекулы мРН К (т.е. на
участке, кодирующем один белок). М С - малая
субчастица рибосомы (30S у прокариот, в мито­
хондриях и хло ро пластах, но 40S в цитоплазме
эукариот); Б С - большая субчастица рибосомы
(50S у прокариот, в митохондриях и хлоропластах, но 60S в цитоплазме эукариот); Р П Ц - ра­
стущая полипептидная цепь; ЗПЦ-заверш енная
полипептидная цепь; И П , - инициаторная после­
довательность, состоящая из кодона-инициатора,
которому предшествует богатый пуринами
участок, узнаваемый рРНК МС; И П 2 -ин и­
циаторная последовательность следующего цистрона; Т , - кодон-терминатор, Т 2 - кодон-тер­
минатор предыдущего цистрона
J
аминоацил-тРНК. Заметьте, что мРНК эукариот-моноцистронные, а мРН К прокариот -полицистронные.
эндосимбиотической гипотезой происхож­
дения митохондрий и хлоропластов в
процессе эволюции (гл. 3, разд. B.V и
RVI.8).
Поскольку лучше всего изучены про­
цессы инициации, элонгации и герминации
у бактерий, они взяты за основу при об­
суждении этого вопроса в этом разделе и
в разд. VI и VII. В тех случаях, где имеются
различия с аналогичными процессами в ци­
топлазме эукариотических клеток, делаются
специальные оговорки.
Первым этапом процесса инициации
у прокариот, в митохондриях и хлоропластах является образование комплекса N-
формилметионин-тРНК
(fMet-TPHK^et).
Этот комплекс способен узнавать инициаторный кодон AUG (или GUG), который
служит сигналом начала последовательно­
сти, кодирующей белок (цистрона) в поли­
цистронной мРНК, и отличает его от вну­
треннего триплета AUG, который также
кодирует метионин (или от внутреннего
триплета GUG, кодирующего валин). Ка­
ким образом это достигается? Ответить на
этот вопрос можно, исходя из двух фактов:
1) fMet-TPHKpet может связываться только
в P-участке рибосомы (см. рис. 10.19), тогда
как все другие аминоацил-тРНК могут
связываться только в A-участке, и 2) инициаторный кодон AUG (или GUG) специфиче­
ски располагается в P-участке, когда он
связывается с рибосомой путем образова­
ния водородных связей между короткой по­
следовательностью пуриновых нуклеотидов
вблизи (и на 5'-стороне) инициаторного ко­
дона и комплементарной последователь­
ностью пиримидиновых нуклеотидов вбли­
зи З'-конца 16S-pPHK ЗОБ-субчастицы. Сле­
довательно, только fMet-TPHKr®1 может
связываться с инициаторным кодоном.
тРНК, несущая к рибосомам N-формилметионин, отличается от тРНК, которая
встраивает метионин во внутреннем поло­
жении; первая обозначается как тРНКре‘,
а вторая как тРНКщ®1. Связывание метион­
ина с обоими тРНК катализируется одной
и той же аминоацил-тРНК—синтетазой
[уравнение (10.7) и (10.8)]; при этом обра­
зуются Met-тРНК?4 и Met-TPHKmet. Затем
специфическая N-формилтрансфераза11 ка­
тализирует перенос формильной группы от
fMet
А
С
РиВосомная
c i®
50S-cy6vacmuua
Met
fMet-TPHKf
fM et
Q
A
-AUG
I
I
I
д
^
а ,
3'
I
* 1®
XYZ------- 3'
мРНК
I
I
h r 1 -* -1
(-\bSpPHK
Рибосомная 30 S- субчастица
♦
GTP____
jTTTj
,
- Н В В Ш — lAUClXYZJ-
(Ц ТТП
p-
A
* (~U&pPHK
Инициаторный
30s комплекс
Инициаторный
70s комплекс
GTP
I F -1 * IF -2 и I F - 3
Рис. 10.21. Схематичное изображение вероятного
механизма инициации синтеза белка у прокариот.
fM e t-N -формил-Ь-метионин;
A U G - инициа­
торный кодон; X Y Z -кодон на З'-стороне инициаторного кодона; —■■■— короткая последова­
тельность пуриновых нуклеотидов на S'-стороне
инициаторного кодона, связывающаяся водо­
родными связями с комплементарной последова­
тельностью пиримидиновых нуклеотидов вблизи
З'-конца 16S-pPHK рибосомной ЗОБ-субчастицы
и располагающая тем самым инициаторный ко­
дон в P -участке. Р-пептидильны й участок, А аминоацильный участок; JF = 1, JF = 2 и JF =
= 3 -белковы е факторы инициации.
N1°-формилтетрагидрофолята к амино­
группе Met-TPHKf 1 с образованием
fMet-TPHKf4®1. Эта формилтрансфераза не
использует в качестве субстратов сво­
бодный метионин или Met-TPHKmet.
При инициации синтеза белка в цито­
плазме эукариотических клеток инициа­
торный кодон узнается комплексом
Met-тРНК, а не комплексом fMet-тРНК.
И здесь имеются две метиониновые тРНК:
одна несет метионин к инициаторному ко­
дону, а другая-к внутреннему кодону. Пер­
вая обозначается как тРНК; et, а
вторая-тРНКю*1. Только Met-TPHK,^et мо­
жет связываться с инициаторным кодоном,
который, как и у прокариот, находится в Ручастке. Цитоплазматическая Met-TPHKj
млекопитающих может легко формилиро-
ваться бактериальной формилтрансферазой, но та же РНК растений в зависимости
от вида либо совсем не формилируется, ли­
бо формилируется с трудом. Причина этого
неясна, поскольку цитоплазматические
тРНКге1 из различных эукариот-растений
или животных - имеют значительную гомо­
логию в последовательности нуклеотидов.
После образования fMet-TPHKf et про­
цесс инициации у прокариот продолжается,
как это показано на рис. 10.21. На первом
этапе (а) образуется комплекс между 30Sсубчастицей, мРНК, fMet-TPHK^et и GTP
в присутствии трех белковых факторов ини­
циации, обозначаемых как IF-1, IF-2 и IF-3.
IF-3 участвует в связывании мРНК с рибо­
сомной 308-субчастицей и, кроме того, в от­
сутствие молекулы мРНК препятствует ас­
социации 50S- и ЗОБ-субчастиц, ведущей
к образованию нефункциональной 70S-dhбосомы. IF-2 комплексуется с fMet-TPHKret
и GTP и затем связывается с комплексом
мРНК—ЗОВ-субчастица. IF-1, по-видимому,
также усиливает связывание fMet-TPHKf
в инициаторном комплексе с ЗОБ-субчастицей, однако точная его роль пока не ясна.
У эукариот этап а процесса инициации
синтеза белка в цитоплазме заключается
в образовании инициаторного комплекса
с 408-субчастицей. Известно, что на этом
этапе Met-тРНК,- 1 связывается с 40S-cy6частицей раньше, чем произойдет связыва­
ние мРНК и что в образовании инициатор-
R'
I
NH
R—С —Н
С= °
NH
R—С—Н
I
с= о
I
ОН
м
...
о
-А
-С
■V
ж
Р-участок
R - боковая цепь аминокислоты; R '-пептидилъный остаток или Н или СНО, если R - бо­
ковая цепь инициаторной ам инокислоты -м е­
тионина.
ного комплекса участвуют три фактора
инициации, обозначаемые как eIF-1, eIF-2
и eIF-3.
Следующим этапом (б) процесса инициа­
ции у прокариот является связывание 50Sсубчастицы с образованием инициаторного
рибосомного комплекса 70S. На этом этапе
связанный GTP гидролизуется до GDP и P t,
которые вместе с факторами инициации ос­
вобождаются из комплекса в окружающую
среду.
У эукариот на этапе б в цитоплазме про­
исходит связывание бОБ-субчастицы с обра­
зованием рибосомного инициаторного SOSкомплекса.
VI. Элонгация пептидной цепи*
После образования инициаторного 705комплекса начинается процесс элонгации,
схематично изображенный на рис. 10.22. Он
состоит из трех этапов: 1) связывания водореакции
-С
г®
Р-участок
А-участок
(10.9)
А-участок
родными связями соответствующей аминоацил-тРНК со свободным кодоном в Аучастке рибосомы (а); 2) образования пеп­
тидной связи (б) и 3) транслокации (в и г).
На первом этапе (а) в свободный
A-участок доставляется аминоацил-тРНК,
и своим антикодоном, комплементарным
кодону в свободном A-участке, связывается
водородными связями с кодоном, пока еще
находящемся в комплексе с цитозольным
белковым фактором элонгации EF-Tu, ко­
торый в свою очередь содержит GTP.
Связывание аминоацил-тРНК в соответ­
ствующем положении ведет к освобожде­
нию EF-Tu и гидролизу связанного GTP до
GDP. Высвободившийся комплекс GDP—
EF-Tu связывается с другим цитозольным
белковым фактором элонгации EF-Ts с ос­
вобождением GDP. Затем к EF-Tu-компо­
ненту бинарного комплекса присоединяется
GTP, вызывая освобождение EF-Ts. Это
приводит к регенерированию GTP—EF-Tu,
который может затем участвовать в присое­
динении другой аминоацил-тРНК к ком­
плексу мРНК—рибосома.
GTP—EF-Tu может связываться со все­
ми аминоацил-тРНК, за исключением
fMet-TPHKf4®*. Следовательно, последняя
не может занять A-участок. Этим и объяс­
няется тот факт, что внутренние кодоны
AUG
(или
GUG)
не
узнаются
fM et-TPHKpet.
Когда и Р-, и А-участкн на рибосоме за­
няты, может происходить вторая стадия
процесса элонгации-образование пептид­
ной связи (б). Эта реакция катализируется
пептидилтрансферазой 12 - ферментом, ко­
торый является одним из белковых компо­
нентов 508-субчастицы. Остаток N -формилметионина перебрасывается от TPHKf 1
в P -участке на аминогруппу аминоацилтРН К в A-участке [уравнение (10.9)].
Затем происходит третья стадия процес­
са элонгации-транслокация (в и г) в присут­
ствии третьего фактора элонгации, называе­
мого EF-G или транслоказой. Э тот фактор,
содержащий G TP, связывается с рибосомой
и вызывает освобождение тР Н К |^ е1 из Ручастка (в). Он, по-видимому, облегчает так­
же перенос пептидил-тРНК из А-участка
и P-участок и одновременно перемещение
рибосомы по цепи м Р Н К на один кодон
в направлении 5' -* 3'. Эти продвижения со­
провождаются
освобождением
EF-G
в окружающую среду и гидролизом G T P до
G D P и Л (г).
В результате транслокации освобо­
ждается A-участок рибосомы и завершается
первый цикл элонгации, в котором N -формилметионин удлиняется до дипептида. За­
тем следует второй цикл, приводящий
к образованию трипептида, а затем -п о сле­
дующие циклы элонгации, и так до тех пор,
пока не завершится синтез закодированного
белка. После этого происходит процесс
терминации.
VII. Терминация синтеза белка*
Элонгация пептидной цепи продолжает­
ся до тех пор, пока рибосома, перемещаю­
щаяся от кодона к коду по цепи м РН К , не
достигнет кодона-терминатора и он не зай­
мет A-участка. Существуют три термини­
рующих кодона: UAG, UAA, UGA. По­
скольку в нормальных клетках не имеется
каких-либо тР Н К с антикодоном, компле­
ментарным кодонам-терминаторам, то, сле­
довательно, нет и аминоацил-тРНК, ко­
торые могли бы занять A-участок, освобо­
дившийся
после
этапа
транслокации
в предыдущем цикле элонгации.
Однако кодоны-терминаторы в А-участке узнаются двумя факторами освобожде­
ния белка, обозначенными RF-1 и RF-2 (от
англ. Releasing F acto r-иерее.). RF-1 узнает
UAG и UAA, a R F -2-U A A и UGA. Фактор
освобождения связывается с кодоном-терминатором (<)); здесь мы сталкиваемся
с примером точного узнавания белком ну­
клеотидной последовательности. Такое
связывание, вероятно, изменяет специфич­
ность пептидилтрансферазы в 508-субчастице рибосомы так, что она переносит пептидильный остаток с пептидил-тРНК, находя­
щейся в P -участке, на молекулу воды вместо
аминной группы аминоацил-тРНК, обычно
располагающейся в A-участке (е). Таким
образом происходит эффективный гидролиз
эфирной связи между пептидильным остат­
ком и тР Н К [уравнение (10.10)].
За освобождением пептидной цепи сразу
же следует диссоциация фактора освобо­
ждения, м Р Н К и рибосомной субъединицы
(ё), которая может или вступить в новый
цикл, или разрушиться.
Терминация в цитоплазме эукариотиче­
ских клеток, по-видимому, происходит так
же, как у прокариот, с той, однако, особен­
ностью, что обнаружен всего лишь один ос­
вобождающий фактор.
VIII. Посттрансляционная модифи­
кация белков
Многие полипептиды, синтезированные
путем трансляции м РН К , подвергаются
посттрансляционной модификации. Так,
у прокариот удаляется формильная группа
от N -концевого остатка N -формилметионина под действием деформилазы; как
у прокариот, так и у эукариот иногда уда­
ляется далее путем гидролиза N -концевой
метионин, пока синтез полипептидной цепи
продолжается. Аминопептидазы могут даже
удалять несколько аминокислот с N -конца.
В случае некоторых белков, особенно тех,
которые экскретируются из клетки или
транспортируются из одного компартамента в другой, новосинтезированный белок
имеет на N -конце сигнальную последова­
тельность, которая удаляется во время или
после процесса транслокации. Модифика­
ции могут подвергаться боковые цепи неко­
торых аминокислот в полипептидной цепи.
R’
R'
I
I
NH
NH
H
1б*
o=c:
r\
о
H
OH
COOH
H ,0
H*
OH
( 10. 10)
RF-2
А-участок
R - боковая цепь С-концевой аминокислоты;
R'-пептидальный остаток; * специфичность
фермента модифицируется белковым фактором
освобождения RF-1 или RF-2, связанным
в А-участке.
Примерами такой модификации служат 1)
окисление двух остатков цистеина с образо­
ванием дисульфидного «мостика», 2 ) гидроксилирование остатков пролина в экстенсине-белке клеточной стенки (гл. 4,
разд. Б.Ш.2), 3) присоединение остатков са­
харов к остатку аспарагина при образова­
нии гликопротеинов (гл. 7, разд. Г.П.6 ), 4)
фосфорилирование гидроксильной группы
серина [или тирозина -и е р е е .] у некото­
рых ферментов, например фосфоглюкомутазы
[NAD-глутамат—дегидрогеназы
дрожжей -и ер ее.], и 5) присоединение простетических групп, таких, как биотин в карбоксибиотин-переносящем белке и кофермент А в ацилпереносящем белке (в синтетазе жирных кислот) (гл. 8 , разд. B.I.1).
IX. Геном хлоропласта
1. Кодирующая емкость
Хлоропластный геном находится в виде
множественных копий, тогда как ядерный
геном является гаплоидным. Из этого сле-
А-участок
дует, что в хлоропласте содержится значи­
тельно меньше генетического материала,
чем в ядре (10- 4 от количества в ядре), и да­
же еще меньше доступной генетической ин­
формации (0,3 ■10-5 -1 • 10" 5 от информации
ядерного генома). И все же, как показывают
расчеты, в геноме хлоропластов имеется до­
статочно информации для кодирования
рРНК, тРНК и 100-300 белков в среднем
с мол. массой 40000. На деле в хлоропластах высших растений существуют по два
неперекрывающихся гена для 23S- и
16S-pPHK и только по одному гену для
каждой тРНК. Достоверно установлено,
что в хлоропластной ДН К закодирова­
ны два белка: большая субъединица
рибулозобисфосфат-карбоксилазы 13 и бе­
лок
белковохлорофильного
комплекса
фотосистемы I. Из этого следует, что
большая часть хлоропластной Д Н К несет,
очевидно, регуляторную функцию.
2. Биосинтез хлоропластной ДНК
Механизм репликации хлоропластной
ДНК у высших растений пока не устано­
влен. Однако известно, что у Chlamydomonas
и Euglena она реплицируется по полуконсервативному механизму (эксперименты Меселсона-Сталя).
Результаты опытов с ДНК хлоропла­
стов гороха и кукурузы свидетельствуют
50 s TfMety
]
1
|
У
Н
Ш
“4 A U G | X Y Z
70 S Инициаторньш
комплекс
/
/
У
У
£ £ ? „ е!!% ие и т л Ы
элонгации
Т
г
>
G TP
EF-G
E F -G (| t p
+
fMel
ti
EF-G (5
(GTP
GDP
+
Pi
Пептидил трансферам
{в50 S - субчас­
ти ц а )
[см.ур.(Ю.9Я
fMet
тРнкУ"
fMel
11,0
V
s'...
Ш
A
u c jx
F
Y
z lx*r 1*—.. 3'
“/ V
I Начало процесса терминации,
I когда кодон UAO, UAA и л и UC-A
I достигнет А -участ ка
\
fMet
FMei
i ,
COOH
Полипептид
+
мРНК
[Си.ур.ц o . iol 7
з’
Рис. 10.22 Схематичное изображение этапов
элонгации и терминации белкового синтеза
у прокариот. Tu, T s - факторы элонгации EF-Tu
и EF-Ts соответственно; EF-G -другой фактор
элонгации, часто называемый транслоказой;
RF-1 -ф актор освобождения 1, который узнает
кодоны-терминаторы UAG и UAA (другой фак­
u
RF-1
+
.10s - субчастица
+
so s - субчаст ица
тор освобождения RF-2 узнает UGA и UAA);
AUG - инициаторный
кодон; XYZ,
X'Y'Z'
и X"Y"Z" - различные кодоны в цепи мРНК;
fMet - 1Ч-формил-Ь-метионин; Р - пептидильный
участок; А - аминоацильный участок; ■ - амино­
кислота; || -тР Н К .
Хлоропластная ДНК(Хп-днк)
I
~ 38S-предшественник Хп-рРнк
( мол. масса 2,7•10е)
S -предшественник Хп-рРНК
[мол. масса 1,2 •10е)
№S -предшественник Хп -рРНК
( мол. масса 0,65•10е)
16S -рРНК
( мол. масса 0,56-Юв)
\
1
23S-pPHK
(мол. масса 1,05 •10*)
Рис. 10.23. Пост-транскрипционный процессинг
рибосомной РНК в хлоропластах шпината.
ММ-молекулярная масса.
о том, что механизм репликации включает
образование замещенных петель (D-петли)
и таких промежуточных структур, как «раз­
матывающиеся рулоны».
3. Рибосомы хлоропластов
Хлоропластная рибосома, как уже отме­
чалось, является 708-частицей, тогда как ци­
топлазматическая рибосома в растительной
клетке-808-частицей. Между 70S- и 805-ри­
босомами растений имеются и другие раз­
личия. Например, различная чувствитель­
ность к антибиотикам: синтез белка на
708-рибосомах ингибируется хлорамфениколом, но не циклогексимидом, а на 805-ри­
босомах-все наоборот. Рибосомы хлоро­
пластов диссоциируют на 50S- и ЗОБ-субчастицы при низкой концентрации Mg2+
и могут реассоциировать при увеличении
концентрации Mg2+. Для диссоциации 805рибосом требуется продолжительный диа­
лиз в отсутствие Mg2+; добавление Mg2+ не
вызывает реассоциации. Синтез белка на
705-рибосомах начинается с N -формилметионина, а не с метионина.
705-рибосома содержит около 50 белков:
примерно 20-30 белков связано с ЗОБ-субчастицей, а 3 0 -4 0 - с 505-субчастицей. Эти бел­
ки отличаются от белков 805-рибосомы той
же растительной клетки. Многие белки хлоропластных 705-рибосом закодированы
в ядерном геноме и синтезируются в цито­
плазме на 805-рибосомах, хотя рРН К этих
I
4.5$-рРНК.
(мол. масса 3,3-Ю )
рибосом транскрибируюся с хлоропластной
ДНК. Механизмы координации клеточных
активностей, приводящие к образованию
и сборке функциональных 705-рибосом, по­
ка не выяснены.
4. Хлоропластная рРНК
Основные различия между хлоропластными и цитоплазматическими рРНК
суммированы в табл. 10 .2 .
Как показали опыты по гибридизации
Д Н К —РН К и изучению биосинтеза, изоли­
рованные хлоропласта могут синтезиро­
вать свои рРНК, причем в виде больших
предшественников-подобно тому, как син­
тезируются цитоплазматические рРН К
(разд. Г.1Х). Схематическое изображение
процессинга предшественников приведено
на рис. 10.23.
Таблица 10.2. Сравнение свойств рРНК из хло­
ропластов и цитоплазмы высших растений
Хлоропластиые
рРНК
Размер, молеку­
лярная масса 23S; 1,1-10®
16S; 0,6-10®
5S*; 0,4 -105
4,5S; 0,3 -10*
Содержание
GC, %
55,9
Размер, молеку­
лярная масса
предшествен­
ников
23S; 1,16-10®
16S; 0,65-10®
Цитоплазматические рРНК
25S;
18S;
5,8S;
5S*;
54,6
“ Эти рРНК различаются между собой.
1,3-10®
0,7 10®
0,5-105
0,38-10*
^ 3-конец
А -О Н -
к
5 -коней,
Акцепторный стебель
1
С ::
1 4
А:: ■'•V
z'
С
I
и
V
Gт
G5
I1 551#
I1
GI :: ПС1
1
А:: ::U “
/
v с—G
(
-U —С—С
-G— A—G—A—U
IV
С
G —С— U— С-
ml G
J
III
m7G
/вариабельная
::A— д — ii
I
I
п е тля
G5i С
I
I
G :: l:C
I
I
G:U:C
I
I
S G :* \ "
C
A
I
i
n
V
Антикодоновая
петля
J
Антиковон
Рис. 10.24. Вторичная структура инициаторной
тРНК хлоропластов Scenedesmus obliquus, т.е.
тРНК^е'. (Рисунок любезно предоставлен докто­
ром D.S. Jones.) тгО-М^-диметилгуанозин;
Т-риботимидин; все остальные обозначения нуклеозидов-см. подпись к рис. 10.15.
И з хлоропластов выделена РНК-полимераза, свойства которой пока еще изучены
недостаточно полно.
5. Хлоропластная мРНК
Существование хлоропластной м РН К ,
по крайней мере для большой субъединицы
рибулозобисфосфат-карбоксилазы, хорошо
установлено (гл. 5, разд. Г.Н). О на трансли­
руется только на 708-рибосомах. Э то до­
казывает, что в хлоропластах автономно
происходит реализация генетической ин­
формации, т.е. и транскрипция, и трансля­
ция. Пока еще неясно, содержат ли мРН К
хлоропластов концевой ро 1у(А)-фрагмент,
характерный
для
цитоплазматической
м РН К . Однако в последнее время были по­
лучены данные, свидетельствующие о том,
что в некоторых хлоропластных м РН К , повидимому, имеется такой poly (А)-хвост.
Каков же механизм, позволяющий хлоропластным м РН К узнавать 708-рибосомы
и не реагировать на 808-рибосомы*? Анало­
гичный вопрос справедлив и в отношении
цитоплазматических м РН К , которые, на­
против, взаимодействуют с 808-рибосомами, но не с 708-рибосомами. Возможный от­
вет вытекает из экспериментов с Е. coli,
м Р Н К которой в процессе образования ини­
циаторного
комплекса
связывается
*
Имеются данные о том, что in vitro цито­
плазматические 80S-pH6ocoMbi не проявляют
специфичности к мРНК, т. е. они могут трансли­
ровать мРНК любого происхождения-Прим.
перев.
КЛЕТКА
высшего РАСТЕНИЯ
ЯДРО
Хромосомная ДНК
Транскрипция гена
малой субъединицы
[
ЦИТОПЛАЗМА
мРНК
Пора ядра
МРНК
Аминоацил- т РНК
805 рибосома
тР Н К
Сигнальная
последовательность
Малая субъединица
ХЛОРОПЛАСТ
I- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - и- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1
HzN-Met -ii.i Cys - Met
■
Tyz- СООН
Предшественник малой субъединицы Р3ВФ-карво
ксилазы
Ту?-СООН
Ht N-Met
Ht N-Met—
У
Р
n Пора мембраны, специфическая
шля сигнальной после­
довательности
Cys-Met.
——
Транскрипция гена
большой субъединицы
мРНК
Туг -СООН
I-
н1°
Г Специфическая протеаза
Xs*— ► Сигнальная последо'
вательность
Ht N-Met — —— — Туг СООН
Малая^субъединица
70 5 рибосома
Аминоацил- тРнк
L тРНК
большая субъединица
Рибулозабис фосфат-карбоксилаза
[ в малы у ♦ 8 больших субъединиц7
Рис. 10.25. О бразование
рибулозобисфосфат
(РуБФ )-карбоксилазы (КФ 4.1.1.39; белок фрак­
ции I) в листьях гороха. (Воспроизведено с разре­
шения из P. I. Ellis (1979). Trends in Biochemical
Sciences, 4, 241-244.)
16S-pPHK на З'-конце. На этом участке у
16S-pPHK находится последовательность
CCUCCUUA, тогда как у 18S-pPHK дрож­
жей (эукариот)-GAUCAUUA, что может
представлять два различных центра узнава­
ния. Интересно было бы выяснить последо­
вательности
аналогичных
участков
16S-pPHK хлоропластов и 18S-pPHK цито­
плазмы одного и того же растения.
с
6. Хлоропластные
тРН К и аминоацил-тРН К— синтетазы
Хлоропластные тРНК несколько отли­
чаются по структуре от цитоплазматиче­
ских тРНК; по-видимому, они закодиро­
ваны в хлоропластной ДНК. Так, например,
16 цистронов тРНК было обнаружено в
хлоропластной ДНК кукурузы. тР Н К ^е‘
из хлоропластов Scenedesmus obliquus
(рис. 10.24) напоминает по своей структуре
больше тРН К ^е1 прокариот, чем инициаторную тРНК цитоплазмы S. obliquus
(рис. 10.15). Она содержит все обычные не­
изменные нуклеотиды прокариотической
тРНК, включая важную последователь­
ность GT\|/C в петле IV, которой не обнару-
жено ни в одной инициаторной тР Н К цито­
плазмы (см. рис. 10.15). Другая структурная
особенность инициаторных тР Н К хлоро­
пластов и п р о к ар и о т-это отсутствие пары
оснований между первым нуклеотидом на
5'-конце и пятым нуклеотидом на З'-конце.
Интересно, что в некоторых генах хлоропластной Д Н К имеются интроны, которые
ранее были обнаружены только в ядерных
генах у эукариот.
Аминоацил-тРНК— синтетазы
хлоро­
пластов отличаются от таковых цито­
плазмы. Показано, что метиониновая, валиновая и лейциновая тР Н К хлоропластов
аминоацилируются только хлоропластными ферментами, а цитоплазматические фер­
менты их не узнают.
7, Инициация, элонгация, терминация
Как и у прокариот, синтез белка в хлоропластах начинается с N -формилметионилтРН К . Однако о хлоропластных факторах
инициации имеется очень мало данных. И з­
вестно, что элонгация пептидной цепи тре­
бует по крайней мере три фактора: один,
участвующий в связывании аминоацилтРН К с рибосомой, по-видимому, активи­
руется другим фактором, а третий фактор
участвует в транслокации пептидил-тРНК
из P-участка в A-участок. О терминации
синтеза белка в хлоропластах почти ничего
не известно.
8. Продукты хлоропластного гено­
ма
Полностью идентифицированным про­
дуктом хлоропластного генома является
большая субъединица рибулозобисфосфаткарбоксилазы. Ее м РН К находится в хлоро­
пластах; она синтезируется хлоропластными рибосомами (биосинтез ингибируется
хлорамфениколом, а не циклогексимидом).
Однако малая субъединица синтезируется
в виде белка-предшественника цитоплазма­
тическими рибосомами. Предшественник
имеет сигнальную последовательность ами­
нокислот (из 44 остатков у Chlamydomonas
reinhardtii) на N -конце, которая узнается спе­
циальной «порой» в оболочке хлоропласта.
Когда предшественник проходит через «по­
ру», сигнальная последовательность отще­
пляется под действием специфической протеазы. Восемь таких малых субъединиц
связываются с восемью большими субъеди­
ницами,
образуя
активный
фермент
(рис. 10.25).
В хлоропластной Д Н К закодированы
и такие белки, как цитохром f некоторые
белки мембраны тилакоидов и некоторые
субъединицы сопрягающего фактора CF-1.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Kung S-d. (1977). Expression of chloroplast geno­
mes in higher plants, Ann. Rev. Plant Physiol.,
28, 401.
Hall Т. C., Davies J. W. (1979). Nucleic Acids in
Plants, vols. 1 and 2, C. R. C. Press, Florida, USA.
Flavell R. (1980). The molecular characterization and
organization of plant chromosomal DNA
sequences, Ann. Rev. Plant Physiol., 31, 569.
Davidson J.N. (1981). Biochemistry of the Nucleic
Acids, 9th edn. (revised by Adams et al.), London,
Chapman and Hall.
Ellis R.J. (1981). Chlorophyll proteins; synthesis,
transport and assembly, Ann. Rev. Plant Physiol.,
32, 111.
Ф ЕРМ ЕНТЫ
1. IM P — 1,2-гидролаза (дециклизующая),
КФ 3.5.4.10.
2. ATP : нуклеозидмонофосфат— фосфотрансфераза, КФ 2.7.4.4.
3. АТР : нуклеозиддифосфат— фосфотрансфераза, КФ 2.7.4.6.
4. 2'-дезоксирибонуклеозиддифосфат:
окисленный тиоредоксин— 2 '-оксидоредуктаза, КФ 1.17.4.1.
5. N A D PH : окисленный тиоредоксин— оксидоредуктаза, КФ 1.6.4.5.
6 . U T P : аммиак— лигаза
(образующая
ADP), КФ 6.3.4.2.
7. 5,10-метилентетрагидрофолят:
dU M P — С-метилтрансфераза, КФ
2.1.1.45.
8 . Поли(дезоксирибонуклеотид): поли
(дезоксирибонуклеотид)— лигаза (обра­
зующая АМР), КФ 6.5.1.1.
9. Поли(дезоксирибонуклеотид): поли
(дезоксирибонуклеотид)— лигаза (обра­
зующая АМР, образующ ая NM N), КФ
6.5.1.2.
10. Нуклеозидтрифосфат : Р Н К — нуклеотидилтрансфераза, КФ 2.7.7.6.
11. 10-Ф ормилтетрагидрофолят: L-метионил-тРН К — N -формилтрансфераза, КФ
2.1.2.9.
12. П ептидил-тРНК : аминоацил-тРН К—
— N -пептидилтрансфераза, КФ 2.3.2.12.
13. З-Фосфо-Э-глицерат— карбокси-лиаза
(димеризующая) КФ 4.1.1.39.
ГЛАВА 11
Терпены и терпеноиды
л . ВВЕДЕНИЕ
Биосинтетические возможности растений
поразительны. Легче всего это проиллю­
стрировать на примере группы природных
соединений, называемых терпеноидами.
Обычно термин терпены используется для
обозначения соединений, содержащих целое
число С 5-единиц, независимо от того, при­
сутствуют ли в их молекулах другие эле­
менты, например кислород. Терпеноиды это соединения с различным числом угле­
родных атомов, которые, несомненно, про­
изошли из С 5-единиц. Вероятно, по числен­
ности индивидуальные терпены и терпе­
ноиды превосходят любые другие группы
растительных веществ. В свое время тер­
пены наряду с алкалоидами и фенольными
соединениями (гл. 13 и 14 соответственно)
рассматривали как вторичные растительные
вещества, при этом, по-видимому, исходили
из предположения, что они являются приме­
ром чрезмерной биосинтетической «расто­
чительности» растений. Хотя еще до сих пор
многие терпены считают продуктами «тупи­
кового» звена в обмене ключевых предше­
ственников, в настоящий момент все же ста­
новится очевидным, что существеннейший
для жизни растений процесс фотосинтеза за­
висит от присутствия некоторых про­
изводных терпенов и терпеноидов (каротиноиды, хлорофиллы; гл. 5). Многие расти­
тельные гормоны также относятся к терпеноидам (гл. 15 и разд. Г данной главы).
новной разветвленной С 5-единицы:
Терпены классифицируют, исходя из числа
таких С 5-единиц в молекуле. В табл. 11.1
приведены классификация и основные при­
меры каждого класса. За исключением геми­
терпенов,
сестертерпенов
и
каучука,
в табл. 11.1 приведены соединения, пиро­
фосфаты которых, как правило, являются
важнейшими промежуточными продуктами
биосинтеза. Это станет очевидным из
разд. В. В табл. 11.1 даны также обычно ис­
пользуемые сокращенные формулы этих
соединений.
Иногда изопреноидный остаток изобра­
жается буквами ip. Так, фарнезол описы­
вают символом ip ip ip, указывающим, что
он формально построен из трех остатков ip,
присоединенных «голова к хвосту». Заме­
тим, что разветвленный конец изопреновой
единицы рассматривается как «голова»,
а неразветвленный-как «хвост». Хотя при­
соединение «голова к хвосту» представляет
собой наиболее распространенный способ
связывания изопреновых единиц друг с дру­
гом, встречается также и присоединение
«хвост к хвосту»', в этом случае использует­
ся обозначение ip pi. Данный тип присоеди­
нения обнаружен в центре молекул трии тетратерпенов.
Сквален,
например
(табл. 11 . 1), который формально построен
из двух остатков фарнезола, присоеди­
ненных «хвост к хвосту», обозначается
ip ip ip pi pi pi.
Б. ПРИРОДА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ
II. Гемитерпены
I. Введение
Единственный свободный гемитерпен,
широко распространенный у растений
(табл. 11 .1),-э т о изопрен; обычно он присут­
ствует в крайне малых количествах. По-
Химически все терпены и терпеноиды
можно рассматривать как производные ос­
Тип
Число ато­
мов угле­
Пример
рода
Гемитерпены
сн,
Изопрен
н, с ^ с * ’снМонотерпены
10
сн,
н н
сн,
Гераниол
н н
I
\/
I
\/
h , c - CN - c ' c ^ c " c ' o h
I
н
/\
н
I
н
н
CHj он*
Сесквитерпены
15
Фарнезол
сн, он
Дитерпены
20
Сестертерпены
25
Офиоболин А
Тритерпены
30
Сквален
Тетратерпены
40
Фитоин
Политерпены
от ~ 7,5-103
до ~ 3 -1 0 5
Каучук
сн, он
Геранилгераниол
“ Общепринятое сокращенное написание структуры терпенов.
скольку обнаружить изопрен в листьях мож­
но только с помощью высокоэффективной
масс-спектрометрии, его широкое распро­
странение было установлено лишь недавно.
Фосфорил ированные гемитерпены - диметилаллилпирофосфат (Д2-изопентенилпиро-
фосфат) и изопентенилпирофосфат (Д3-изопентенилпирофосфат) (рис. 11 .2 ) служат
ключевыми промежуточными продуктами
биосинтеза и поэтому присутствуют в сле­
довых количествах. Однако в растениях ча­
сто обнаруживают гемитерпены, связанные
с нетерпеноидными компонентами, в виде
так называемых смешанных терпеноидов.
Некоторые из них уже рассматривались
в гл. 1 0 ; они представлены производными
пуринов, способными существовать как
в свободном виде-причем в этом виде они
проявляют цитокининовую
активность
(гл. 15, разд. Г )-т а к и в виде тРН К. Другим
типичным примером может служить остол
зуются чаще всего у растений из семейств
Labiatae, Pinaceae и Umbelliferae. По-види­
мому, только растения из порядков класса
Violates не продуцируют монотерпены
в значительных количествах. Нелетучие монотерпеновые гликозиды, которые при пере­
гонке с паром не попадают в гидродистил­
ляты, также широко распространены у рас­
тений.
( 11. 1).
Необходимо отметить, что некоторые
соединения с разветвленной С 5-цёпью по
своему происхождению не относятся к изопреноидам; в качестве классического приме­
ра можно назвать аминокислоту валин, ко­
торая, как это очевидно из данных, приве­
денных в гл. 9, образуется неизопреноидным биосинтетическим путем.
о
(ИЛ)
(11.2)
III. Монотерпены
Монотерпены можно подразделить на
три основных типа: 1) ациклические; 2 ) циклогексаноидные, которые могут быть
представлены моно-, би- и трициклическими
соединениями; 3) циклопентаноидные. При­
меры монотерпенов различных типов при­
ведены в табл. 11.2. Некоторые нерегу­
лярные монотерпены, такие, как артемизиякетон ( 11 .2 ), построены из двух изопреновых
единиц, соединенных между собой не по
обычному (ip ip) и даже не по более редкому
(ip pi) типу; этот вопрос мы рассмотрим
позднее.
Монотерпены очень широко распростра­
нены у высших растений; из-за присущего
им сильного аромата они широко исполь­
зуются в парфюмерной промышленности.
Они часто содержатся в особых секре­
торных железках (например, у мяты) как
важные компоненты эфирных масел, ко­
торые можно выделить, подвергая растения
перегонке с паром. Эфирные масла обра­
IV. Сесквитерпены
Сесквитерпены представляют собой са­
мую обширную группу среди известных
терпенов не только в смысле количества со­
единений, обнаруженных в природе (не­
сколько тысяч), но и в смысле множества
структурных вариантов и разнообразия ти­
пов (почти 2 00 основных типов углеродного
скелета). В табл. 11.3 даны примеры неко­
торых главных типов структур, обнаружи­
ваемых у растений. Сесквитерпены часто
встречаются вместе с монотерпенами
в эфирных маслах. В этих случаях их нахо­
дят в специальных клеточных структурах.
По разнообразию типов и многочисленно­
сти образующихся в них сесквитерпенов на­
иболее выделяются порядки Magnoliales,
Rutales, Comales и Asterales, тогда как
Ranunculales, по-видимому, является един­
ственным классом, в котором сесквитер­
пены не накапливаются. Растения этого
класса, очевидно, образуют сесквитерпен
фарнезилпирофосфат в качестве промежу­
точного продукта в биосинтезе стеролов, но,
по-видимому, они не могут направлять его
в русло биосинтеза обычных сесквитерпе­
нов. Одним из наиболее интересных соеди­
нений является ароматический сесквитерпеновый димер госсипол (11.3), обнаруженный
в хлопчатнике. Известны также и нелетучие
сесквитерпеновые ацилглицеролы (глице­
риды), эфиры и алкалоиды.
онс
но
он
сно
Ациклические
Моноциклические
Циклогек- J
саноидные
Циклопентаноидные
Мирцев
Ruhs spp.
Лимонен
Citrus spp.
Бициклические а-Пинен
Pinus spp.
Бициклические Туйиловый
спирт
Artemisia absinthium
Бициклические Борнеол
Широко распрост­
ранен
Трициклические
Santalum album
Тересанталол
Происходящие Логанин
от придана
O^^OCH,
Glc - D- глюкоп иранози л
Ациклические
Неролидол
Широко распространен
у-Бисаболен
Широко распространен
Элемол
Canarium luzonicum
Гумулен
Humulus lupulus
Г ермакрон
Geranium spp.
а-Кадинен
Cedrus spp.
а-Эудесмол
Eucalyptus spp.
Моноциклические*
Бициклические
■<
ОН
Гвайол
Eucalyptus maculata
Р-Ветивон
Veteveria zizanioides
Маалиол
Canarium samoense
Eugenia caryophyllata
Е>ициклические
(прод.)
Эремофилон
Eremophila mitchelli
И резин
Iresine celosioides
Дрименол
CH2OH
Drymis wmteri
|3-Сантален
Santalum album
Купарен
Cupressus spp.
Ледол
ОН
Ledum palustre
Пачулевый
спирт
Pogostemon patchouli
Трицикловетивен (-зизаен)
Vetivera zizanioides
V. Дитерпены
В табл. 11.4. приведены характерные
структуры дитерпенов с соответствующими
примерами. Нужно отметить существова­
ние двух тетрациклических групп с одной
и той же основной структурой, но с различ­
ной конфигурацией, а именно группы каурана и энт-каурана; производными последне­
го являются стевиол (табл. 11.4) и гиббереллины (гл. 15, разд. В). В природе обнаруже­
но свыше 500 различных дитерпенов.
представителем этого семейства является
офиоболин А (табл. 11.1), однако известно
еще 5 других групп сестертерпенов.
VI. Сестертерпены
VII. Тритерпены и тритерпеноиды
Еще совсем недавно полагали, что, за ис­
ключением каучука, высшие терпены, содер­
жащие свыше 20 атомов углерода, предста­
вляют собой димеры «голова к хвосту» по
типу стеролов (ip ip ip pi pi pi) или каротиноидов (ip ip ip ip pi pi pi pi). Однако тот факт,
что сравнительно недавно были обнару­
жены полипренолы (разд. Б.Х), а вслед за
тем еестертерпены с 25 атомами углерода
в молекуле, опровергает это предположе­
ние. Все наиболее известные сестертер­
пены -это члены семейства офиоболана,
и все они продуцируются только грибами.
Нумерация атомов молекулы-родоначальника показана в формуле (11.4). Типичным
Тритерпены и их производные [напри­
мер, стеролы (тритерпеноиды)] образуют
другую многочисленную группу изопреноидных соединений. Главные группы тритерпеноидов представляют собой тетрациклические производные, происходящие от
родоначальных углеводородов: ланостана
(11.5), циклоартана (11.6), даммарана (11.7)
и эуфана (11 .8 ), а также пентациклические со­
единения, происходящие из урсана (11.9),
олеанана ( 11 .10 ), лупана ( 11 .11 ) и гопана
(11.12). Нумерация углеродного скелета ла­
ностана показана в формуле (11.5); угле­
родные атомы 28 и 29 зарезервированы для
дополнительных атомов углерода, которые
Терпены и терпеноиды
Таблица 11.4. Некоторые типичные дитерпены
Ациклические
Фитол
-CHi ОН
Распространен повсеместно как
компонеит хло­
рофиллов
Моноцикличе- а-Камфорен
ские
CinnamomUm
camphora
Бициклические Агатовая
кислота
Agathis alba
Абиетовая
кислота
Pinus palustris
Кассаевая
кислота
Erythrophleum
guinaense
Л-Каурен
Б-энт-каурен
Agathis australis
Стевиол
Stevia rebaudiana
Т рициклические*
Тетрациклические
Циклическая
система
Ланостан (11.5) Ланостерол
Грибы
Циклоартан
Euphorbia spp.
Циклоартенол
( 11.6)
Даммаран
(11.7)
Даммарандиол I ((20R)
5а-эуфан
(118)
Эуфол
Euphorbia spp.
Урсан (11.9)
Урсоловая
кислота
Широко распространена
в листьях и кожуре пло-
ОН
Смола даммара*
Тип
Название
Строение
Источник
Олеаиан (11.10)|3-Амирин
Смола элеми
Лупан (11.11)
Лупеол
Lupinus luteus
Гопав ( 11 . 12 )
Гидроксигопанон
С мола дам м ара 3
* Даммара—название группы природных смол, выделяемых из деревьев семейства Dipterocarpaceae, которые встречаются в Малай­
зии и Индонезии.
Элеми—название смолы, которую получают из растений рода Сапапит, из которых главное—С. luzonicum. Она известна и как ма­
нильская элеми, которую привозят главным образом с Филиппин.
в растительных стеролах присоединены
к атому С-24. Примеры встречающихся
в природе соединений, производных этих ос­
новных углеводородов, даны в табл. 11.5.
Из дальнейшего материала данной главы
при описании биосинтеза станет более
ясным, что производные ланостана очень
редко обнаруживаются в фотосинтезирую­
щих организмах, где вместо них образуются
производные циклоартана. Структурные из­
менения, наблюдаемые в тритерпеноидах,
включают: 1) сжатие кольца, как, например,
в цеанотовой кислоте (11.13), которая проис­
ходит от лупана (11.11), 2) растяжение коль­
ца, как в серратендиоле (11.14), и 3) раскры­
тие кольца, как в никтантовой кислоте
(11.15), которая обладает секо-олеанановой
циклической системой. К более сложным
тритерпеноидам относятся лимоноиды и кукурбитацин А-соединения, обусловливаю­
щие горький вкус плодов лимона
и Cucurbitaceae; типичными примерами та­
ких соединений служат лимонин (11.16) и кукурбитацин А (11.17). Наконец, известны тетрациклические соединения, как, например,
а-оноцерин, обнаруженный более 100 лет
тому назад; у этих соединений циклизация
происходит с каждого конца молекулы
одновременно. Из растений Вихасеае недав­
но были выделены тритерпеноидные алка­
лоиды, такие, как циклопротобуксин
А (11.19); они представляют собой про­
изводные циклоартенола.
30
30 29
30
О
СН 3
СН
Н ,С
VIII. Стероиды
1. Стеролы
Посмотрев на молекулярную формулу
стероидов, нетрудно увидеть, что формаль­
но они являются производными тетрациклических тритерпенов.
Стеролы млекопитающих и грибов фор­
мально происходят из ланостана (11.5). Это
согласуется с их биосинтезом, поскольку
они образуются из ланостерола (табл. 11.5)
в результате отщепления трех метальных
групп: двух при С-4 и одной при С-14 и неко­
торых других структурных изменений.
Стеролы высших растений и водорослей
также формально связаны с ланостаном, од­
нако их биосинтетическим предшественни­
ком служит производное циклоартана
(11.6) - циклоартенол (табл. 11.5). В процессе
их образования происходит отщепление тех
же трех метальных групп и раскрытие
9|3,19-циклопропанового кольца.
Для растительных стеролов, будь то сте­
ролы высших растений, водорослей или гри­
бов, характерно присутствие Сх- или
С2-заместителя при С-24 боковой цепи. Эти
заместители вводятся в молекулу в ходе ре­
акций трансметилирования. В табл. 11.6 по­
казаны различные типы С-24-заместителей
в растительных стеролах. Необходимо от­
метить, что 1) этилиденовые заместители
могут иметь либо Z-, либо £-конфигурацию
и 2) метальные или этильные заместители
могут иметь а- или (3-хиральность. Как пра­
вило, 24а-метал- и 24|3-эталстеролы пре-
Таблица 11.6. Типы замещения при С-24, обнаруженные в боковой цепи растительных стеролов1
Без заместителей при С-24
H3C
Н Н
Н Н
Н \ /
\/
I С
/С Н з
(г
С
С
/\
R
I н
Н Н
СНЭ
21
y
22
24
v
y
R
26
27
Замещение при С-24 одноуглеродным фрагментом
Замещение при С-24 двухуглеродным фрагментом
29
Н ,8 ^ 3
х с
1 -2 4 -этил идеи
Н3С
н
6 -24 - этилидеи а
24-*- этил
•
R - ядро стерола. Буквами Z (от немецкого zusammen- вместе) и £ (от немецкого entgegen - напротив) обозначают пространствен­
ную конфигурацию при С-24, С-28 двойной связи; они имеют примерно тот же смысл, что и старые термины i/ur и транс соответствен но. Чтобы использовать эту номенклатуру, следует сравнивать по правилу старшинства атомы или группы, присоединенные к одному
из двух атомов, с атомами или группами, присоединенными к другому атому, создающему двойную связь; если оба атома или группы
по правилу старшинства располагаются с одной и той же стороны двойной связи, то конфигурацию обозначают как Z, если же они рас­
полагаются с противоположных сторон, то ее обозначают как £. Заметим, что правило старшинства соответствует таковому в номен­
клатуре Кана -Ингольда -Прелога для определения RJ5 (см приложение 1).
Обозначение алкильных заместителей при С-24 как а или р предпочтительнее, чем использование ft/S-номенклатуры Кана - Ин­
гольда - П релога, поскольку последняя дает противоположное обозначение для идентично ориентированны к 24-алк ильных заместителей
в насыщенной боковой цепи и цепи с Д22-пвойиой связью; это можно обобщить следующим образом: 24а ■*24Я (насыщенная боковая
цепь) = 245 (Д22-боковая цепь) и 240 = 245 (насыщенная боковая цепь)» 24ft (Д22-боковая цепь). Это происходит в результате изменения
старшинства атомов и групп при 024, когда в боковую цепь вводится Д22-двойная связь.
обладают у высших растений; однако бла­
годаря достигнутому в последние годы
совершенствованию методов разделения
и идентификации стеролов с минимальны­
ми структурными различиями было показа­
но, что среди 24а-метилстеролов небольшие
количества 24|}-эпимеров часто сопрово­
ждают 24а-эпимеры. В отличие от стеролов
высших растений стеролы грибов и водо­
рослей обычно содержат заместители в 24(3положении. У водорослей они построены из
одного или двух углеродных атомов, тогда
как у грибов они обычно состоят только из
одноуглеродного фрагмента.
У растений обнаружены и стеролы, не
имеющие дополнительных алкильных заме­
стителей при С-24. Так, например, холестерол ( 11 .20 ), главный стерол животных, со­
держится в небольших количествах у выс­
ших растений и является преобладающим
стеролом у некоторых красных водорослей.
Другая характерная особенность расти­
тельных стеролов состоит в том, что у них
часто имеется транс-Д 22-двойная связь в бо­
ковой цепи. Ни в одном из стеролов живот­
ного происхождения такой связи не обнару­
жено.
По структуре циклопентанопергидрофенантреновые ядра растительных стеролов
очень сходны с таковыми животных стеро­
лов. И в том и в другом случае обязательно
имеются Зр-ОН-группа и системы Д5, Д7
или Д5,7 двойных связей. Обычно преобла­
дают Д5-стеролы. В табл. Н.7 приведены
структуры некоторых типичных расти­
тельных стеролов.
Иногда в растительных тканях в неожи­
данно больших количествах накапливаются
стеролы с одной или двумя метальными
группами при С-24, являющиеся обычными
промежуточными продуктами биосинтеза
на стадии между циклоартенолом и 24-алкилстеролами (разд. В.VI). Эти соединения
часто
называют
4а-метал стеролами
и 4,4-диметилстеролами. Методом тонко­
слойной хроматографии их можно легко от­
делить друг от друга и от 4 -деметил стеро­
лов, обычных конечных продуктов биосин­
теза стеролов. Примером таких соединений
служит лофенол ( 11 .21 ), впервые выде­
ленный из кактуса Lophocereus schotti, и ци­
кл олауденол ( 11 .22 ), выделенный из мака
снотворного Papaver somniferum.
Природные производные стеролов-это
эфиры пальмитиновой, олеиновой, линолевой и линоленовой кислот, встречающиеся
обычно в качестве обычного ацильного ком­
понента. В виде эфиров жирных кислот ча­
сто встречаются и 4а-метил-, а также 4,4-диметилстеролы. Однако только 4-деметилстеролы встречаются в виде р-О-гликозидов
или р-О-ацилгликозидов (у последних ги­
дроксильная группа остатка сахара обычно
при С -6 этерифицирована жирной кисло­
той).
В табл. 11.8 показано распределение сте­
ролов, эфиров стеролов, стеригликозидов
и ацилированных стеригликозидов в неко­
торых растительных тканях. Интересно, что
два сорта пшеницы заметно различаются по
распределению стеролов в эндосперме за­
родыша.
В табл. 11.9 показано внутриклеточное
распределение стеролов в листьях Calendula
и побегах кукурузы. Отчетливо видно, что
основная масса стеролов находится в микросомах (мембранах эндоплазматического
ретикулума) и в митохондриях. В отличие от
этого эфиры стеролов, на долю которых
обычно приходится около 1% всех стеролов,
в большей своей части связаны с фракцией
клеточных стенок.
2. Сапогенины
Сапогенины - это С 27-стеролы, у ко­
торых боковая цепь подверглась метаболи­
ческим изменениям с образованием спирокетальной системы. К сапогенинам относит­
ся тигогенин (11.23). В природе сапогенины
встречаются в виде сапонинов, предста­
вляющих собой З-О-гликозиды родоначаль­
ного стероида. Широко известным приме­
ром таких соединений может служить
0-D-Glc
/З-D-Gal
дигитонин (11.24) из наперстянки (Digitalis).
Сапонины обладаю т детергентными свой­
ствами и разрушают мембраны, что обусло­
вливает их способность вызывать гемолиз
эритроцитов. Они широко распространены
в природе.
3. Сердечные гликозиды
Приблизительно у представителей 11 се­
мейств растений обнаружены стероидные
Пыльца
24-метиленхолестерол
(Д5,24(28)-стерол)
Брасс икастерол
(Д5,22-24р-метилстерол)
Кампестерол
Н СН,
Н3С н
Brassica гара
Широко распространен
(Д5-24а-метилстерол)
7-дегидропориферастерол
^д5,7,22_24р-этилстерол)
Ochromonas malhamensis
Спинастерол
(Д7,22-24а-этилстерол)
Spinaceae oleraceae
Фукостерол
(£-24-этилиден-Д5-стерол
Бурые водоросли
(особенно Fucus spp.)
Д’ -авенастерол
(2-24-этилиден-Д5-стерол)
Avena saliva
“ Отметим, что конфигурация при С-20-К.
гликозиды, обладающие важным фармако­
логическим действием на сердечную мыш­
цу. Сердечные гликозиды представляют со­
бой или С2з-соединения, называемые карденолидами, или С24 -соединения, которые
называются буфадиенолидами, поскольку их
первоначально обнаружили в яде жаб
(bufo- по латыни «жаба»). Эти соединения
образуются при отщеплении углеродных
атомов от боковой цепи стеролов. Два этих
типа соединений не встречаются одновре­
менно в одном и том же растении. Гликозидные части их молекул часто имеют слож­
ное строение и содержат уникальные сахара.
Типичными агликонами являются дигитоксигенин (11.25) (карденолид) из наперстянки
и хеллебригенин (11.26) (буфадиенолид) из
корневищ морозника черного.
странены и у растений, но их биологическая
активность (если таковая существует) у рас­
тений пока еще точно не установлена. У жи­
вотных такие гормоны образуются из холестерола в результате частичного или полно­
го отщепления боковой цепи, и этим же
путем они, по-видимому, образуются и
у растений (разд. В.VI). В табл. 11.10 приве­
дены наиболее обычные из этих соединений,
которые образуются у растений.
5. Экдистероиды
4. Стероидные гормоны
Эти соединения представляют собой
чрезвычайно полярные соединения, которые
только недавно были обнаружены у расте­
ний. В основе своей они имеют такое же
строение, как и гормоны линьки насекомых.
Экдистероиды не столь широко распростра­
нены в природе (пока их обнаружили при-
Некоторые стероиды, известные как гор­
моны животных, довольно широко распро-
Таблица 11.9. Распределение
внутриклеточных органелл
Таблица 11.8. Распространение стеролов и их
производных в некоторых растительных тканях*
Ткань
Клубни картофеля
Плоды яблони
Семена сои
Зародыши пшеницы
а) арагон 03
б) мара
Листья табака
С
ЭС
ГС
АГС
6,5
68,8
59
5,0
7,2
15
12,2
18,5
II
72,2
5,5
15
13,8
66,7
64,3
82,1
27,6
13,5
1,6
2,9
18,1
2,5
2,8
Листья
дулы
Побеги
стеролов
среди
Общее содержание.
клеточные хлоро-
мито­
стенки
хондрии
пласты
мик ро сомы
кален4
5
24
66
8,4
7,4
27,3
56,9
8,7
9.0
9,3
куку­
РУЗЫ
4,1
• С-стеролы, ЭС-эфиры стеролов, ГС-гликозиды стеролов.
А ГС - аци лированные гликозиды стеролов.
а) свободные
стеролы
б) тарифици­
рованные ете
ролы
73
Таблица 11.10. Распространение некоторых стероидных гормонов животных у растений
Строение
Название (и источник у животных)
Прогестерон
(желтое тело яичников,
плацента)
Нз<Чс ^ о
Растительный источник
Hollarrhena floribunda
■ i н I
Гн
Т я
н о н ,(Ч с ^ о
Дезоксикортикостерон
(кора надпочечников)
Digitalis lanata
_ ГН I
Т н Т й
он
^ J A ^ oh
Андростантриол8
(семенники)
Haplopappus
heterophyllus
» Гн Т
Гнт й
НО<
н
Андростантриол не является тестикулярным гормоном; это метаболит тестостерона.
ноидные алкалоиды, такие, например, как
гермин (11.31). В природе он встречается
в виде эфиров с различными кислотами, на­
пример с а-метилмасляной и уксусной (разд.
B.VII).
Недавно
из
растений
семейства
Аросупасеае и Вихасеае выделили ряд
C 2 i-алкалоидов. Так, например, холафилла6. Стероидные алкалоиды
мин (11.32) был выделен из растения HolarСуществует две главные группы сте­ rhena (Аросупасеае).
роидных алкалоидов: С 27-алкалоиды, ко­
торые, по-видимому, образуются непосред­
ственно из холестерола, и C2i-алкалоиды,
IX. Тетратерпены -каротиноиды
образующиеся, вероятно, из прегненолона
(11.28).
Тетратерпены включают одну-единМногие из С27-алкалоидов предста­ ственную
группу - каротиноидные пиг­
вляют
собой
азотистые
аналоги менты. Всего известно около 500 структур
С 27-сапогенинов; типичным примером их каротиноидов, но только ограниченное чис­
служит соласодин (11.29). Другие группы, ло их обнаружено в зеленых листьях (гл. 5).
типичным примером которых является ру- Они локализуются в хлоропластах. Их за­
бииервин [(12а-гидроксисоланидин (11.30)], щитная роль весьма существенна для выжи­
содержат азот в составе 6 -членной конден­ вания хлоропластов на свету в аэробных ус­
сированной кольцевой системы. Рубииервин ловиях. Каротиноиды участвуют также
выделяют из корней Veratrwn, в которых в улавливании света при фотосинтезе (гл. 5,
образуются
также
полигид рокситерпе- разд. B.II.2, B.III и В .Щ
близительно у представителей 80 семейств).
Типичным примером служит экдизон
(11.27), выделенный из корневищ папоротни­
ка (Pteridium), и понастерон А, который
представляет собой 20 Я-гидроксиэкдизон
их хвойного дерева Podocarpus.
Н ОН
Н Д /
НО^
i
I__
й J
он
н 6
(11.27)
Н
Некоторые сведения о строении каротиноидов уже приводились в гл. 5 (рис. 5.5).
Здесь же мы рассмотрим этот вопрос более
подробно, но при этом вернемся к рис. 5.5.
Окраска каротиноидов обусловливается на­
личием в молекуле длинного ряда сопря­
женных двойных связей (7-13). У высших
растений имеются дополнительные пиг­
менты, образующиеся в результате измене­
ний основной структуры ациклического ликопина (П.ЗЗ)-каротиноида, характерного
для плодов томатов. Циклизация у одного
из концов молекулы ликопина может приве­
сти к образованию P-кольца (концевой
группы), как, например, в у-каротине (11.34),
е-кольца (концевой группы), как в случае
5-каротина (11.35), или у-кольца (концевой
Н
группы), как в соединении (11.36). При ци­
клизации у обоих концов могут образовать­
ся такие пигменты, как ^-каротин (11.37), atкаротин (11.38) и е-каротин (11.39). Ацикли­
ческая концевая группа, например, в ликопине (11.33) обозначается как ^-группа. Нуме­
рация атомов в молекуле каротиноидов
проиллюстрирована на примере а-каротина
(11.38). Существует правило, что простыми
цифрами обозначают ту половину моле­
кулы, которая несет концевую группу, обо­
значенную греческой буквой, ближайшей
к началу алфавита (например, 0 > е > у > \|/).
Тетратерпены, представляющие собой угле­
водороды, называют каротинами; тетратер­
пены, в молекуле которых имеются кисло­
родсодержащие функциональные группы,
Глава II
называют ксантофиллами ; кислородсодер­
жащие функциональные группы включают
в себя гидроксильные группы например,
в лютеине (3,3'~дигидрокси-а~каротине) (IX,
рис. 5.5), эпоксидные группы например,
в виолаксантине (5,6,5' ,6' -дизпоксизеаксангине, X, рис. 3.5) [зеа ксантин являет­
ся
3,3'-дигидрокси-Р-карогином
(VIII,
рис. 5.5)J и фураноидные оксиды напри­
мер, в 5,8- шокси-^-каротине ( 11.40).
Другие важные структурные изменения
включают возникновение алленовых групп,
таких, как в неоксантине (XII, рис. 5.5),
и ацетиленовых связей, как в аллоксантине
(XV, рис. 5.5). Следует отметить, что все
двойные связи в структурах, которые рас­
сматривались до сих пор, имеют транс-кон­
фигурацию. Однако изредка встречаются
каротиноидные пигменты с цшжонфигура­
цией,
например
проликопин
(11.41)
(7,9,7',9'-тетра-цмс-ликогшн), присутствую*
щий в плодах некоторых мутантных то­
матов.
Не говоря о том, что каротиноиды
имеются во всех фотосинтезирующих тка­
нях. включая водоросли и фотосинтезирую­
щие бактерии, они широко распространены
(но не повсеместно) в нефотосинтезирую­
щих органах высших растений и грибов,
а также у нефотосинтезирующих бактерий.
Г руппа каротиноидов, содержащихся
в зеленых листьях, по качественному соста­
ву не отличается от каротиноидов, встре­
чающихся во всем растительном царстве
(это главным образом fr-каротин, лютеин,
виолаксантин и неоксантин). Однако в каро­
тиногенных органах, таких, как лепестки
цветков и плоды, мы встречаемся с боль­
шим разнообразием структурных типов ка-
ротиноидов. Карогижм енные цветки разде­
ляют на грн главные группы в зависимости
от того, накапливают ли они I) высокоокисленные пигменты, как, например, ауроксантин (5,8,5',8'-1Ш’июкси ^аксантин); 2) углево­
дороды, как, например, ликопии или ^-каро­
тин; 3) высокоспецифичес к ие каротиноиды,
такие, как эшшолышя ксантин (11.42) из зшшольции калифорнийской. Пигменты нака­
пливаются в хромопластах, развивающихся
из хлороп ластов. а также в хромопластах
плодов. По составу накапливающихся в них
каротиноидов все плоды можно грубо раз­
делить на 9 групп. Типичные примеры при­
ведены в табл. I l.l I Капсантин (11.43) тго
яркий красный пигмент перца, у которого
одна из обычных циклогексеновых кон­
цевых групп связана с циклолеитановым
кольцом. У секокаротиноидов, как, напри­
мер, в семи- Р-каротине (11.44), одно из циклогексановых колец раскрыто между С-5
и С-6, а у апокарогиноилов. которые харак­
терны для плодов цитрусовых (группа IX,
табл. 11.1 Ц у т е р т а часть одного из концов
молекулы. Р-Цитра урин представляет собой
3-гид рокси-р-8'-апокаротеналь (11.45).
Культурная морковь, конечно, служит
классическим
источником
«каротина»
(смесь всех каротинов, в которой на долю 13каротина приходится более 90% общего
содержания).
X. Полипренолы
Уже давно известен ациклический дитерпеновый спирт - фитол (табл. 11.4), этерифицированный хлорофиллом (гл. 12). Однако
в течение последних 25 лет в растительных
ОН
CHO
(M.4S)
тканях обнаружено в свободном виде
значительно больш ее число пренолов;
первы м бы л полностью описан С 45нонапренол - сол анезол (11.46), выделен­
ный из листьев табака. У него все двой­
ные связи им ею т транс-конф игурацию .
Сущ ествует также целое семейство полипренолов со см еш анны м и (цис- и траке-)
двойны м и связям и; типичными прим ерам и
СН,ОН
~*7
(11.46)
Таблица 11.11. Общая картина распространения
каротиноидов в плодах
Каротиноиды
Группа
Пример
I
Pyrocantha roger- Только следовые
siana
количества
Хлоропластные ка­
Sambucus nigra
ротиноиды
Lycopersicon (по­ Ряд ликопина
мидор)
Ряд [}-каротина
Mangifera indica
(манго)
Crataegus pratensis Эпоксиды
Capsicum annuum
Видоспецифиче­
(перец)
ские; капсантин
п
m
rv
V
VI
(11.43)
VII
VIII
IX
Pyrocantha angusti- Прокаротины (поfqlia
ли-цис); проликопин (11.41)
Секокаротиноиды;
Murraya exotica
семи-р-каротинон (11.44)
Апокаротиноиды;
Виды Citrus
р-цитраурин
(11.45)
(11-47)
У высших растений п обычно равно 9.
таких соединений служ ат кастапренолы из
конского каш тана (Aesculus hippocastanum)
и бетулапренолы из березы серебристой
(Betula verrucosa). О бщ ие правила описания
этих смеш анных полипренолов м ож но про­
иллю стрировать на примере кастапренолов,
которы е
обозначаю тся:
оа— Т — Т — Т
(Щ ,— Ц — О Н . Э то означает, что три изопреновые единицы, присоединенные к шизопреновом у остатку, находятся в т р а н с ­
конфигурации, а о с т а л ь н ы е -в цые-конфигурации. В кастапренолах значение п мож ет
изм еняться в пределах о т 4 д о 8 .
пластохроманол -8 (11.50). Повсеместно рас­
пространенные токоферолы (витамин Е)
также представляют собой хроманолы
(11.51); однако у этих соединений изопреновые единицы боковой цепи насыщенны.
XI. Каучук, гутта и чикл
(И -48)
У высших растений и обычно равно 9 или
10 .
О
(11.49)
(11.50)
а- Токоферол,
(J- Токоферол,
т Токоферол,
6- Токоферол
R.
r2
CHj
СН,
Н
Н
CHj
Н
СН3
Н
(11.51)
В клетке все полностью транс- полипренолы связаны с метаболически важными хинонами, например с пластохинонами (11.47),
убихинонами (11.48) и филлохинонами (ви­
тамин К) (11.49). У растений обнаружены
также хроманолы, которые образуются при
циклизации первого изопренового остатка
боковой цепи пластохинонов, например
1.
Каучук
Каучук представляет собой высокомоле­
кулярный полиизопрен, образующийся в ла­
тексе около 300 родов покрытосеменных
растений. Из них только гевея Hevea
brasiliensis используется в промышленном
масштабе; в Малайзии получены высоко­
продуктивные сорта гевеи, дающие не менее
1500 фунтов ( ~ 700 кг) каучука на акр в год.
Выведены сорта растений с особым меха­
низмом контроля. У этих растений включе­
ние продуктов фотосинтеза в биосинтез кау­
чука регулируется таким образом, что у них
образуется гораздо больше каучука, чем
у нормальных разновидностей гевеи. Влия­
ние этого повышенного синтеза каучука на
рост особенно сильно сказывается на мо­
лодых деревьях высокопродуктивных сор­
тов; снижение прироста в течение первых
восьми месяцев подсочки может достигать
более 70%.
Латекс, содержащий частички каучука,
накапливается в специализированных клет­
ках или сосудах, называемых млечниками.
У гевеи каучук образуется и запасается в ко­
ре в кольцевых млечниках. Благодаря нали­
чию перемычек между соседними сосудика­
ми в кольцевых млечниках латекс может
вытекать из большой зоны коры при под­
сочке.
Кроме каучуковых частичек латекс со­
держит много различных органелл: ядра
митохондрии, фрагменты эндоплазматического ретикулума и рибосомы, а также два
вида специализированных
частиц-лю тоиды и частицы Фрея-Висслинга. Лютоиды, главные компоненты латекса, пред­
ставляют собой осмотически активные ша­
рики серого цвета, имеющие в диаметре
1-3 мкм. Они связаны с элементарными
мембранами. Липиды последних обога­
щены фосфатидной кислотой и остатками
насыщенных жирных кислот. Название лютоиды (желтые) было дано по ошибке: пер­
воначально выделенные частички были за­
грязнены желтыми частичками Ф рея-В ис-
Рис. 11.1. Электронно-микроскопическая фото­
графия ультратонкого продольного среза мо­
лодых латексных сосудиков зеленой ветви пяти­
летнего дерева Hevea brasiliensis. (Фотография
любезно предоставлена доктором Р. В. Dicken­
son.)
слинга (Frey, Wyssling), содержащими [5-ка­
ротин.
Частички Фрея-Висслинга-это ми­
норные компоненты латекса; их диаметр со­
ставляет 4 -6 мкм. Они связаны с двойной
мембраной и содержат многие мембранные
и трубчатые структуры, а также Р-каротин.
На рис. 11.1 приведена электронная ми­
крофотография ультратонкого среза моло­
дого латексного сосудика. Каучук предста­
вляет собой цис-1,4-полиизопрен (11.52)
с широким спектром молекулярной массы,
изменяющейся в пределах от ~ 1 • 105 до
~ 4 -1 0 6, что эквивалентно полимерам из
~ 1 500-60000 изопреновых остатков.
2. Гутта
Гутта представляет собой транс- 1,4-полипрен (11.53) с более низкими пределами
молекулярной массы, чем каучук. Она обра­
зуется в различных деревьях рода Palaquium
(Sapotaceae), растущих в Малайзии. Латекс
из них не может вытекать с такой же лег­
костью, как каучуковый латекс, поэтому для
сбора гутты нужно срубать деревья. Это
привело к подлинному вымиранию перво­
начально главного источника гутты -Р.
gutta. В настоящее время в небольших
масштабах коммерческий сбор осущест­
вляется из гваюлы серебристой (Parthenium
argentatum)- пустынного кустарника, произ­
растающего в Мексике и в Техасе. Гутта
термопластична. Она представляет собой
плотное, твердое, неэластичное вещество
при температуре ниже 65°С, но при 65°С она
переходит в мягкую, упругую, но все еще не­
эластичную форму.
3. Чикл
Чикл, первоначальную основу жеватель­
ной резинки, получают из растения Achras
sapota. Он представляет собой смесь
относительно низкомолекулярных циси транс- 1,4-полипреноидов с растворимыми
в ацетоне смолами.
В. БИОСИНТЕЗ
I. Основные реакции
Уже в 1887 г. Валлах (Wallach) предло­
жил основное «изопреновое правило».
Вкратце суть его состоит в том, что многие
природные соединения построены из изопреновых углеродных единиц и, следова­
тельно, образуются, вероятно, путем поли­
меризации изопрена. Затем идеи, лежащие
в основе этого правила, расширил Ружичка
(Ruzicka), сформулировав их как биогенети­
ческое изопреновое правило. Ружичка пред­
положил, что все терпеноиды синтезируют­
ся из предшественника, названного «ак­
тивным изопреном». Это предположение
нашло подтверждение, когда Линен (Lynen)
идентифицировал это вещество как Д3-изопентенилпирофосфат (ИПФ). В 1956 г. Фолкерс (Folkers) показал, что ключевым пред­
шественником
ИПФ
является
С6-гидроксикислота - (ЗЯ)-мевалоновая
кислота (11.54).
Основным предшественником при био­
синтезе терпеноидов служит ацетил-СоА.
Пути, ведущие от него к ИПФ, показаны на
рис. 1 1 .2 .
ИПФ затем превращается во все из­
вестные природные терпены и терпеноиды
в соответствии со схемой, показанной на
рис. 11.3. На первом этапе ИПФ изомеризуется под действием фермента, содержаще­
го сульфидгидрильные группы, в диметилаллилпирофосфат (ДМАПФ, известный так­
же как А2 -изопентенилпирофосфат) [уравне­
ние (11.1)]. Каждое из этих соединений
может затем превратиться в гемитерпены
(рис. 11.3, а). ДМАПФ может также служить
«затравкой» для удлинения цепи. Под дей­
ствием
фермента
пренилтрансферазы 2
ДМАПФ конденсируется с молекулой ИПФ
с образованием С 10-соединения - геранилпирофосфата (ГПФ) (11.3 и 11.4,6). Фор­
мально ДМАПФ играет в этой реакции ту
же самую роль, которую играет Н + в урав­
нении (11.1). ГПФ затем может быть либо
использован для биосинтеза монотерпенов
(в, рис. 11.3), либо конденсироваться с дру­
гой молекулой ИПФ с образованием
Cj 5 -соединения - фарнезилпирофосфата
•Электрофильная атака ионом И*из водной среды с ie - z e -стороны ИПФ
н+
СНз
*V \ I
1
нч У т ч * / 01’0® ® г
С^
с
нI
/V
Нд Hs
Ь?-Изопентенилпирофосфат
(ИПФ)
СНз
Н£
i r < L V C H ,O 0 0
I
Vv
СН3
Н з И ^ > ’0 0 ®
н.
Стерв оспепифическое о т щеплениё- 2 - про- R - водо­
рода ИПФ,который перво­
начально был 4 - про - S -во­
дородом МВК
Диметил аллилпирофосфат
(ДМАПФ; й 3- изопен тенил пирофосфат)
2 молекулы а ц е ти л-С о А
О
О
н 11
IL
Ацетоацетил-СоА
CoA-SH
Н* .0
о
С
с
Чу j»
♦
)
HjC
CHj
S.CoA
Л. А так а с si-cmopoН2с — Н ны З-оксогруп-
S.CoA
Н ,с
СоА
CoA-SH
СН,
Н*
Л 1
CoA.S— С=
II
с=о
=0
s — Ф ерм
Н—Ъ—Ф£РМШ
б
НО
H’Ca/iiNADPH)
СН,
*А' “
н,с
С
SCH2
но
(JS.CoA
'СОО*
Н3С
н4
о
I
hs -ФЕРМ н,о
II
/ с\
I СН,
СН,
S.CoA
I*4
но-О с=о
35- гидроксиметилглутарил - СоА
н*
-Ф ерм*
J?
L — NADPH + н*
CoA.SH — -'J 4—»-NADP
НО
CHj О Д н*
J■
V*
NADPH+ Н*
V
6
н , с ' % ( Г С‘ч
NADP*
сн,
он
'СОО-
Н'(о/в NADPH)
Мевальдинобая кислота
( связанная с ферментом)
О«•I О
СН3
н,с
г
СОО"
НО,
3R- меоалонобая пиелота
ОI
■АТР
Mg1
" О - Р - О - Р - О - ADP
►ADP
но. сн
ADP
Н,С^
s~yQV
-о
сн, ''о ® ®
АТР
г/
/С Н ,
У Х с Т * сн,
Mg2*
М ВК-5- пирофосфат
о®
СОО'
MBк - S - фосф ат
о
АТР
со
ADP +Pi
СН,
ГН
ь?-Иэопентенилпирофосфат (И ЛП )
н ,с ^ 3 сн:' ,Ч о ® ®
Рис. 11.2. Образование Д3-изопентенилпирофосфата (ИПФ) из ацетил-СоА (а-ацетил-СоА :ацетил-СоА—С-трансфераза,
КФ
2.3.1.9;
б
и ФЕРМ*-гидроксиметилглутарил-СоА—синтаза, КФ 4.1.3.5; в-гидроксиметилглутарил-Со-
редуктаза (NADPH), КФ 1.1.1.34; г-мевалонаткиназа, КФ 2.7.1.36; д-фосфомевалонат-киназа,
КФ 2.7.4.2; е-дифосфомевалонат-декарбоксила­
за, КФ 4.1.1.38).
(ФПФ) (рис. 11.3, г). Дальнейшие превраще­
ния ФПФ могут пойти по одному из трех
возможных путей: он может быть использо­
ван
для
биосинтеза
сесквитерпенов
(рис. 11.3,д), но может и подвергнуться уд­
линению
цепи
с
образованием
С 2 о-соединения - геранилгеранилпирофосфата (ГГПФ) (рис. 11.3,е) или же подверг-
мак
Г“
if
± ЦМАПП
ИПП\
I________ „
U
I 7
Монотерпены ( Сю)
Геранилпиро-(Р)
д
Фарнезилпиро-® (в^/7/7)
Сесквитерпены ( Cts)
(х2)
Тритерпены ( С30)
Дитерпены ( С20)
Тетратерпены ( ^40)
Геранилфарнезилпира(Р) (ГфПф)
Сестертерпены( С25)
I
1Л
i L
Полипренилпиро-© s •
Рис. 11.3. Общая схема биосинтеза терпеноидов.
МВК-(311}-мевалоновая кислота; И П Ф -Д 2-изопентенилпирофосфат; ДМАПФ-диметилаллилпирофосфат; Х2-димеризация по типу «хвост
к хвосту».
нуться димеризации по типу «хвост
к хвосту» е образованием С30-тритерпенов
(рис. 11.3,ж). У ГГПФ имеется тот же
самый метаболический «выбор», как и
у ФПФ,-отклониться в сторону дитерпенов
(рис. 11.3, з),
удлинить
цепь
до
С2 5-соединения геранилфарнезилпирофосфата (ГФПФ) (рис. 11.3, и) и подвергнуться
димеризации
в
С40-тетратерпены
(рис. 11.3, к). В большинстве случаев ГФПФ
подвергается далее многократному удлине­
нию цепи с образованием полипренилдифосфатов (рис. 1 1 .3,л) и, в конце концов, полипренолов (например, кастапренолов)
и политерпенов (например, каучука;
рис. 11.3,л<).
При детальном обсуждении реакций от
мевалоновой кислоты до геранилпирофосфата и фарнезилпирофосфата возникают не­
которые вопросы стереохимического плана,
Полипренолы (например,
■кастапренолы) и политер­
пены (например,каучук,
гут та).
на которые ответили Корнфорт, Попьяк
(Comforth, Popjak) и их коллеги в результате
сложнейших экспериментов, в основе ко­
торых лежал синтез шести видов стереоспе­
цифически меченной мевалоновой кислоты.
Как видно из формулы (11.54), мевалоновая
кислота имеет три прохиральных центра,
представленные атомами С-2, С-4 и С-5
с двумя идентичными лигандами-в данном
з'
НО £Н , Не
Н„
» ,
С
с
Н
н о а !1
и. н .
( + )-Я-мевалоновая кислота (МВК). Обозначе­
ния атомов водорода при С-2, С-4 и С-5 как R
и S указывают, что это про-R- или npo-S-водороды (см. приложение 1).
случае атомами водорода. Эти водороды
отмечают индексами R или S [формула
(11.54)] и называют про-R- и npo-S-водородами соответственно тому, образуется ли Rили S-конфигурация хирального центра при
СН,
СН,
Ионизация :
происходит после
связывания второго
иона Mg **
Не н„
I
у
С.
/
Л
/
/к
R.CH,
с / ЧСо ® ®
нв...CrZ
2 >ch,o(pjCPj
с
Н ,С
2 Мп1 шм/2 Mg1*
-н.
R.CH
'г
Конденсаиия.
Электрофильная
атака ионом карSoния с s i-s i -стороны
Аллил пирофосфат
( например, д м а п Ф, ГПф, ФПФ)
\ Г
»/
I/
ИПФ
Инверсия конфигурации
при атоме С- / аллилпиро фосфата
У К
СН,
НЛ (отС-2)
Н ,С
Н* “ s
/ СН
.С
R.CH,
XС
I
н
\
С
и .с \н А^ с
I
с
\ f y
/
V
/V
Н4 Н
в
с
СНг О ® ®
/
Элиминирование
/
( стереоспеиифическое R.CH,
отщепление пердоначальН ного 2 - про-R -водорода. ИПФ,
5 который ранее выл A-npo-Sводородом МВК)
С
Рис. 11.4. Предполагаемый механизм конденса­
ции аллилпирофосфата с Д3-изопентенилпирофосфатом (ИПФ), катализируемый пренилтрансферазой (КФ 2.5.1.1) (ДМАПФ-диметилаллилпирофосфат;
ГПФ-геранилпирофосфат;
ФПФ-фарнезилпирофосфат; Нд и Нв молекулы
ИПФ-первоначально 2-npo-R- и 2-про-5-атомы
водорода МВК соответственно; ион карбония
рассматривается как «мостиковый», или «неклас­
сический», ион карбония, образование которого
объясняет наблюдаемую инверсию конфигура­
ции у С-1 аллилпирофосфата).
замещении другим лигандом (см. приложе­
ние 1, где обсуждается номенклатура, при­
нятая для описания абсолютной конфигура­
ции). Хотя химически эти атомы водорода
и неразличимы, ферменты тем не менее раз­
личают их. В настоящее время уже устано­
влено, какой из атомов водорода каждого
хирального центра принимает участие на
различных стадиях биосинтеза терпенов.
Превращение
МВК-5-пирофосфата
в ИПФ (рис. 11.2) включает отщепление
карбоксильной группы при С-1 и гидро­
ксильной группы при С-3. Фермент, катали­
зирующий эту реакцию,-пирофосфомева-
--с,,,,,, ня н5
с
Н
лонат-декарбоксилаза3, активен в присут­
ствии АТР и катализирует реакцию транс­
элиминирования (уравнение 11 .2 ), вероятно
закрепляя МВК-5-пирофосфат в активном
центре таким образом, чтобы СООН- и ОНгруппы располагались на противоположных
сторонах молекулы. Элиминирование мож­
но рассматривать как сопряженный процесс,
изображенный уравнением (11 .2 ).
При изомеризации ИПФ в ДМАПФ
[уравнение (11 .1 )] происходит электрофильная атака протоном из водной среды со сто­
роны ге-ге * двойной связи ИПФ; при этом
образуется промежуточный ион карбония,
который стабилизируется в результате стереоспецифического отщепления 2 -про-Я-водорода (заметим, что по Я,S-номенклатуре
этот водород, т.е. 2-про-Я-водород ИПФ,
идентичен 4-про-5-водороду МВК). По­
скольку присоединяющийся и уходящий
Н + -ионы находятся на противоположных
концах молекулы, изомеризацию следует
рассматривать как согласованный процесс.
О*
О'
О'
I
II
I
П
J г>
О — Р —О— Р—О — Р — О - РиВоза -А денин
D
О
О
c r y 'СН,
/> Н
мвк-з-пирофосфат
(1U)
ПирофосфомеЙалонат декарбоксилаза
ОТ
f
О —р
О*
о +
ОН
О
I
О"
I
—Р —о —Р — О -рибозаО
О
АИрнин
лоенин
+
® ® 0
t — сн,
н2 \
„V
С — CHj
\
со3 +
л 3 - Изопентени л пирофосфат
н
После того как ДМАПФ образуется в та­
ком количестве, которого достаточно,
чтобы служить затравкой, начинается про­
цесс удлинения цепи, включающий конден­
сацию аллильного остатка (например, диметилаллил, геранил, фарнезил) с ИПФ.
Имеющиеся данные свидетельствуют о том,
что реакция инициируется ионизацией аллилпирофосфата с образованием мостикового, или неклассического, иона карбония
(рис. 11.4) и пирофосфата. Эта ионизация
требует связывания двух двухвалентных ио­
нов металла (Мп2 + или Mg2 + ) на молекулу
аллилнирофосфата в активном центре пренилтрансферазы4. Ионизация происходит
только после того, как свяжется 2-й ион. Аллильный ион карбония, будучи по природе
электрофильным, подобно Н + в уравнении
(11.1), атакует систему двойной связи ИПФ.
Однако в отличие от Н I в уравнении (11.1)
он атакует si-si *-сторону. Ион карбония, ко­
торый образуется в результате этой конден­
сации, затем стабилизируется путем стереоспецифического отщепления 2 -про-К-водорода. Этот водород идентичен тому,
который отщепляется от ИПФ в уравнении
(11.1), т. е. первоначальному 4-про-5-водороду МВК. В связи с тем что присоединяю­
щийся и уходящий ионы располагаются на
одной и той же стороне молекулы ИПФ, ре­
акцию в целом нельзя рассматривать как со­
гласованный процесс. Можно видеть, что
в ходе реакции произошла инверсия конфи­
гурации у атома С-1 аллилпирофосфата.
Поскольку ионизация происходит еще до
конденсации, то эта инверсия свидетель­
ствует, очевидно, о том, что ион карбония
является неклассическим (т. е. положи­
тельный заряд в нем рассеян по соседним
углеродным атомам, что обусловливает
образование жесткой плоской структуры
с четкими гранями), а не классическим (т. е.
с положительным зарядом, локализо­
ванным у одного определенного углеродно­
го атома, благодаря чему достигается сво-
бодное вращение вокруг связи С—С +).
Поэтому в целом реакцию, катализируемую
пренилтрансферазой (рис. 11.4), можно
определить как реакцию ионизации—кон­
денсации—элиминирования.
Однако описанная выше реакция иониза­
ции—конденсации—элиминирования при­
водит к образованию только транс-полиизопреноидной цепи, обнаруженной в боль­
шинстве природных терпеноидов. Эквива­
лентная реакция, ведущая к образованию
ц uc-полиизопреноидной цепи, из которой
построен каучук, катализируется другой
пренилтрансферазой, отличающейся по сте­
реоспецифичности. Механизм, с помощью
которого контролируется удлинение цепи,
до сих пор неизвестен.
II. Гемитерпены
Изопрен, по-видимому, является един­
ственным истинным гемитерпеном, встре­
чающимся в природе. Он образуется в хлоропластах, но пути его образования пока не
выяснены. Соединения, подобные изоамиловому спирту (11.55) или изовалериановому альдегиду (11.56), образуются в процес­
се обмена валина, а не из ГМГ-СоА или
мевалоната.
СН3
нч!
Нзс
СН,
СН2ОН
HnJ.
CHO
Н н
В нлн
(11.55)
(11.56)
/с\
III. Монотерпены*
Основным предшественником монотер­
пенов служит геранилпирофосфат. Однако
во многих случаях это трудно доказать, по­
скольку скорость включения очень низкая,
особенно в целом растении, где образую­
щиеся продукты, по-видимому, компартментализованы, и в неочищенных фер­
ментных системах, которые богаты фосфогидролазами. Механизм образования неро­
ла, t/uc-аналога гераниола, до сих пор не
установлен, хотя, судя по всему, нерол
является обязательным промежуточным
продуктом при образовании циклических
монотерпенов. Однако исследования с очи­
щенным препаратом у-терпинен-синтетазы,
в которых нерилпирофосфат и геранилпиро­
фосфат были одинаково активны в качестве
субстратов, привели к выводу об образова­
нии общего связанного с ферментом цикли­
ческого промежуточного продукта (этап а).
Из него путем отщепления протона от С-5
и 1 ,2 -перемещения гидрид-иона с одновре­
менным высвобождением фермента может
образоваться у-терпинен (этап б). Подобный
механизм (этап в), но только с отщеплением
протона от С- 6 и последующим образова­
нием циклопропанового кольца, может при­
вести к образованию а-туйена, являющегося
побочным продуктом действия у-терпиненсинтетазы на геранилпирофосфат. Реакция
циклизации, которая представляет собой за­
мещение аллильного пирофосфата элек­
тронной парой от двойной связи с образова­
нием связи —С—С—, очень сходна
с реакцией, изображенной на рис. 11.4; при
этом сходны и предполагаемые типы иони­
зированных промежуточных продуктов.
Значение этого гипотетического механизма
состоит в том, что он объясняет, каким
образом геранилпирофосфат может слу­
жить предшественником циклических моно­
терпенов, не превращаясь предварительно
в нерилпирофосфат.
Имеются убедительные доводы в пользу
того, что у-терпинен служит предшествен­
ником ароматических монотерпенов -п-цимена и тимола [уравнение (11.3)].
Путь образования камфоры, описанный
уравнением (11.4), недавно был уточнен в со­
ответствии с полученными данными о том,
что первым продуктом циклизации при
этом является борнеилпирофосфат.
В данном разделе из-за недостатка места
мы не можем обсудить все реакции циклиза­
ции, участвующие в биосинтезе монотерпе-
нов. Однако все же ясно, что лишь неболь­
шое число основных циклических структур
должно подвергаться разнообразным вто­
ричным изменениям, чтобы обеспечить
образование великого множества известных
к настоящему времени монотерпенов.
Удачным примером этого являются раз­
личные реакции, происходящие в растениях
мяты и ведущие к образованию пиперитенона (рис. 11 .6 ).
V. Дитерпены
Как уже указывалось ранее, наиболее
важной группой дитерпенов являются гиббереллины. Их биосинтез из геранилгеранилпирофосфата изучен детально. Мы соч­
ли более целесообразным включить его
в гл. 15, посвященную растительным гор­
монам.
VI. Тритерпены
IV. Сесквитерпены*
Несмотря на безграничное множество
сесквитерпенов, обнаруженных у высших
растений, детали их биосинтеза изучены
очень мало. На рис. 11.7 приведен очень
важный пример, иллюстрирующий, как
трянс,л1ранс-фарнезилпирофосфат
путем
отщепления неорганического пирофосфата
дает начало циклическому промежуточному
катиону (этап а); затем происходит пере­
группировка последнего путем 1,3-переме­
щения гидрид-иона. В этом перемещении
стереоспецифически участвует npo-S-водород при С-1 фарнезилпирофосфата (этап б);
конечная перегруппировка сводится к про­
тонной атаке экзоциклической двойной свя­
зи с образованием у-кадинена (этап в).
1. Основные реакции-образование
сквалена
Изучение биосинтеза тритерпенов приве­
ло к возникновению новой концепции: тритерпеновый С30-предшественник синтези­
руется путем связывания «хвост к хвосту»
двух фарнезильных С 15-остатков, образую­
щихся из фарнезилпирофосфата (ФПФ).
В качестве первого устойчивого соединения
образуется прескваленпирофосфат. Его
образование катализирует связанный с мем­
бранами фермент, называемый прескваленсинтазой5, который, будучи в полимерной
форме, катализирует также вторую ста­
дию - восстановление прескваленпирофосфата в сквалсн за счет NADPH. Эти реак­
ции, сначала изученные в печени и
в дрожжах, затем были обнаружены и у выс­
ших растений.
Стереохимию двухступенчатого превра-
о® ®
О © ®
НПФ
ФЕРМ'
ГП ф
Ф ЕРМ '
т Терпинен
Рис. 11.5. Предполагаемый механизм биосинтеза
у-терпинена и а-туйена из нерилпирофосфата
(НПФ) и геранилпирофосфата (ГПФ).
щения двух молекул ФПФ в сквален устано­
вили Корифорт и Попьяк. В суммарном ви­
де ее можно описать следующим образом:
1 ) одна из участвующих в процессе молекул
ФПФ теряет водород от атома С-1, тогда
как у другой молекулы ФПФ отщепления
водорода от С-1 не происходит; 2) атом во­
дорода, отщепляющийся от С-1, является
1-npo-S-водородом; 3) уходящий 1-npo-S-
<Х- Туйен
водород замещается 4-про-5-водородом никотинамидного кольца NADPH (т.е. водо­
родом от В-стороны никотинамидного
кольца); 4) 4-про-5-водород от NADPH ста­
новится
12 -про-Я-водородом
сквалена
и 5) происходит инверсия конфигурации
у атома С-1 той молекулы ФПФ, которая
в процессе образования сквалена не теряет
водорода у С-1.
На рис. 11.8 показан механизм превра­
щения двух молекул ФПФ в сквален, соот­
ветствующий имеющимся данным о стерео­
химии процесса и образовании прескваленпирофосфата в качестве промежуточного
(+)• Пулегон
Пиперитвнон
(-)- Ментол
(-)- ментон
(+)• Изоментон
(+Y Изоментол
\
\
\
Рис. 11.6 . Метаболическое взаимопревращение
монотерпенов у мяты (жирными стрелками пока­
заны реакции, которые были продемонстриро­
ваны в бесклеточных системах).
-ОАР,
1
1
транс, транс-ФПФ
Hi
г Повинен
а1
\
(+)- Неоизоментол
.
ж
чL
Пf
продукта. Цепь реакций начинается с актива­
ции одной из участвующих молекул ФПФ
(на рис. 1 1.8 она обозначена ФПФ2); это про­
исходит путем атаки по атому С-3 нуклео­
фильной группой, обозначенной X ~ на
рис. 1 1 .8 и представляющей, вероятно, ком­
понент пресквален-синтазы. Активирован­
ная молекула ФПФ затем подвергается
Рис. 11.7. Механизм превращения транс,трансфарнезилпирофосфата в у-кадинен.
CHj
С
СО ® 0
2 .Сй»1шНЛ © ,
V
х*Н
О®®
ФПф(молекула 2)
ФПФ(молекула 1)
Х’ “ ? ЬIРеакция sn 2, приводящая к инверсии
*о© ® ~ -А КОн<Ригурации приС -1 ФПФШ
нг ■;*
н.
chj
н
а
2 J-
Q .K
I ‘ fjS f
Н
I3'
1/д>/я\СН3
s о® ®
6 1,3-элиминирование Н$ от С-1и X от С -З'с
образованием циклопропанового кольца
между углерода ми 1,2' и 3 '
Нs + x -
СН3
,/з Ч р /
I н*...с 3.
н Hs^ . | ___ СНз
с0 ® ®
R Прескваленпиросросфат
(стабильный промежуточный
продукт )
Реакция SN2, приводящая к ин­
'о ® ® ♦ И версии конфигурации при С -1
ФПФ(2)
СНз
im 3^ C
f \ ^ / 2' С
Циклопропил карВинил катион
Реакция SN2, приводящая к инверсии
конфигурации при С-1 ФПФ/1)г которая
аннулирует инверсию, вызванную
реакцией А
Становится 12 - про-R -во­
дородом сквалена
ic .
2 / С х 1'
А
С ;.
Не н*
А
Сквалрн ( R =
сн,
Рис. 11.8. Механизм превращения двух молекул
фарнезилпирофосфата (ФПФ) в сквален, согла­
сующийся с известной стереохимией процесса
и промежуточным образованием прескваленпирофосфата (нумерация всех участвующих видов
молекул показана на примере ФПФ; в сквалене
атомы углерода, обозначенные выше как 1 и Г,
становятся 12 и 12' соответственно по системе ну­
мерации сквалена; необходимо отметить, что до
тех пор, пока не будет доказано обратное обозна­
чение водородов, обозначение их как про-R (т.е.
H r) или npo-S (т.е. Н$) соответствует только их
пространственной ориентации в МВК и ФПФ, ко­
торая в данном случае идентична).
8 ^ 2 -атаке у атома С-1 со стороны другой
молекулы ФПФ (обозначенной на рис. 11.8
ФИФ^. Это приводит к отщеплению от нее
пирофосфата, к инверсии конфигурации
у атома С-1 и к образованию связи между
атомами С-1 и С-2 (рис. 11.8, а). Затем сле­
дует стереоспецифическая реакция 1,3-элиминирования, в процессе которой отще­
пляется l-npo-S-водород ФПФ! в виде Н +
наряду с отщеплением X ~ от ФПФ2. Одно­
временно с этими отщеплениями возникает
новая связь С-1—С-3', приводящая к по­
явлению циклопропанового кольца между
атомами С-1, С-2' и С-3' и образованию прескваленпирофосфата (рис. 1 1 .8 , 6 ).
Затем прескваленпирофосфат теряет пирофосфатную группу, образуя циклопропилкарбинил-катион (рис. 11 .8 , в); данную
реакцию считают нуклеофильным замеще­
нием по типу S n 2 , в котором атакующий ну­
клеофил представлен электронной парой от
связи С-1—С-3', а уходящая группа-пиро­
фосфатом. Этим можно объяснить наблю­
даемую инверсию конфигурации у С-1 ' мо­
лекулы ФПФ 2 (или того ФПФ, у которого не
отщепляется водород от С-1). Ион карбония
стабилизируется в результате нуклеофиль­
ной атаки его атома С-1 гидрид-ионом, про­
исходящим от В-стороны никотинамидного
кольца NADPH (он обозначен Нв в реакции
г на рис. 1 1 .8 ), и одновременного перемеще­
ния электронной пары от связи С-1—С-2'
с образованием двойной связи между С-2'
и С-3'. Атаку гидрид-ионом называют ну­
клеофильным замещением по типу Sn 2 ,
вследствие которого происходит инверсия
конфигурации у С-1 (атом С-12 вновь обра­
зованной молекулы сквалена) и, следова­
тельно, аннулируется инверсия данного
углеродного
атома,
вызванная
8м2-замещением на стадии а. Таким обра­
зом, Нв от NADPH становится 12-про-R-во­
дородом сквалена; равным образом 1-про-
Я-водород ФПФ 1 становится 12-npo-S-eoдородом сквалена.
Необходимо отметить еще один стереохимический аспект-на каждом конце моле­
кулы сквалена имеется прохиральный
центр, у которого (в данном случае) к атому
углерода присоединены две метильные
группы. Как и в случае прохиральных цен­
тров, включающих атомы водорода, эти
геминальные метильные группы сохраняют
свою индивидуальность: метильная группа,
занимающая транс-положение относитель­
но остатка молекулы сквалена, происходит
исключительно из атома С-2 мевалоновой
кислоты.
2. Образование стеролов
Сначала сквален под действием скваленэпоксидазы5-оксигеназы со смешанной
функцией, требующей 0 2 и NADPH, пре­
вращается в сквален-2 ,3-оксид, в молекуле
которого атом С-3 находится в S-конфигу­
рации.
Следующая стадия-это циклизация (3S)сквален-2,3-оксида. Она представляет собой
реакцию, которая наряду с самим фотосин­
тезом служит признаком, по которому фо­
тосинтезирующие организмы отличаются
от нефотосинтезирующих. У фотосинтези­
рующих организмов (например, у высших
растений и водорослей) продуктом циклиза­
ции является циклоартенол (11.57), тогда как
у нефотосинтезирующих организмов (на­
пример грибов, животных)-ланостерол
(11.58).
Циклизацию сквален-2,3-оксида в ци­
клоартенол катализирует сквален-2,3-оксид : циклоартенол— циклаза. Механизм ци­
клизации показан на рис. 11.9. Циклизация
инициируется электрофильной атакой про­
тоном кислорода эпоксигруппы, тогда как
молекула сквален-2 ,3-оксида удерживается
в развернутой конформации кресло -лод-
Иесложенныи
7 Сквалвн-2,3Оксид
кресло Лодка
Кресло Лодка
а {Поступательная циклизация
Промежуточный ион карбония
Перемещение по Вагнеру- НеервеОну
170н----- - :мн
IJaH— - 17аН
б
140< Н ,— — Ufll Hj
H olH j-------- -- 14а<Н,
Ч0Н------------ -K0H
Стабилизация иона карбония
ферм-Xм—- ЗА - положение
н
ФЕРМ-X
Транс - элиминирование Н*о т С-19
в и фЕРМ-Х~ из се-положения ато­
ма С-9
Uиклоартенол
Рис. 11.9. Механизм циклизации сквален-2,3-оксида в циклоартенол. Нумерация на рисунке от­
ражает систему нумерации стеролов; заместите­
ли, проецирующиеся над общей плоскостью
кольцевой системы, обозначаются Р, тогда как
заместители, проецирующиеся под плоскостью,
обозначаются а; а- и P-заместители изображают­
ся в двумерной формуле пунктирными (...) и не­
прерывными или клинообразными линиями ►
связей соответственно; метальная группа у атома
С-4, обозначенная черным кружком (•), происхо­
дит из атома С-2 мевалоновой кислоты.
ка-кресло-лодка в активном центре фер­
мента. Это вызывает «волну» реакций ци­
клизации (рис. 11.9, а), перемещающуюся
вперед по молекуле, что и приводит к обра­
зованию четырех связанных между собой
колец: трех циклогексановых и одного ци­
клопентанового. Поступательный процесс
циклизации заканчивается, когда недоста­
точность электронов достигает атома С-20,
из-за того, что остаток молекулы не сложен
в потенциальную конформацию кресла или
лодки, которая приблизила бы оставшуюся
двойную связь на достаточно короткое рас­
стояние для дальнейшего перемещения
электрона.
Ион карбония, образующийся в качестве
промежуточного продукта при поступатель­
ной циклизации, затем подвергается пере­
группировке в обратном направлении. Она
осуществляется в виде серии перемещений
Вагнера-Меервейна (Wagner, Meerwein).
Перемещение Вагнера-Меервейна можно
рассматривать как движение отрицательно
заряженного атома или группы (например,
Н или Н 3С “ ) от одного атома углерода
к непосредственно связанному с ним атому
углерода (т.е. 1,2-перемещение), если по­
следний несет положительный заряд. Таким
образом, фактически перемещение осущест­
вляется в виде мостикового иона карбония
(рис. 11.10) и возможно только в том случае,
когда участвующие в нем группы (т. е. пере­
мещающаяся группа и группа, отщепление
которой приводит к возникновению иона
карбония) транс-ориентированы и копланарны. Таким образом, в результате согла­
сованной серии перемещений ВагнераМеервейна мигрирующие группы передви­
гаются последовательно транс-способом
с инверсией конфигурации каждого из уча­
ствующих в этом процессе атомов углерода.
Перемещения Вагнера-Меервейна при
образовании циклоартенола происходят
в следующей последовательности: 1) пере­
мещение атома Пр-Н в виде гидрид-иона
Н " к С-20; этот водород ориентируется
в пространстве таким образом, что атом
С-20 приобретает R-конфигурацию; 2) пере­
мещение атома 13а-Н в 17а-положение;
3) перемещение 14(3-метильной группы, ко­
торая становится 13р-метильной группой;
4) перемещение 8а-метильной группы в 14аположение и 5) перемещение атома 9Р-Н,
происходящее таким образом, что он стано­
вится атомом 8Р-Н. В этот момент ион кар­
бония стабилизируется путем присоедине­
ния нуклеофильной группы (фермент-Х “ )
у атома С-9 в a-ориентации. Вслед за этим
происходит тракс-элиминирование 1) водо­
рода в виде Н + от метальной группы (С-19),
4
Рис. 11.10. Механизм перемещения по Вагнеру —
Меервейну.
присоединенной к атому С-10, и 2) группы
фермент-Х ~ из положения 9а; в результате
образуется циклопропановое кольцо между
атомами С-9, С-10 и С-19. Участие группы
фермент-Х” на последней стадии свиде­
тельствует о том, что этот процесс является
транс-элиминированием, как этого требует
биогенетическое изопреновое
правило.
В противном случае на последней стадии
имело бы место цмс-элиминирование, что
неприемлемо с точки зрения электронного
баланса.
У нефотосинтезирующих организмов,
таких, как грибы и животные, сквален-2,3оксид превращается в ланостерол. Процесс
этот катализируется другим циклизирующим ферментом - сквален-2 ,3-оксид : лано­
стерол—циклазой. Механизм циклизации
такой же, как и при биосинтезе циклоартенола,-до того этапа, когда в результате
перемещения по типу Вагнера -Меервейна
8 а-метильной группы дефицит электронов
достигает атома С-8 . Этот дефицит электро­
нов ликвидируется (т. е. ион карбония стаби­
лизируется) путем отщепления атома 9РН
в виде Н +, что ведет к возникновению двой­
ной связи между атомами С-8 и С-9.
В обоих тритерпеноидах-циклоартеноле и ланостероле - метальная группа у ато­
ма С-4, имеющая a-ориентацию (т. е. распо­
ложенная ниже общей плоскости цикличе­
ской системы и обозначенная черным
кружком на рис. 11.9), происходит из атома
С-2 мевалоновой кислоты.
Как уже отмечалось ранее в этой главе,
для растительных стеролов характерно алкилирование у атома С-24; оно осущест­
вляется путем однократного или двукратно­
го метилирования с участием S-аденозилметионина в качестве донора метальных
групп. Поскольку первое метилирование циклоартенола является следующей по поряд­
2 V""6
ку стадией в образовании стеролов у фото­
синтезирующих организмов, то целесоо­
бразно обсудить алкилирование в данном
месте изложения.
Основной механизм алкилирования во
всех случаях сходен. Однако в деталях он
может варьировать, различаясь конечной
хиральностью атома С-24, т. е. присут­
ствием либо 24а-метильной или этильной
групп, либо 24р-метильной или этильной
групп. В некоторых случаях детальный ме­
ханизм алкилирования может быть раз­
личным в зависимости от конкретного орга­
низма. Различные типы первого алкилиро­
вания показаны на рис. 1 1 .1 1 , второго
алкилирования-на рис. 11 . 1 2 .
Данные, на основе которых постулиро­
ваны рассмотренные механизмы алкилиро­
вания, были получены в результате экспери­
ментальных исследований, проведенных
в четырех направлениях; 1 ) биосинтез сте­
ролов
в
присутствии
Ь-(метил2 Н 3)-метаонина с последующим определе­
нием числа атомов дейтерия у заместителя
при С-24 методом масс-спектроскопии; так,
например, 24-метильные группы стеролов,
образующиеся путями 1, 2 и 3 (рис. 1 1 . 11 ),
должны содержать 3, 2 и 2 атома дейтерия
соответственно; 2 ) биосинтез стеролов
в присутствии [(42?}-4-3Н 1]-мевалоновой
кислоты (при этом атом трития локали­
зуется у С-24 Д24-стерола, подвергающегося
первому метилированию,) с последующим
анализом изотопного состава боковой цепи,
с тем чтобы выяснить, находится ли атом
трития при С-24, как в случае пути
1 (рис. 11.11), или при С-25, как требует путь
2 (рис. 11.11), или же ни при С-24, ни при
С-25 нет атомов трития, как это характерно
для пути 3 (рис. 1 1 . 11 ); 3) идентификация
побочных стеролов в данном организме
и сравнение строения их боковых цепей со
структурами, существование которых пред­
полагается на основе многочисленных, тео­
ретически возможных путей алкилирова­
ния; 4) введение меченых предполагаемых
S- адеиозил метионин
д!«- боковая цепа стеролов
28
1,2 н-перемещение
(С -2 4 —
Второе транс-метили­
рование S -аденозилметио­
нином,приводящее к С-29
серии растительных сте­
ролов (сн.рис. 11. ft)
нг си 1
Ni|
С-25)
• Н*(0/»С-26)
СНз
IT
(NADPH)
24- метиленстерол
-Над+Н(NADPH)
(NADPH)
н.
д и . Стероловый путь к
240- мвтилстеролам / водорослей
Chtozophyte и высших растений
24- метилен стероловый пут*
к 24р-мвтилстеролам у во­
дорослей Chzysophyte и грибов
Рис. 11.11. Обнаруженные к настоящему времени
у растений различные пути алкилирования при
атоме С-24, ведущие к образованию 24а- или 240метилстеролов. ® это водород, первоначально
присоединенный к атому С-24 Д24-боковой цепи
стеролов, который был бы тритием в том случае,
если бы биосинтез стерола происходил из
[(4Я)-2-Н^]-мевалоновой кислоты; Нн,о~ион во­
дорода из водной среды.
предшественников стеролов с опреде­
ленным строением боковой цепи в иссле­
дуемый организм с целью выяснения, могут
ли они превратиться в главный (главные)
стерол(ы) этого организма.
Характерными особенностями первой
стадии как первого, так и второго алкилиро­
вания (рис. 11 . 1 1 , 0 и 11.12,а) являются:
1) наличие положительно заряженного ато­
ма серы (иона сульфония) у донора метильной группы - S-аденозилметионина и 2) на­
СНз
Дм - Стероловыйпуть к
24а- метилете ро­
лам у высших рас тений
личие двойной связи в нужном месте
молекулы-акцептора метильной группы,
т.е. Д24-двойной связи в циклоартеноле при
первом алкилировании и Д24<28,-двойной
связи в 24-метиленстероле при втором алки­
лировании. Это обеспечивает перенос ме­
тильной группы и образование иона карбо­
ния, перегруппировка и стабилизация кото­
рого и приводит к различным путям алки­
лирования.
Ион карбония, образовавшийся в резуль­
тате стадии а при первом метилировании
(рис. 11.11), несет положительный заряд,
формально локализованный при C-2S.
В случае пути /, ведущего к образованию
24р-метилстеролов у зеленых водорослей
и высших растений, этот ион карбония ста­
билизируется (рис. 11.11, б) в результате от­
щепления протона от С-26 метильной
группы. Возникающая при этом Д25-двойная связь затем восстанавливается за счет
S- аденозилметионин
24 - метилен стероловоя боковая цепь
(<образованная, как показано на рис. ff. / / )
и+ Н
Нилк.
H*(emC-28)
s CHj1
ж.
ьг
(NADPH)
1.2
н;,о
®+
сн,
к
1®
д 24-24- зтилстерол
2-24- этилиденстерол
н -перемещение
(С-25----- С-24)
»■ Н*(дапС-26)
/
сн2
'(NADPH)
5
74-этилиденстеролоВый путь к
ь}*-Стероловый
2ЬоС-зтилстеролам у водорос- в путь к 24<х-этилстеролам
лей C h z y so p fiy te
у высших растений
сн,
' Н" (NADPH)
д “ -240- зтилстеролы
д и - стероловый п уть к
24 р - зтилстеролам у водорослей
Chtozophyte и высших расте­
ний
NADPH с образованием полностью насы­
щенной боковой цепи с 24р-метальной груп­
пой (рис. И. 11, в). В данной реакции ион во­
дорода (Нн,о) из водной среды присоеди­
няется к атому С-26, а гидрид-ион (Н ~) от
NADPH-к атому С-25; при таком восста­
новлении обычно Н * присоединяется к на­
именее насыщенному углеродному атому, а
Н “ -к наиболее насыщенному углеродному
атому. Необходимо отметить, что в случае
пути 1 хиральность атома С-24 определяет­
Рис. 11.12. Различные пути, обнаруженные к на­
стоящему моменту в мире растений, для дальней­
шего алкилирования боковой цепи, ведущие
к образованию 24а-этил- и 24Р-этилстеролов.
@ -это водород, первоначально присоединен­
ный к С-24 Д24-боковой цепи стеролов, ко­
торый был бы тритием в том случае, если бы
биосинтез
стерола
происходил
из
(4 К)-4 -Н 1-мевалоновой кислоты; Нй 2о _ион во‘
дорода из водной среды.
ся тем фактом, что метальная группа при­
соединяется позади плоскости Д24-двойной
связи, как это показано на рис. 11.11.
В случае путей 2 и 3 промежуточный ион
карбония, образующийся
на стадии
а (рис. 11.11), претерпевает перегруппиров­
ку. Атом водорода при С-24 переносится пу­
тем 1,2-перемещения к атому С-25; в резуль­
тате образуется новый ион карбония
с положительным зарядом, формально ло­
кализованным при С-24 (рис. 11.11, г). Затем
он стабилизируется путем отщепления про­
тона от вновь присоединившейся метильной
группы, что приводит к образованию боко­
вой цепи с Д24(28)-двойной связью
(рис. 1 1 .11 , д).
В случае пути 2, ведущего к образованию
24Р-метилстеролов у водорослей Chrysophyte (например, Ochromonas) и у грибов (на­
пример, Saccharomyces cerevisiae, Phycomyces
blakesleeanus, Mucor pusillus), Д24(2 8)-двойная
связь восстанавливается за счет NADPH;
при этом Н + присоединяется к С-28, а
Н “ - к С-24 (рис. 11.11, е). В этом случае хиральность при атоме С-24 определяется на­
правлением данной реакции восстановле­
ния. Н 1 присоединяется впереди плоскости
Д24(28)-дВОйи0й связи, как это показано на
рис. 11.11. Важно запомнить, что у грибов
Д24-боковая цепь стеролов, подвергающая­
ся первоначальному метилированию (т.е.
стадия а на рис. 1 1 . 11 ) по пути 2 ,- это бо­
ковая цепь ланостерола, а не циклоартенола.
В случае пути 3, ведущего к образованию
наиболее распространенных у высших рас­
тений 24а-метилстеролов, предполагают
(хотя это еще полностью не доказано), что
24-метиленовая боковая цепь изомеризуется
в Д24-боковую цепь (рис. 11.11, ж). Этот
процесс включает электрофильную атаку со
стороны Н н2о при метиленовом атоме
углерода с одновременным отщеплением
Н + от С-25 для стабилизации образующе­
гося иона карбония при С-24. Д24-Двойная
связь затем восстанавливается за счет
NADPH (рис. 11.11, з); в этом случае остает­
ся неизвестным, какой из двух атомов угле­
рода, образующих двойную связь, атакуется
Н н 2о . а какой - Н | ; это нельзя предсказать
и теоретически на основе их относительной
степени насыщенности. Однако именно на­
правленность этого восстановления создает
хиральность атома С-24.
24-метиленовая боковая цепь, образую­
щаяся на стадиях а, г и д (рис. 1 1 .1 1 ), служит
«затравкой» для второго метилирования,
которое путями 4, 5 и 6 (рис. 11.12) ведет
к образованию боковых цепей с 24а- и 24(3этильной группой. Необходимо отметить,
что у грибов второе метилирование проис­
ходит очень редко.
На первой стадии второго метилирова­
ния (рис. 11 . 1 2 , а) образуется промежу­
точный ион карбония с положительным за­
рядом, формально локализованным при
С-24; а к последнему в данный момент при­
соединена и этильная группа.
В случае пути 4, ведущего к образованию
24р-этилстеролов у зеленых водорослей
и высших растений, ион карбония перегруп­
пировывается путем 1 ,2 -перемещения ги­
дрид-иона от С-25 к С-24 (рис. 11,12,6).
Образующийся при этом ион карбония
представляет собой 24-этиловый аналог ио­
на карбония, образующегося на стадии
а (рис. 11 .1 1 ), а путь, с помощью которого
он превращается в боковую цепь, содержа­
щую 24р-этильную группу (рис. 1.1.12, в и г),
аналогичен пути образования у зеленых во­
дорослей и высших растений боковой цепи,
содержащей
24р-метильную
группу
(рис. 11.11,6
и
в).
Между
путями
1 (рис. 11.11) и 4 (рис. 11.12) имеется суще­
ственное сходство. Однако они все же раз­
личаются по способу, с помощью которого
возникает хиральность атома С-24; в случае
пути 1 она определяется первым метилиро­
ванием, тогда как в случае пути 2 она опре­
деляется стереоспецифичностью 1,2 -перемещения гидрид-иона.
В случае путей 5 и 6 ион карбония, обра­
зующийся на стадии а (рис. 11 .1 2 ), стабили­
зируется в результате отщепления Н + от
С-28, приводящего к образованию боковой
цепи 24-этилиденового типа с Д24<28 )-двойной связью (рис. 11 . 12 , д).
В случае пути 5, ведущего к 24р-этилстеролам у водорослей Chrysophyte (например,
Ochromonas
malhamensis, I
Monodus
subterraneus), Д24(2 8)-двойная связь восстана­
вливается за счет NADPH; Н й2о при этом
присоединяется к С-28, а Н ~ - к С-24
(рис. 11.12, в). Как и в случае пути
2 (рис. 11.11), которому аналогичен путь 5,
направление этого восстановления опреде­
ляет хиральность атома С-24: Н~ присое­
диняется впереди плоскости Д24(2 8)-двойной
связи, как изображено на рис. 11 .1 2 .
При функционировании пути 6 , ведущего
к наиболее распространенным у высших
растений 24а-этилстеролам, Z-24-этилиденовая боковая цепь изомеризуется в Д24 -боковую цепь (рис. 1 1 . 12 , ж), очевидно, таким
же путем, как и в случае пути
3 (рис. 11.11, ж). Более того, как и в случае
пути 3, Д24-двойная связь восстанавливается
за счет NADPH (рис. 11.12, з). Таким обра­
зом, направление восстановления опреде­
ляет хиральность атома С-24.
У бурых водорослей (например, Fucus
spp.) наиболее распространенный стеролэто 24-этилиденстерол фукостерол, который
имеет противоположную конфигурацию
А24 <28 ,-дВОйНОй связи по сравнению с той,
которая показана на рис. 1 1 .1 2 (т.е. он
является £-24-этилиденстеролом). Полу­
чены данные о том, что фукостерол обра­
зуется по пути 5 (рис. 11.12); в связи с этим
было высказано предположение, что проти­
воположная конфигурация обусловлена раз­
личной стереоспецифичностью ферментов,
катализирующих стадию д.
В предшествующем обсуждении ничего
не говорилось о стеролах, функционирую­
щих в качестве подлинных субстратов для
ферментов метилирования. В результате
многочисленных работ, в том числе иссле­
дований, проведенных с изолированными
ферментами, стало очевидным, что у фото­
синтезирующих организмов субстратом для
первого метилирования служит циклоарте­
нол, а для второго-24-метиленлофенол.
С другой стороны, у грибов (у которых обы­
чно происходит только одно метилирова­
ние) субстратом обычно является ланостерол. Однако у дрожжей (S. cerevisiae)
метилирования ланостерола не происходит
до тех пор, пока не произойдет отщепления
части или всех 4,4,14-метильных групп;
у дрожжей, по-видимому, зимостерол (Д8,24холестадиен-ЗР-ол) является наиболее эф­
фективным субстратом для метилирования.
На рис. 11.13 реакции метилирования
увязаны с ранними стадиями биосинтеза
стеролов, как это происходит на самом деле
у высших растений и водорослей. Фер­
менты, катализирующие первоначальное
метилирование, образуют циклолауденол
(стадия а и б на рис. 11.11) или 24-метиленциклоартанол (стадии а, г и д на рис. 11 . 11 ).
Оба этих соединения затем подвергаются
дальнейшим превращениям (в стероидном
ядре и в некоторых случаях в боковой цепи)
с образованием 24р-метилстеролов. Путь,
ведущий к образованию 24а-метилстеролов,
включает отщепление 4ос-метильной группы
от 24-метиленциклоартанола, дающее циклоэвкаленол, в котором затем происходит
раскрытие 9р, 19-циклопропанового кольца
с образованием обтузифолиола (рис. 11.14).
Последний превращается в 24-метиленлофенол; этот процесс включает отщепление
14а-метильной группы и перемещение
А8-двойной связи в положение А . Фер­
мент, раскрывающий циклопропановое
кольцо, обладает большой специфич­
ностью, поскольку он действует только на
4а-метилстеролы, такие, как циклоэукаленол.
Этой специфичностью можно объяс­
нить отсутствие ланостерола в расти­
тельных тканях; если бы циклоартенол мог
быть субстратом этого фермента, то про­
дуктом этой реакции был бы ланостерол.
24-метиленлофенол превращается в 24а-метилстеролы (стадии ж и з на рис. 11 . 1 1 )
и используется в качестве субстрата второго
метилирования. Ферменты, катализирую­
щие второе метилирование, образуют 24рэтилстеролы (стадии а -г на рис. 1 1 .12 ) или
24-этилиденлофенол (стадии а и д на
рис. 11.12). Последний далее превращается
в 24р-этилстеролы у водорослей Chrysophyte (стадия е на рис. 1 1 .1 2 и изменения
в стероидном ядре, а в некоторых случаях
также и в боковой цепи) и в 24а-этилстеролы
у высших растений (стадии ж и з на
рис. 1 1 .1 2 и изменения в ядре, а в некоторых
случаях и в боковой цепи).
Изменения стероидного ядра и боковой
цепи, упоминаемые в предыдущем разделе,
включают: 1) потерю второй 4а-метильной
группы, 2) превращение Д7-стеролов в Д5стеролы и 3) введение Д27-двойной связи;
все эти превращения обсуждаются в сле­
дующем разделе. Трудно объединить эти
изменения в какой-либо один четко очер­
ченный путь (в действительности, весьма
возможно, что такого пути и не существует)
до тех пор, пока энзимология этого пути не
будет выяснена, поскольку вырисовываются
побочные пути, которые у разных растений
могут быть различными как в качественном,
так и в количественном отношении. Следо­
вательно, на данной стадии изучения у нас
мало оснований предполагать наличие ка­
кого-то общего пути последних стадий био­
синтеза растительных стеролов.
Как уже указывалось ранее, у представи­
телей растительного царства (особенно
у красных водорослей) холестерол всегда
присутствует в больших или меньших коли­
чествах, и тем не менее его биосинтез у рас­
тений детально еще не изучен. Однако на
рис. 11.15 все же показаны возможные пути
его образования из циклоартенола, постули­
рованные 1) на основе данных о наличии
у растений большинства соединений, уча­
ствующих в этих реакциях; 2 ) по аналогии
с последовательностью реакций при превра­
щении ланостерола в холестерол у жи-
Рис. 11.13. Реакции метилирования в связи с ранними стадиями биосинтеза стеролов у высших
растений и водорослей. Буквы а - з относятся
к стадиям реакций, показанных на рис. 11.11 или
11.12; звездочка указывает, что помимо реакций,
обозначенных буквами, происходят изменения
ядра стеролов, а иногда и боковой цепи,
Рис. 11.14. Механизм раскрытия 90,19-циклопропанового кольца в циклоэвкаленоле (В и N -это
активные группы в активном центре фермента,
катализирующего данную реакцию; Н, который
переносится от В к С-19 стерола, может обмени­
ваться с Н t водной среды: таким образом, если
реакция происходит в 2 Н 20 , один атом дейтерия
включается в 1Ор-метильную группу обтузифолиола.)
вотных и 3) на основе того факта, что неко­
торые из соответствующих реакций наблю­
даются у высших растений.
3. Некоторые соображения о сте­
реохимии и механизме процесса
биосинтеза
У циклоартенола, как и у сквалена, геминальные метильные группы при С-4 со­
храняют свою тождественность -4а-метильная группа образуется специфически из
атома С-2 мевалоновой кислоты. Отщепле­
ние этих метильных групп осуществляется
с помощью двух отдельных, но по механиз­
му сходных серий реакций, причем 4а-метильная группа удаляется первой. Однако
у растений эти серии реакций разделены во
времени на период, требующийся для удале­
ния 14а-метильной группы. Таким образом,
у растений метильные группы отщепляются
в следующей последовательности: 4а, 14а
и 14fJ. Однако, как вскоре станет ясно, 4|}-метильная группа приобретает 4а-ориентацию
в тех стеролах, от которых она отщепляется.
Механизм отщепления 4а-метильной
группы показан на рис. 11.16. Эта группа
сначала окисляется до карбоксильной
группы в три стадии, каждую из которых ка­
тализирует оксигеназа со смешанной функ­
цией (рис. 11.16,а); таким образом, в каче­
стве промежуточных продуктов в этом про­
цессе образуются стеролы с 4а-СН2ОНи 4а-СНО-группами. Происходящее вслед
за этим декарбоксилирование облегчается
предварительным окислением вторичной
спиртовой группы при С-3 в оксогруппу
(рис. 11.16,6). В результате удаления кар­
боксильной группы образуется 4-метил-З-
но' X
но" Т
Циклоартенол
"
но
31-норциклоартенол
но' ' Г v
Циклоартанол
' 31 -норланостерол
но
31- норциклоартанол
Полли на стерол
*24,25-ди еидро-31-норлано стерол
но
ifc t-м ет ил-24,25аи ейорози мостерол
■«осн;
пч-метилзимостерол
k»l4aCHj
14аCHj
24,25-дигидрози мо- Насыш- Л Зимостерол
стерол (&*-холестри-3$-ол)
( йв- ю ле ст ен-зр-ол)
Ла то стерол
НасыщРл2* ^ - х о л е с т а д и е н З в -о л
( д 7- холе стен -Зр -ел)
| » 2 Н ( Д 5)
N—
2Н(Д‘ )
7-дееидрохолестероп М сыщ' а 2* й 9Л.^-холестатри(А 5-7-холеетадиен-Зр-ол)
ен -З р -о л
И асы щ . л ‘
Рис. 11.15. Возможные биосинтетические пути от
циклоартенола к холестеролу у высших растений
и водорослей (Р. К. представляет собой раскры­
тие 9р, 19-циклопропанового кольца; звездочка
указывает, что хотя метальная группа имеет Ц
ориентацию, она первоначально была 4р-метильной группой циклоартенола).
енол (рис. 11.16, в), кетонизация которого
(рис. 11.16, г) приводит к тому, что металь­
ная группа приобретает более стабильную
экваториальную
4а-ориентацию.
Затем
3-оксогруппа восстанавливается за счет
NAD PH , и в результате снова появляется
ЗР-гидроксилсодержащая функциональная
группа.
Удаление от С-4 второй метильной
группы (или 4р-метильной группы, которая
теперь стала 4а-мегильной группой) осу­
ществляется обычно на уровне 4а-метил-Д7стерола. Механизм этого процесса иденти­
чен тому, который показан на рис. 11.16,
с той лишь разницей, что 4р-метильная
Нась/щ.пА}
Иасыщ
Холестерол
Цесмостерол
группа заменена 4р-водородом, который
в этой серии реакций принимает 4а-ориентацию; присоединяющийся из водной среды
ион водорода (рис. 11.16, г) занимает 4р-положение.
Удаление 14а-метильной группы наибо­
лее интенсивно исследовалось при изучении
биосинтеза холестерола в животных тканях,
но все же механизм этого процесса пол­
ностью еще не выяснен. На рис. 11.17 пока­
зан предполагаемый механизм, который со­
гласуется с имеющимися стереохимическими и другими экспериментальными данны­
ми. Сначала 14а-метильная группа окис­
ляется до 14<х-гидроксиметильной группы
NADPH + 0 2
......J?
НЭС
а
CHj
COj (us 4а CHj)
Рис. 11.16. Механизм отщепления 4а-метильной
группы от 4,4-ДИметилстеролов. Реакция а-трех­
ступенчатый процесс, включающий последова­
тельное промежуточное участие 4а-гидроксиметил- и 4а-формилстеролов,-каждая стадия тре­
бует участия NADPH и 0 2; отметим, что
4р-метильная группа 4,4-диметилстеролов ме­
няет конформацию в процессе деметилирования
и становится 4ос-метильной группой продукта ре­
акции; удаление 4а-метильной группы от 4а-метилстерола с образованием 4а-деметилстерола
происходит способом, аналогичным показанно­
му выше.
оксидазой со смешанной функцией, содер­
жащей цитохром Р450. Эта стадия (рис.
11.17, а) ингибируется оксидом углерода
и некоторыми фунгицидами (например,
триадимефоном), молекулы которых содер­
жат азотсодержащие гетероциклы. Затем
14а-гидроксиметильный
промежуточный
продукт окисляется до 14а-формилстерола
второй оксидазой со смешанной функцией,
которая, однако, не связана с цитохромом
Р450 (она не ингибируется СО). Полагают,
что это окисление осуществляется в две ста­
дии (рис. 11.17,6 и в); сначала С-32 гидроксилируется далее с образованием 32-гемдиола, который затем дегидратируется
с образованием формильной группы. 14аформильный промежуточный продукт пре­
вращается в Д8,14-стерол, тогда как фор­
мальная группа отщепляется в виде фор­
миата, который затем окисляется формиатдегидрогеназой6 до С 0 2. Удаление фор-
мильнои группы катализируется оксигеназой со смешанной функцией; оно не
ингибируется оксидом углерода, а это
указывает, что цитохром Р450 не участвует
в этом процессе. По аналогии с 1ОР-деметилированием в процессе ароматизации коль­
ца А при биосинтезе эстрогенов постулиро­
вали, что этот фермент является негемовым
флавопротеином, катализирующим окисле­
ние типа Байера - Виллигера (Ваеуег,
Villiger) (рис. И. 17,г, д и е). Как пока­
зали эксперименты с (21?)-2-3Н1-и (2S)2-3Hj-мевалоновой кислотой, в ходе этой
реакции стереоспецифически отщепляет­
ся 15а-водород стеролового промежу­
точного продукта (т.е. первоначальный
2-про-5-водород МВК). Д14-двойная связь
далее восстанавливается Д14-стерол-редуктазой, требующей присутствия NADPH
(рис. 11.17,эк:); при этом восстановлении
Н “ от NADPH становится 14а-водородом,
тогда как Н + из водной среды становится
15р-водородом 14-деметилстерола.
Превращение Д8-стеролового промежу­
точного продукта в Д5-стерол происходит
обычно в следующей последовательности:
Д8 -» Д7-* Д5,7 -» Д5. Хотя ферменты, ката­
лизирующие эти реакции, не были выделены
и изучены как индивидуальные соединения,
уже многое известно об их стереоспецифич­
ности благодаря использованию мевалоно­
вой кислоты, стереоспецифически меченной
тритием при С-2, С-4 и С-5 (рис. 11.18).
Многие стеролы высших растений, водо­
а
в
0 2 , NADPH
O j.N A D PH
«ШПР450*
14or- метил стерал
14e-CHjOH -стерол
У 1 -е в м -д и о л
I—
H iO
0 2 , NADPH
14а- формилстерол
Нд + н.соо
NADPH
NADP
J
д в' г<- стерол
14-деметилстерол
Рис. 11.17. Постулированный механизм отщепле­
ния 14а-метильной группы в процессе биосинтеза
стеролов (Н2Л и H 2s были первоначально
2 -про-Я- и 2-про-5-атомами водорода мевалоновой кислоты; Ннго -это водород из водной
среды; цит. Р450-цитохром Р450-оксигеназа со
смешанной функцией; ФЕРМ постулируется как
флавопротеин-оксигеназа со смешанной функ­
цией, катализирующая окисление по типу Байе­
ра - Виллигера, по аналогии с участием в удале­
нии 1 0 р-метильной группы при ароматизации
кольца А в эстрогенах у животных).
рослей и грибов (но не животных) обладают
транс-Д22-двойной связью. Она вводится
в боковую цепь стеролов после того, как за­
кончится алкилирование атома С-24. По­
скольку атомы С-22 и С-23 первоначально
были атомами С-2 и С-5 МВК соответствен­
но, то использование различных видов мевалоновой кислоты, стереоспецифически ме­
ченной тритием при С-2 и С-5, позволило
изучить стереоспецифичность отщепления
водорода в ходе образования Д22-двойной
связи. Результаты этих исследований пока­
заны на рис. 11.19.
Образование
холестерола
требует,
чтобы Д24-двойная связь была насыщена.
Пока ничего не известно об этом процессе
в растительном царстве, но на рис. 11.20 по­
казаны стереохимический ход и вероятный
механизм этого процесса в животных тка­
нях.
4. Пентациклические тритерпены
Биохимически исследовалось совсем не­
много пентациклических тритерпенов. Од­
нако путь от сквален-2,3-оксида до Р-амирина, показанный на рис. 11,21, подкреплен
Рис. 11.18. Стереоспецифичность
Л®-* А7 -*
-»Д5 ,7 -+Д 5 превращения стеролов. Обозначения
водородов как 2R, 25, 4 R, 45, 5R и 5S указывают,
что они были первоначально npo-R- и npo-S-атомами водорода мевалоновой кислоты; H&iO-3T°
ион водорода из водной среды; Нн2о ~водород,
извлеченный из водной среды; Н в-это водород,
происходящий с В-стороны никотинамидного
кольца NADPH, т.е. 4-про-5-водород.
Звездочки указывают на следующее: хотя
у высших растений и Ochromonas malnamensis,
а также в процессе биосинтеза холестерола у жи­
вотных отщепляется 7р-водород, у дрожжей от­
щепляется 7а-водород.
Н*
Cie г ой end rum sp.
(высшие растения)
Ochromonas spp.
(водоросли Chrysophyte)
Рис. 11.19. Стереоспецифичность элиминирова­
ния водорода при образовании А—-двойной свя­
зи в стеролах некоторых высших растений, водо­
рослей и грибов. Обозначение водорода R или
Asperg'iUus fumign tus
Btokeiiea trisporo
(гривы)
S указывает, что он является про-Я- или про-5-водородом у того атома углерода, с которым он
связан; следует отметить, что С-22 происходит от
С-2 мевалоновой кислоты, а С -23-от С-5 МВК.
Нде (с тыла)
х-ФЕРМ(С фронта)
н
4ЯН^ «
I
\-Ф ЕР М
Рис. 11.20. Насыщение Д24-двойной связи в про­
цессе биосинтеза холестерола в животных тканях
(Н4 д-это первоначальный 4-про-Я-водород мевалоновой кислоты, который становится 24-проЯ-водородом холестерола; Н н,о~это ион водо­
рода из водной среды; H jj-это гидрид-ион,
происходящий от В-стороны никотинамидного
кольца NADPH, т.е. 4-про-5-водород, который
осуществляет 5м2-замещение Х~-ФЕРМ, ата­
куя С-25 с тыла; X ” -это нуклеофильная часть
фермента, катализирующего реакцию в целом;
• - э т о первоначальный атом С-2 мевалоновой
кислоты).
значительными
экспериментальными
данными. Атомы трития в сквален-2,3-окси­
де и p-амирине показывают локализацию
первоначального 4-про-Я-водорода мевало­
новой кислоты в этих молекулах. Промежу­
точные стадии данного превращения пред­
ставляют собой допустимые с позиций
теоретической органической химии 1 ,2 -перемещения, а на конечной стадии-отщ епле­
ние протона, что приводит к наблюдаемому
экспериментально распределению трития
в молекуле Р-амирина.
Интересны пентациклические тритерпены - диплоптен (11.59), серратен (11.60), гопен и фернен (рис. 1 1 .2 2 ), образующиеся
в папоротнике Polypodium vulgarе, поскольку
они являются углеводородами и образуют­
ся, следовательно, при инициируемой про­
тоном (Н + ) циклизации самого сквалена,
а не сквален-2,3-оксида. Изотопные исследо­
вания с мевалоновой кислотой, меченной
в 4К-положении тритием, экспериментально
подтвердили пути биосинтеза гопена
и фернена, показанные на рис. 1 1 .2 2 .
I
5. Гликозиды и эфиры стеролов*
На рис. 11.23 суммированы все имею­
щиеся данные о биосинтезе этих про­
изводных стеролов. Стерилгликозиды син­
тезируются в аппарате Гольджи путем
переноса глюкозного остатка с U D P -глю­
козы (рис. 11.23, а). Эти глюкозиды далее
могут метаболизироваться путем ацилирования препаратами частиц клетки или рас­
творимыми ферментами в присутствии под­
ходящего донора ацильной группы, напри­
мер фосфатидилэтаноламина (стадия б),
в препаратах частиц или дигалактозилдиацилглицерола (стадия в) в растворимой си­
стеме ферментов. Донором ацильной
группы для этерификации стеролов в листь­
ях шпината служит диацилглицерол (стадия
г), а у гриба Phycomyces blakesleeanus - фосфатидилхолин (стадия д).
6. Стероидные гормоны**
У высших растений путь синтеза проге­
стерона из холестерола аналогичен тому,
*
Все буквенные обозначения реакций
в этом разделе относятся к рис. 11.23.'
** Все буквенные обозначения реакций
в этом разделе относятся к рис. 11.24.
29 30
Рис. 11.2^. Превращение сквален-2,3-оксида
в Р-амирин. • |4С от атома С-2 МВК; Т - Н 3 из
4-про-Я-положения МВК; изогнутая прерыви­
стая линия между двумя атомами углерода
указывает, что они соединяются новой связью
после расщепления соседней связи, показанной
стрелкой.
который действует у животных (рис. 11.24).
Удалению боковой цепи предшествует гидроксилирование при С-22 и С-20 (стадии
а и б). Образующийся в результате этого
процесса прегненолон (стадия в) далее окис­
ляется в прогестерон (стадия г). У многих
растений более распространенные стеролы
с алкильной группой при С-24 заменяют
холестерол в качестве исходного про­
дукта.
Ферм
Х-ФЕРМ
Поступательное
циклизация
~ Г
Н^+Х-ФЕРМ
СкОален
Кресло
Кресло Кресло кресло лодка
по ти п у Вагнера Меервейна)
ввиден\стабилизаи.ия иона карбония)
2 1 а н — » 22Н (перемещение
21аН - -------- *-22Н
170Н - — — 210Н
ISaCH j ------ -1 7 а С Н
1 3 0 Н - ------ — Ilg H
14а< Н -------- -1 3 e C H
90(Н , - — — - 140СН
9аН — ------—*■8аН
- 1
Перемещение по
типу Вагнерамеервейна
\ Q\\ в виде н '(сга б и л и з а н и я )
Гопен!
Ф ернен
Рис. 11.22. Внутримолекулярные перегруппиров­
ки в процессе превращения сквалена в гопен I
и фернен. Ннго~это ион водорода из водной
среды; X 1 -нуклеофильная группа ферментов,
катализирующих две различные циклизации; Т атом трития от (4R)-4-H,-мевалоновой кислоты.
UDP-глюкоза UDP
Ж
V
^
НО
Стерол1
ДГ~
N
Листья шпината
МГ А
■ФХ
Грибы
Ч Л и э о -ф Х
Стерил -р -D-глюкозид2
ДГДГ.
Цитозоль Выс
шип растений
дгм г ;
уф э
( ЧикрОСОМЫ
Высших
растении
^ Лиза- фэ
/ Ч / Ч / Ч Л с —о'
II
о
Эфиры стеролов
Аиилиробанный стерил-д-п-глюкозид
Рис. 11.24. Биосинтез прогестерона из холесте­
рола у растений.
стероидного ядра (стадия в), происходящей
перед тем, как присоединяется ацетат
с образованием карденолидного (а, Р-ненасьнценного у-лактонного) кольца, что
7. Карденолиды *
дает дигитоксигенин (стадия г). При даль­
нейшем гидроксилировании может полу­
На рис. 11.25 показаны установленные
к настоящему времени стадии образования
читься гитоксигенин (стадия д) и дигоксигенин (стадия е). Реакция а может происхо­
карденолидов у Digitalis. Прегненолон вос­
дить и с образованием 5а-прегнановых
станавливается в 5р-изомер (стадия а) (циспроизводных, но они, по-видимому, не
сочленение колец А/В стероидного ядра).
являются промежуточными продуктами.
Далее, после восстановления 3-оксогруппы
Введение 14р-гидроксильной группы не свя­
(стадия б), вводится 14р-гидроксильная
зано с образованием двойной связи при С - 8
группа с инверсией соединения колец C/D
или С -15. Однако детальный механизм этой
реакции пока неизвестен. Образование гли*
Все буквенные обозначения реакций
козидной связи, которая в карденолидах
в этом разделе относятся к рис. 11.25.
всегда имеет P-конфигурацию, еще детально
не изучено.
Рис. 11.23. Пути биосинтеза эфиров стеролов,
гликозидов и ацилированных гликозидов стеро­
лов у отдельных представителей растительного
мира (ДГ-диацилглицерол; МГ-моноацилглицерол; ФХ-фосфатидилхолин; ФЭ-фосфаидилэтаноламин; ДГДГ - дигалактозилдиацилглицерол; ДГМГ-дигалактозилмоноацилглицерол;
1 -все стеролы в данной ткани, по-видимому,
образуют эфиры, тогда как только 4,14-деметилстеролы, вероятно, образуют гликозиды;
2 -большинство
обычных стерилгликозидов
являются глюкозидами, но известны также маннозиды, галактозиды и гентиобиозиды; 3-ацилирование обычно происходит у б'-гидроксильной
группы остатка сахара; / ч / ч / ч / у л с — остаII
ток жирной кислоты).
0
8. Сапогенины
На рис. 11.26 показан биосинтез сапогенинов из холестерола, происходящий без от­
щепления боковой цепи и без участия прегненолона в качестве промежуточного про­
дукта.
9. Экдизоны
У растений экдизоны (11.27) синтези­
руются из холестерола; однако механизм
образования цис-сочленения колец А/В,
а также стадия, на которой в молекулу вво­
дятся 6 -оксогруппа и дополнительные ги-
5(3- прегнан- 3. 20-дион
н
Н
50- прегнан -3fi, 14р -д и о л- 20-он
Д игоксиеенин
5/3-прегнан- Э/}-ол- 20-он
Рис. 11.25. Известные стадии превращения прегненолона в карденолиды.
он
Дигидро крипта генин
Рис. 11.26. Постулированный путь превращения
холестерола в сапогенин диосгенин (отметим, что
боковая цепь стеролов не отщепляется, как это
происходит в случае карденолидов).
VII. Тетратерпены - каротиноиды
1. Образование фитоина*
дроксилы, пока еще не установлены. По не­
которым данным, на ранних стадиях био­
синтеза образуется Д7-двойная связь; при
этом отщепляются 7Р- и 8 р-атомы водоро­
да. t/uc-Сочленение колец А/В возникает не
через 3-оксопроизводное, как в карденолидах (разд. B.VI.7); предполагаемый меха­
низм включает участие 5а, ба-эпоксида
(рис. 11.27). После образования эпоксидной
группы (стадия а) атака протоном создает
условия для внутримолекулярного переме­
щения гидрид-иона от С-4 к С-5 и от С-3
к С-4 с одновременным отщеплением про­
тона от гидроксильной группы при С-3 (ста­
дия б). Образующийся при этом ба-гидрокси-5Р-кетон превращается в ЗР-гидрокси-6 оксосоединение (стадия в), которое в резуль­
тате присоединения гидроксильных групп
в С -14(a)-, С-2(Р)-, С-25- и С-22(а)-положениях приводит к экдизону. Дальнейшее гидроксилирование при С-20 дает Р-экдизон.
10. Стероидные алкалоиды
Эти
в гл. 13.
соединения
рассматриваются
Первым С 40 углеводородным предше­
ственником каротиноидов является фитоин,
представляющий
собой
аналог
С30предшественника стеролов-сквалена, с той
лишь разницей, что в фитоине центральная
связь
ненасыщенна.
Он
образуется
(рис. 11.28) из префитоинпирофосфата, ко­
торый получается в результате соединения
«хвост к хвосту» двух остатков геранилгеранила, происходящих из геранилгеранилпирофосфата точно таким же образом, как
образуется прескваленпирофосфат из двух
молекул
фарнезилпирофосфата
(см.
рис. 11.8 ). Затем путь образования фитоина
может пойти по одному из двух возможных
направлений (стадии в и г) в зависимости от
того, образуется ли полностью-транс- или
15-умс-фитоин. Об этом свидетельствует тот
факт, что стереоэлиминирование водорода
при С-15 и С-15' происходит различным
образом, соответственно тому, какой изо­
мер фитоина образуется. Префитоинпирофосфат теряет свою пирофосфатную группу
Холестерол
<Ь
14аНО
22Но! П°следователь -
; 5но| кость неизвестна
ОН
НО I
Рис. 11.27. Вероятный путь биосинтеза экдизонов
у Polypodium vulgare.
Н
СН, ^ О ® ®
“I 1#
,
, Cul,""aa0 •<
r/ ^ с / «
н
V
н
О®®
ГГПФ(молекула Ц ГГПФ (м олекула 2)
,д2 -реакция, вызывающая инвер­
сию конф игурации у с - 1 ГГПФи )
Hs Н«
сн,
Сх
г 2’
Ш ниВИВ
ЯП
I,з- элим инирование Hg от С- / и
у. 'от
С -з'с образованием циклопропанового кольца между атомами С-i, С-2'
и С -3'
н
С‘
R
- 'V /
Префи тоинпиро фосфат
V3
I J (ст абильный промежуточный
CHj
продукт)
н,<-Г
О )® ®
-о ® ® *
СН з
Ь
н
конф игурации С-1' ГГПф (2у
Hs н*
-с.
S
сию
Н
Н;
/ К - ^ Г " л ' ч 'г < л
R
sN2 -реакция, вызывающая инвер­
==
I 3
у
СНз
^
н S нл
ЦиклопрОпил к а т и о н
нЯ
СН,
R^
y
Нл
W
1Н
н
c
I
HS
^
Н'Я \
3c y R
L
СН,
Полностью -транс ф ит ой н
Рис. 11.28. Механизм превращения двух молекул
геранилгеранилпирофосфата (ГГПФ) в полностью-транс-фитоин у Mycobacterium sp. и
в I S-цис- фитоин у высших растений и грибов
Phycomyces blakesleeanus. Нумерация всех уча­
ствующих типов молекул показана на примере
ГГПФ; в молекулах фитоина атомы углерода,
пронумерованные выше I и I', становятся 15 и 15'
соответственно; необходимо отметить, что, пока
/
2 -С=С N ----- г
R>' /
1f
Н' *
/
3'N CH,
-ц и с -ф и т о и н
не установлено противоположное, обозначение
водородов как про-Я (т.е. Hr) или npo-S (т.е. Ну)
относится только к их пространственной ориен­
тации в МВК и ГГПФ, которая в данном случае
идентична; два циклопропилкарбинил-катиона
являются одинаковыми, но они изображены
в различных конформациях, чтобы показать
образование цис- или транс-изомеров фитоина.
A /vI a Aa
15-цис - фитоин
П олн остью -тр а н с-ф и тои н
15-цис- фитофлуин
•Полностью -транс-фитофлуин
15-цис-1- каротин.
Полностью-транс- f -каротин
Рис. 11.29. Взаимопревращения предшественни­
ков цис- и транс-каротиноидов.
в виде аниона (стадия в ); получающийся при
этом циклопропилкарбинилкатион стабили­
зируется путем отщепления протона с обра­
зованием или полностью-транс-фитоина
(стадия Zi) или 15-цыс-фитоина (стадия г2).
Водород при атоме С-15 в обоих видах
фитоина первоначально был 1 -про-К-водородом ГГПФ, тогда как водород при С -15'
в случае образования полностью-транс-фитоина происходит от l-npo-S-водорода
ГГПФ, а в случае образования 15-цис-фито­
и н а -о т 1-про-Я-водорода ГГПФ.
2. Десатурация фитоина
У большинства высших растений двух­
ступенчатая десатурация (окисление) фито­
ина приводит к полностью-транс-ликопину
(11.33); в связи с этим возникает вопрос: на
какой стадии процесса десатурации цен­
тральная цыс-двойная связь в 15-цыс-фитоине, нормальном продукте действия фитоинсинтетазы у высших растений, изомеризуется в транс -двойную связь? На этот вопрос
пока еще нельзя дать ответа, однако на
рис. 11.29 приведены возможные стадии,
обнаруженные у некоторых отдельных орга­
низмов. В настоящий момент можно не со­
мневаться, что, начиная с ^-каротина
(рис. 11.29), в процессе участвуют только
шранс-промежуточные продукты. Если пре­
небречь проблемой, связанной с централь­
ной двойной связью, то ступенчатое окисле­
ние у высших растений можно изобразить
так, как это показано на рис. 11.30. На ка­
ждой стадии десатурации отщепляются два
атома водорода-один, происходящий от
атома С-2 молекулы мевалоновой кислоты,
а др у го й -о т С-5 молекулы мевалоновой
кислоты, связанной с первой молекулой.
Как показано на рис. 11.31, эти два прохиральных центра участвуют стереоспецифическим образом, и в каждой реакции десату­
рации отщепляются 2-npo-S- и 5-про-Яатомы водорода.
3. Циклизация
Циклические каротины образуются из
ликопина путем протонной атаки двойной
связи у С-1; получающийся при этом проме­
жуточный продукт в виде С-5-иона карбо­
ния (рис. 11.32) стабилизируется далее по
одному из трех возможных путей в зависи­
мости от участвующего в реакции фермента
путем отщепления 1 ) Нд с образованием Ркольца, 2) Нв с образованием у-кольца с экзоциклической двойной связью или 3) Н е
с образованием е-кольца. Один раз образо­
вавшись, кольца практически не подвер­
гаются взаимопревращению. Посмотрев
внимательно на С-4, нетрудно увидеть, что
Ф и то и н
Рис. 11.30. Путь превращения фитоина в ликопин
у высших растений.
Фитаим
Ликопин
Рис. 11.31. Стереохимия десатурации фитоина
в ликопин. • обозначает С-2 мевалоновой кис­
лоты; Н 2д, Н 25 , Н5Л и Н 5$-про-2/?-, про-25,
про-5Я- и про-55-водородные атомы мевалоно­
вой кислоты соответственно.
р-кольцо
i -кальио
Рис. 11.32. Механизм циклизации ациклических
каротинов, таких, как, например, ликопин, с обра­
зованием р-, у- и 6-колец в циклических каро­
тинах.
£ - кольцо
«25
Рис. 11.33. Стереоспецифичность отщепления во­
дорода в процессе образования s-колец (Н2$ и
H2r являются первоначальными 2 -npo-S- и 2 -проR-атомами водорода МВК).
он представляет собой прохиральный
центр; и, как это можно было ожидать,
только один определенный атом водорода,
первоначально бывший про-5-водородом
МВК, отщепляется в процессе образования
е-кольца (рис. 11.33). Стереохимическая си­
туация при возникновении p-кольца вклю­
чает атаку присоединяющимся протоном
с rese-стороны двойной связи и его локали­
зацию в Р- или npo-S-положении у атома
С-2; в то же самое время геминальные ме-
С-16 (рис. 11.34). В связи с этим а- и Р-заместители определяются как проектирующие­
ся вверх или вниз соответственно от глав­
ной плоскости циклогексаноидного кольца,
если обычную нумерацию углеродных ато­
мов в последнем проводить против часовой
стрелки.
4. Образование ксантофиллов
Главной реакцией в образовании ксанто­
филлов у высших растений является присое­
динение гидроксильной группы при С-3
и эпоксигруппы по С-5, С - 6 двойной связи
в p-кольце. Первая реакция осуществляется
СООН
мвк
тильные группы сохраняют свою индиви­
дуальность, так что метил, происходящий
от С-2 мевалоната, занимает а-положение
при С-1 и тем самым становится атомом
Рис. 11.34. Стереохимия протонирования у атома
С-2 в процессе образования p-колец, •-у гл е­
родный атом, происходящий от С-2 МВК.
путем прямого введения гидроксильнои
группы с сохранением конфигурации [урав­
нение (11.5)]. Эпоксидирование включает
в себя серию реакций, известных как ксанто-
Рис. 11.35. Механизм и локализация ксантофильного цикла в тилакоидной мембране хлоропла­
стов (модифицировано из Hager, 1975). (ФС
I-пигментная система I; ПС II-пигментная си­
стема П; ПХ-пластохинон; TSH - восстанов­
ленный глутатион; rS S F -окисленный глутатион; Asc-аскорбиновая кислота; ДГАскКдегндроаскорбиновая кислота; 1 -глутатион-редуктаза, КФ 1.6.4.2; 2-глутатион-дегидрогеназа
(аскорбат), КФ 1.8.5.1.).
фильный цикл (рис. 11.35). В листьях содер­
жание эпоксидов (например, диэпоксида
виолаксантина) уменьшается при освещении
в анаэробных условиях и восстанавливается
до прежнего уровня в темноте в присут­
ствии кислорода. В этом процессе уча­
ствуют ферменты виолаксантин-деэпоксидаза (мол. масса 54000; рН-оптимум 5,2)
и зеаксантин-эпоксидаза (монооксигеназа
т
с pH-оптимумом 7,5). Эти ферменты присут­
ствуют в тилакоидах хлоропластов; харак­
терный для них pH-оптимум свидетель­
ствует о том, что деэпоксидаза локализова­
на на внутренней поверхности тилакоидной
мембраны, а эпоксидаза-на наружной по­
верхности. На основе предполагаемого про­
странственного разделения ферментов воз­
никла концепция ксантофильного цикла.
Поскольку эти ферменты значительно раз­
личаются по своему pH-оптимуму, функ­
ционирование цикла зависит от индуцируе­
мого светом трансмембранного протонного
градиента (гл. 5, раздел В.VI) и переноса каротиноидов через мембрану. Последнее по­
ложение еще должно быть доказано экспе­
риментально. Восстановитель NADPH, ге­
нерируемый на свету, используется в монооксигеназной реакции, а также для под­
держания концентрации восстановленной
аскорбиновой кислоты, которая и служит,
по крайней мере в системе in vitro, непосред­
ственным восстановителем деэпоксидазы.
В качестве промежуточного продукта ме­
жду NADPH и аскорбиновой кислотой вы­
ступает NADPH-зависимая глутатион-редуктаза7. Точная функция этого цикла до
сих пор не выяснена.
VIII. Полипренолы
Биосинтез полипренолов, таких, как кастапренолы (разд. В,Х), начинается с обыч­
ного синтеза фарнезилпирофосфата, являю­
щегося полностью транс-изомером; эти
соединения затем удлиняются под дей­
ствием t/ыс-пренилтрансфераз, катализи­
рующих такое ступенчатое присоединение
изопреновых остатков от ИПФ, при кото­
ром двойная связь в каждой вновь присое­
диненной изопреновой единице имеет цисконфигурацию. В этих реакциях отщепляет­
ся 2-про-5-водород присоединяющейся мо­
лекулы И П Ф -в отличие от реакции удлине­
ния, катализируемой транс-пренилтрансферазой, описанной в разд. B.I. В последнем
случае двойная связь в присоединяющейся
изопреновой единице имеет транс-конфигу­
рацию и отщепляется 2 -про-Я-водород.
IX. Терпеноидные хиноны
и хроманолы*
Терпеноидные хиноны и хроманолы, как,
например, филлохинон (витамин К Д пластохиноны, убихиноны и токоферолы, обра­
зуются в растительных тканях путем кон­
денсации подходящей ароматической еди­
ницы с подходящим полипрениловым
остатком. Первая происходит из хоризмовой кислоты, которая в свою очередь обра­
зуется шикиматным путем (см. рис. 4.22
и 4.23). Последний происходит из полипренилпирофосфата. На рис. 11.36 показаны
предполагаемые биосинтетические пути, ве­
дущие от шикимовой кислоты и полипренилпирофосфатов к этой группе соединений.
В случае филлохинона хоризмовая кис­
лота сначала превращается в 2 -сукцинилбензоат (а); этот процесс включает перенос
сукцинильной (С4) единицы от сукцинилтиаминпирофосфата на ароматическое кольцо
хоризмовой кислоты с последующей поте­
рей гидроксильного и енолпируватного
остатков (рис. 11.37). Остаток сукцинола
происходит из атомов С-2, С-3 и С-4 а-оксоглутаровой кислоты; во время образования
комплекса сукцинил-ТПФ а-карбоксильная
группа последней отщепляется в виде С 0 2.
Далее 2-сукцинилбензоат подвергается за­
мыканию кольца в результате отщепления
молекулы воды, с образованием 1,4-дигидроксинафтоевой кислоты (б), которая за­
тем конденсируется с фитильной частью фитилпирофосфата. В этом процессе высвобо­
ждаются С 0 2 и неорганический пирофос­
фат. Участие 1,4-дигидроксинафтоевой кис­
лоты в реакциях б и в еще требует
экспериментального подтверждения, поэто­
му на рис. 11.36 она заключена в ква­
дратные скобки, что указывает на гипоте­
тичность ее образования. То же самое
относится и к деметилфиллохинолу, ко­
торый фигурирует в качестве продукта реак­
ции в. В настоящий момент не выяснено, на
какой стадии происходит окисление хинола
в хинон; однако на рис. 11.36 постулирует­
ся, что первым образуется деметилфиллохинол, который далее окисляется в деметилфиллохинон (г). Последний затем подвер­
гается С-метилированию в филлохинон
с помощью механизма, показанного на
рис. 11.38.
В случае пластохинонов и токоферолов
хоризмовая кислота превращается в л-гидроксипировиноградную
кислоту
(см.
рис. 4.23), которая затем окисляется и декарбоксилируется 4-гидроксифенилпируватдиоксигеназой8 с образованием гомогентизиновой кислоты (е). Последняя далее
подвергается полипренилированию с одно­
временным декарбоксилированием; когда
в качестве полипренилирующего агента вы­
ступает полностью-транс-нонапренилпирофосфат, образуется пластохиноновый пред­
шественник-2-деметилпластохинол-9 (ж),
тогда как в реакции с фитилпирофосфатом
образуется предшественник токоферола- 2 деметилфитилпластохинол (з).
Вслед за этим 2-деметилпластохинол-9
подвергается С-метилированию (рис. 11.38)
с образованием пластохинола-9 (и), который
далее окисляется в пластохинон-9 (к).
2 -деметилфитилпластохинол
подвер­
гается или С-метилированию (рис. 11.38)
с образованием фитилпластохинола (л), или
циклизации (рис. 11.39) с образованием 5-
(РиС*22>
«
н
D -глюкоза
(«S^NeCOOH (PUCAli)
н
\а
(PUC. 11.37»
тпф
|.
I.
•соон
4н
не>
С Н , COCOOH
н
Xоризновая кислота
*Коричная кислота
кислота
(Рис. 031
п
Фенилала6
ним
(Рис. 4.23)
ОН
•м . Н
&
о •
C H jC O .C O O H
Ф енилсгироО иноградная
но и онон
ШикимоВая кислота
А
•
О
*
( Рис. 4* >3, V - s -H jf — Г — СООН
Н О О С 'о 'О '
но ♦ со,
•
I
(T ^ V
±Тироэин-
“ T -„ o X J
Префеновая кислота
а
п - Гидроксифенилпировинозрадная кислота
n -Купаровая кислота
С
е \ ( ф 1.13.11.27
. :Г—сн,сн,соон
•со.
Г о °«
•соон
соон
соон
2-сукцинилбензоиная кислота
Гомо&ентизинобая кислота
фитилпирофосфат
)
н ,о
Яго, *РРХ
4 - еи&роксибекзойная
кислота
Полностью - транс- -----
'пренил(9или ю)пирофосфат
рр*~— \
•со о н
соон
/, *
н ,с
-дигидрокси нафтой- 2 -денет и л фитил денетилпла стоки нол-9
кая кислота
пластояинол
Ь ~ Фитилпиро- д
Циклизация (рис. 11.39)
и |г - лс
- г
п фосфатсн*
Л
►СОа
8
г- *
пи
он
Н'
Н ,с
Дем етилфиллохинол Ф и т и л пластож и ноя
>ь*?И,
• с о ,— ^
Н,С
н ,с
филт
^3 unT H7 o Z ^ c ‘o m a°'
сн,
Г,.Ни H,?'
ь-Токоферол
Плостохинол - 9
н,со
6 - метокси - 2 -.полипренил -
АИ-он
ф||
0|
U— сн,
фенм
Денетил фил лохинон
д
a
t r
Филлохинон
(витамин Kj)
Р ис. 11.36. Возможные пути биосинтеза терпеноидных хинонов из шикимовой кислоты и пренилпирофосфатов. Метильные группы, поме­
ченные А, происходят от S-аденозилметионина
при помощи механизма, показанного на
рис. 11.38. г и —
Чвнэз -
токоферола (л*). Далее фитилпластохинол
может
подвергнуться
циклизации
(рис. 11.39) с образованием у-токоферола
(н), который при дальнейшем С-метилировании (о) превращается в at-токоферол. В ре-
ИБилинон-чишю
зультате С-метилирования 8 -токоферол
превращается в Э-токоферол (и) и, возмож­
но, a -токоферол (р).
В случае убихинонов хоризмовая кисло­
та превращается в л-кумаровую кислоту
с образованием в качестве промежуточных
продуктов префеновой кислоты и L-фенил­
аланина или тирозина Далее п-кумаровая
кислота окисляется в 4-гидроксибензойную
кислоту (с), которая реагирует с полностьютранс -нона - (или
дека)пренилпирофосфатом с образованием 3-нона(или дека)пренил-4-r идроксибензойной кислоты (т). По-
О
г
ноос/С % Ь
Пировиноградная кислота
Рис. 11.37. Постулированный механизм образо­
вания 2-сукцинилбензойной кислоты в процессе
биосинтеза филлохинона.
следняя далее подвергается гидроксилированию,
О-метилированию
(рис. 11.38)
и декарбоксилированию (по-видимому,
именно в этом порядке) с образованием
6 -метокси-2 -нона(или
дека)пренилфенола
(у). Он далее превращается в 5-деметоксиубихинон-9 (или 10) в результате последую­
щего гидроксилирования, С-метилирования
и окисления хинолового кольца в хиноновое
кольцо (ф). Дальнейшее гидроксилирование
и О-метилирование (х) дает убихинон-9 (или
10).
Если взглянуть на общую картину био­
синтеза терпеноидных хинонов и хромано-
ноос/ С ^сг
СООН
2 -сукцинилбензойноя кисло/па
лов (рис. 11.36), то станет очевидным, что
одна метильная группа в циклической систе­
ме пластохинонов и токоферолов возникает
из углеродного атома ароматического пред­
шественника (т.е. Р-углерода п-гидроксифенилпировиноградной кислоты), тогда как
все метильные группы циклической системы
филлохинона и убихинонов происходят из
S-аденозилметионина в результате С- или
О-метилирования.
Внутриклеточная локализация биосинте­
тических реакций,
изображенных
на
рис. 11.36, по-видимому, имеет следующую
картину: 1 ) филлохиноны и пластохиноны
образуются в хлоропластах, 2 ) убихиноны
образуются в митохондриях и 3) а-токоферол образуется и вне хлоропластов, и вну­
три их.
М етилирование ат ома углерода
Л—
Рис. 11.38. Механизм реакций метилирования
при биосинтезе терпеиоидных хинонов (метили­
рующим агентом является S-аденозилметионин).
X. Каучук
В латексе, выделенном из гевеи, происхо­
дит
очень
эффективное
включение
ГМГ-СоА и ИПФ в каучук, по-видимому,
в результате растяжения молекул по поверх­
ности каучуковых частиц. Образование цис-
двойных связей в каучуке осуществляется
специфической
цис-пренилтрансферазой.
Необходимо вспомнить, что при образова­
нии тряис-пренил пирофосфатов (разд. B.I)
2-про-Я-водород ИПФ стереоспецифически
отщепляется
транс-пренилтрансферазой.
При биосинтезе каучука (11.52) образование
i/мс-двойной связи приводит к стереоспецифическому отщеплению 2-про-5-водорода
ИПФ.
2-деметилФитилпластохинап(В. = Н),
Фитилпластохинол (R = СН,')
Ь-Такоферол (R = Н)
у-ТопоферолШ = СНЭ)
Рис. 11.39. Механизм реакции циклизации в про­
цессе биосинтеза токоферолов.
Реакции, протекаю­
щие дне хлороплас­
та6
Запасный материал-
Реакции, протекаю­
щие в хлороплас­
тах
Общие реакции
— ►
Ацетил-СоА щ
СО,
♦
♦
Невалоновая кислота
♦
t
Изопентенилпирофосфот
t
♦
Герапил пирофосфат
Стеролы
Сквален
Токоферолы
Каротиноиды
Фитоин
• Фарнезилпирофосфат
_
Геранилееранилпирофосфат
л
.
Фитильная часть
хлорофиллов, к, и
токоферолов
*
i
Соланезилпирофосфат-
f (b s)
Пластохиноны
♦
Увихиноны
Фарнезилфарнезилгеранилпирофосфат
__________ LC*d__________
—
Рис. 11.40. Компартментализация биосинтеза
терпеноидов в клетках фотосинтезирующих тка­
ней у высших растений. Звездочкой отмечены ре­
акции, которые происходят как внутри, так и вне
хлоропластов.
XI. Локализация синтеза
Нет никаких сомнений в том, что реак­
ции удлинения цепи при биосинтезе терпе­
ноидов могут происходить и внутри, и вне
хлоропластов (рис. 11.40). Однако конечные
специфические реакции локализованы в органеллах. Каротиноиды и смешанные терпеноиды, например пластохиноны, филлохинон и хлорофилл, синтезируются исключи­
тельно в хлоропластах, хотя в случае
пигментов ферменты, участвующие в их
синтезе, находятся под ядерным контролем
(гл. 10). С другой стороны, убихинон обра­
зуется в митохондриях, а стеролы-в эндоплазматическом ретикулуме. По некоторым
данным, очень небольшая часть токоферола
имеет экстрапластидное происхождение.
Г. ФУНКЦИИ
Многие терпеноиды рассматриваются
как вторичные растительные вещества, ко­
торые с чрезмерной расточительностью (их
свыше 10000) синтезируются растениями,
но при этом не несут никакой функции. Это
может быть и верно в отношении многих
терпеноидов, однако некоторые представи­
тели любой группы терпеноидов все же
обладают важной физиологической актив­
ностью. В настоящее время неизвестно, чем
объясняется синтез столь большого количе­
ства родственных им бесполезных веществ.
Многие терпеноиды обладают гормо­
нальной активностью; детально они рас­
сматриваются в гл. 15. Здесь же необходимо
отметить, что к таковым относятся цитокинины, гиббереллины, абсцизовая кислота и,
возможно, ксантоксины. Моно- и сесквитерпеноидам часто приписывают аллелопатическую роль [аллелопатия - это вредное
действие одного растения (донора) на дру­
гое (реципиент)].
Стеролы локализуются в клеточных
мембранах растений и, по-видимому, вы­
полняют там такую же функцию, как холестерол в мембранах животных клеток. Чем
объясняется потребность в алкильных бо­
ковых цепях у стеролов из растительных
мембран, пока неясно. Существует предпо­
ложение, что стеролы стабилизируют мем­
браны и контролируют их проницаемость.
Среди экспериментов, подтверждающих
данную функцию, были опыты по экспони­
рованию растений в атмосфере озона; такое
воздействие приводило к повышению про­
ницаемости мембран и понижению содер­
жания стеролов в мембранах. Цитокинины
защищали клетки от увеличения проницае­
мости и предотвращали потерю стеролов.
Несмотря на многочисленные попытки, по­
ка нет убедительных доказательств, что эн­
догенные стеролы несут какую-либо гормо­
нальную функцию у высших растений.
Каротиноиды защищают клетки от фотодинамического повреждения и, кроме то­
го, участвуют в поглощении света при фото­
синтезе (гл. 5, разд. В).
Смешанные терпеноиды также играют
ключевую роль в обмене веществ у расте­
ний. Хлорофилл, лишенный своей фитиль­
ной боковой цепи, не эффективен, а пластохинон играет существенную роль в фотосинтетическом транспорте электронов (гл. 5,
разд. B.VI.2), тогда как убихинон-в мито­
хондриальном транспорте электронов (гл. 6,
разд. Б, 2).
Полипренилпирофосфаты функциони­
руют в гликозилировании в процессе
образования клеточных стенок (гл. 7,
разд. Г.П.6).
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Низшие терпены
Banthorpe D.V.,
Charlwood B.V.
(1980).
In
Encyclopaedia of Plant Physiology, vol. 8, p. 185,
Springer, Heidelberg.
Loomis W.D., Croteau R. (1980). In Biochemistry of
Plants (Stumpf P. K. and Conn E. E., eds.), vol. 4,
p. 364, Academic Press, New York.
Стероиды
Nes W.R., McKean M.L. (1977). Biochemistry of
Steroids and Other Isopentenoids, University Park
Press, Baltimore, London.
Goodwin T. W. (1980). In Biochemistry of Plant
(Stumpf P. K. and Conn E. E., eds.), vol. 8, p. 485,
Academic Press, New York.
Grunwald C. (1980). In Encyclopaedia of Plant
Physiology, vol. 8, p. 221, Springer, Heidelberg.
Каротиноиды
Goodwin T.W. (1979). Ann. Rev. Plant Physiol., 30,
369-404.
Goodwin T. W. (1980). Biochemistry of Carotenoids,
2nd edn., vol. 1, Chapman and Hall, London.
Spurgeon S. L., Porter J.W. (1980). In Biochemistry
of Plants (Stumpf P. K. and Conn E. E., eds.),
vol. 4, p. 419, Academic Press, New York.
Полипренолы и терпенилхиноны
Threlfall D. R. (1980). In Encyclopaedia of Plant
Physiology, vol. 8, p. 289, Springer, Heidelberg.
Archer B.L. (1980). In Encyclopaedia of Plant
Physiology, vol. 8, p. 309, Springer, Heidelberg.
Функция терпеноидов
Goodwin Т. Ш (ed.) (1978).
The Biochemical
Functions of Terpenoids in Plants, The Royal
Society, London.
ФЕРМЕНТЫ
1. Изопентенилдифосфат — Д3-Д3-изомераза, КФ 5.3.3.2.
2. Диметилаллилдифосфат : изопентенил­
дифосфат — диметилалл илтрансфераза,
КФ 2.5.1.1.
3. АТФ : 5-дифосфомевалонат — карбоксилиаза (дегидратирующая), КФ 4.1.1.33.
4. Фарнезилдифосфат : фарнезилдифосфат
— фарнезилтрансфераза, КФ 2.5.1.21.
5. Сквален, донор водорода : кислород
— оксидоредуктаза (2,3-эпоксидирующая), КФ 1.14.99.7.
6. Формиат: NAD + —оксидоредуктаза, КФ
12. 1.2.
7. NADPH : окисленный глутатион—окси­
доредуктаза, КФ 1.6.4.2.
8. 4-гидроксифенилпируват : кислород—ок­
сидоредуктаза (гидроксилирующая, декарбоксилирующая), КФ 1.13.11.27.
ГЛАВА 12
Хлороф иллы и гемы
А. ВВЕДЕНИЕ
Биологически важными производными порфирина у растений являются металлопорфирины - хелатные соединения, содержащие
атомы железа или магния. Железосодержа­
щие порфирины служат простетическими
группами цитохромов (гл. 6 ), гемоглобинов
в корневых клубеньках и ферментов, таких,
как каталаза. Магнийсодержащие порфи­
рины -это хлорофиллы, концентрация ко­
торых в фотосинтетических тканях растений
примерно в 50 раз превышает концентра­
цию гемов (табл. 12.1). Общие структурные
формулы хлорофиллов растений приведены
на рис. 5.4, однако, чтобы удобнее было сле­
дить за текстом, формула хлорофилла
а (12.1) приводится здесь снова. Нетрудно
представить себе, что при соединении четы­
рех пиррольных колец (12 .2 ) метиленовыми
мостиками через атомы углерода в а-положениях получается порфириноген (12.3). Ес­
ли метиленовые мостики окисляются до ме­
тиловых, образуется порфин (12.4). Присое­
динение соответствующих заместителей
к атомам углерода в положениях 1 - 8 дает
протопорфирин IX (12.5)-ключевой проме­
жуточный продукт биосинтеза хлорофилла
и гема.
Если в молекулу протопорфирина IX
(12.5) встраивается атом железа, то обра­
зуется протогем (1 2 .6 ); при встраивании
Mg2 + получается магнийпротопорфирин
Таблица 12.1. Содержание хлорофиллов и гемов
в тканях листьев высших растений
Растение
Концентрация в расчете на 1 мг
сырой массы, нмоль
хлорофиллы
Laminium album
Stellaria sp.
Triticum vulgare
2,8
2,7
3,7
гемы
0,046
0,041
0,052
IX, который дает начало хлорофиллу а (12.1)
в результате таких превращений, как 1 ) вос­
становление винила при С-4 до этила;
2 ) возникновение пятого, карбоциклического кольца, образующегося при окислении
боковой цепи при С-6 ; 3) метилирование
карбоксильной группы в боковой цепи при
С-6 ; 4) присоединение фитола к карбоксиль­
ной группе боковой цепи при С-7; 5) восста­
новление кольца D. Подробностям биосин­
теза хлорофилла посвящена почти вся
данная глава.
Б. БИОСИНТЕЗ ПОРФИРИНОВ
I. Образование 5-аминолевулиновой
кислоты *
При изучении биосинтеза гема было
установлено, что первым специфическим
предшественником молекулы порфирина
является
6 -аминолевулиновая
кислота
(АЛК), синтезируемая под действием фер­
мента АЛК-синтазы 1 из глицина и сукцинил-СоА в присутствии пиридоксальфосфата. Суммарная реакция описывается уравне­
нием (12 . 1).
Поскольку надежных данных о том, что
эта реакция происходит у высших растений,
получить не удалось, существует предполо­
жение, что необходимая для синтеза хлоро­
филла АЛК образуется в хлоропласте иным
путем, а именно из интактной молекулы
глутамата (рис. 12.1). Первые две стадии
этой реакции (а и б) аналогичны реакциям
метаболизма глутаминовой кислоты и ее
превращения в другие аминокислоты (гл. 9)
с той лишь разницей, что здесь в качестве
промежуточного продукта образуется 1 -полуальдегид, а не 5-полуальдегид. Фермент,
катализирующий реакцию в, удалось выде-
Н,
( I2 .3 )
< 12.5)
V 2 .6 )
лить из пластид в чистом виде лишь сравни­
тельно недавно; реакция эта представляет
собой новый внутримолекулярный перенос
аминогруппы. Примечательно, что столь
четкое разветвление путей биосинтеза гема
у животных и высших растений происходит
именно на этой, ключевой стадии биосинте­
тического пути. Интересно было бы выяс­
нить, каким из двух путей синтезируются
молекулы АЛК, дающие начало тем неболь­
шим количествам производных гема, ко­
торые обнаружены в растениях, выра­
щенных в темноте: имеет ли место только
что рассмотренный путь синтеза из глутамата, или же тут действует путь, исполь­
зуемый у животных, но его трудно обнару­
жить, поскольку в реакциях участвуют очень
малые количества субстратов?
СООН
СООН
I
I
СН,
I
Iг
C oA .S — С = 0
4
сн,
с н 2.с о о н
NH,
СН2
А иинолевулинат синт а за
( п и р и догсальфоссрат)
СН,
С= 0
j
Т
1
NH,
+ CoAtSH + С0 2
( 12. К)
СООН
ж
СООН
ATI*
?н*
H»-C-^NH,
I
соон
L - глутаминовая
кислота
ADP
I
Г
NADPH
+ Н*
r*
H^C -«NH,
I
с= о
чо®
L-глутамат1-фосфат
Рис. 12.1. Превращение L-глутаминовой кислоты
в б-аминолевулиновую кислоту (АЛК) у высших
растений. Для обозначения ферментов приняты
следующие сокращения: а-А Т Р : L-глутамат— 1фосфотра нсфераза; 6 - L-глутамат-1 -полуальде­
гид: NADP + —оксидоредуктаза (фосфорилирующая); в - L-глутамат-1 -полуальдегид - аминотрансфераза.
II. Образование порфобилиногена *
Конденсация двух молекул 8 -аминолевулиновой кислоты (АЛК) в присутствии фер­
мента порфобилиноген-синтазы2 (АЛК-дегидратазы) приводит к образованию порфо­
билиногена. Это первый предшественник
металлопорфиринов, имеющий пиррольную природу. Предполагаемый механизм
реакции показан на рис. 12.2. Первая моле­
кула АЛК (АЛК^ реагирует с s-аминогруп­
пой лизинового остатка в активном центре
фермента (стадии a-в), образуя шиффово ос­
нование. Шиффово основание вступает в ре­
акцию альдольной конденсации со второй
молекулой АЛК (АЛК2, стадия г). Карбанион шиффова основания, образованного
АЛК, который атакует углерод карбониль­
ной группы в молекуле AJIK2, возникает
в результате депротонирования, вызванного
группой В - , тогда как в протонировании
кислорода карбонильной группы участвует
группа ВН. Группы В - и ВН, вероятно,
представляют собой соответственно тиолат-анион (S- ) и тиол (SH) двух остатков
цистеина в активном центре фермента. Из­
вестно, что тиоловые группы имеют суще­
ственное значение для активности, посколь­
ку фермент ингибируется агентами, алкилирующими цистеин, такими, как N -этилмалеимид и п-хлормеркурибензоат. Затем эти
NADP*
Л Р
СООН
1
СН,
к
H » ~ C -« N H ,
1
н—с = о
L-глутамат1-палуальдегид
соон
1
в
| Н|
••
f ■
р о
CH j NHj
6-Аминолввцлиновоя
кислота[алк)
группы возвращаются в исходное состояние
(стадия д). Восстановление исходного со­
стояния опосредовано имидазольным коль­
цом (мостиком), принадлежащим гистидиновому остатку в активном центре фермен­
та. Недавно было показано, что гистидиновый остаток в молекуле фермента суще­
ствен для активности. Далее происходит
следующий цикл протонирования/депротонирования (стадия е), и в результате выде­
ляется молекула воды. Затем группы В - ,
ВН и выделившаяся молекула воды уча­
ствуют в реакции замыкания кольца (стадия
ж). На стадии з имидазольное кольцо опять
работает в качестве мостика, облегчая сле­
дующий цикл обмена В ~ ВН, который
приводит к дегидрированию пиррольного
кольца и отщеплению образовавшейся мо­
лекулы порфобилиногена от атома азота
лизинового остатка в активном центре фер­
мента (стадия ы). Установлено, что дегидри­
рование непосредственного предшественни­
ка молекулы порфобилиногена стереоспецифично.
III. Образование уропорфириногена III
Механизм превращения четырех моле­
кул порфобилиногена в молекулу уропорфириногена III (уроген П1) (12.7), являюще­
гося предшественником порфириновой при­
роды для хлорофилла и гема, оказался
сложным, и лишь недавно удалось подойти
к его выяснению. Сложность механизма свя­
зана со следующим обстоятельством. В ре­
зультате простой конденсации четырех мо­
лекул порфобилиногена (когда «хвост»
одной молекулы присоединяется к «голове»
следующей молекулы) образуется уропорфириноген I (уроген I) ( 1 2 .8 ), в котором
остатки уксусной и пропионовой кислот,
принадлежащие пиррольным кольцам, чере­
дуются. В молекуле же уропорфириногена
III остатки уксусной и пропионовой кислот,
А = -CH jC O OH
Р = - С Н , CHjCOOH
CI2.7)
принадлежащие пиррольному кольцу D,
следуют в обратном порядке.
Для синтеза уропорфириногена 1П из
порфобилиногена требуются два фермента,
которые были выделены ранее из листьев
шпината и из Chlorella, а позднее и из тканей
животных. Это уропорфириноген-1—синтаза3 (иногда его называют порфобилиногендизаминаза) - относительно
устойчивый
к нагреву фермент с мол. массой
40000-60000 и уропорфириноген-Ш—косинтаза, термолабильный фермент с мол.
массой 210000 (в культуре клеток соевых бо­
бов). Уропорфириноген-1—синтаза сама по
себе катализирует превращение порфобили­
ногена в уропорфириноген I. Однако, когда
этот фермент действует в присутствии уро­
порфириноген-Ш—косинтазы, образуется
уропорфириноген III. В отсутствие уропор­
фириноген-1—синтазы уропорфириногенIII—косинтаза никакого действия на порфобилиноген не оказывает.
Исследования, выполненные в 1979 г.
Бэттерсби (Battersby) и его сотрудниками,
а также Бэртоном и Джорданом (Burton,
Jordan) и их сотрудниками, показали, что
при инкубации порфобилиногена с уропор­
фириноген-1—синтазой образуется препорфириноген - общий предшественник уропорфириногенов I и П1. При инкубировании
препорфириногена с уропорфириногенIII—косинтазой он превращается в уропор­
фириноген III. Однако в отсутствие уропор­
фириноген-Ш—косинтазы
происходит
спонтанное превращение молекулы препор­
фириногена в уропорфириноген I. Строение
препорфириногена еще не установлено.
Данные С-ЯМР свидетельствуют о нали­
чии трех различных тетрапиррольных
структур, одна из которых-спирановое со­
единение (рис. 12.3), а другие имеют незамк­
нутые цепи. Показано, что сборка пиррольных колец, образующих макроцикл
( 12. 8 )
уропорфириногена III, происходит в по­
следовательности:
А -» А-В -> А-В-С -*
ЩА-В-С-D и что именно в кольце D проис­
ходит после этого перегруппировка. Схема,
показанная на рис. 12.3, отражает совре­
менные представления по этому вопросу.
IV. Образование проторфирина IX
Уроген III превращается в копропорфириноген П1 (копроген Ш) путем многоста­
дийного декарбоксилирования остатков ук­
сусной кислоты у атомов углерода при С-8,
С-1, С-3, С-5 (стадии о, б, в, г на рис. 12.4).
Все эти реакции катализирует один и тот же
фермент уропорфириноген-декарбоксилаза4. Атомы водорода, находившиеся
в про-Д- и про-5-положениях в метиленовой
группе, сохраняют свою индивидуальность
в образующейся метальной группе, а это
значит, что при замене СООН-группы на
атом водорода инверсии конфигурации не
происходит.
На последних стадиях синтеза протопорфирина IX происходит окислительное декарбоксилирование остатков пропионовой
кислоты при атомах С-2 и С-4 (стадии д и
е на рис. 12.4) молекулы урогена Ш, приво­
дящее к образованию протопорфириногена
Щпротогена IX). Обе реакции катализирует
один фермент-копропорфириноген-декарбоксилаза5. В ходе этой реакции оба атома
водорода, связанные с атомом углерода
пропионовой кислоты в а-положении,
остаются на своих местах, тогда как от ато­
ма углерода в (3-положении стереоспецифи­
чески отщепляется про-5-атом водорода.
Предполагаемый
механизм
реакции
(рис. 12.5) включает в себя удаление Hs
с образованием шиффова основания в каче­
стве промежуточного продукта (стадия а на
рис. 12.5), чья способность оттягивать элек-
Т=\
спои
у
I
—
И
г
1”\
I /Л
и
СИ,
N-i-C—OH
и,с
Порфобилиноген
синт а з а
соон
NN.
г
с=о
т
Р1
*
NH,
ЛУ7/Г.
О
Г “ У(?
I
м
Л сое
соон
Порфобилиноген
сн,
/ сн,
н-с—н^ с=о
-N=C
/
н,с
INH,
Шиффово
основание
Н
Ж
соон (V
^ООН Ыг И
О/
СИ»
СН.
■н=^
/
/
И,С
N
NH,
Рис. 12.2. Предполагаемый механизм конденса­
ции двух молекул 8-аминолевулиновой кислоты
(АЛК) под действием фермента порфобилиногенсинтазы (AJIK-дегидратазы); в результате
реакции
образуется
порфобилиноген.
YVZ
-с-Цж
in,
N.
^
NH2- e-аминогруппа лизинового остатка в ак­
тивном центре фермента; В " и ВН представляют
собой, по-видимому, S “ - и SH-группы остатков
цисгеина; имидазольное кольцо принадлежит
остатку гистидина.
Ъ-ФЕРМ
й Ш
H jN - Ц г
н,
Н .
метилвнпирроленин
ж Iгере ор иен тац ил
кольца D
Спирамобое соединение
Рис. 12-3. Предполагаемый механизм образова­
ния уропорфириногена III из порфобилиногена
через преуропорфириноген III (по данным
Battersby et al., 1979), А = —СН2СООН; Р =
= —СН2СН2СООН;
Х-фермент;
реакция
/-отщепление с образованием пирроленина; ре­
Уропорфириноеен ///
акции 2 и 3 повторяются при добавлении каждого
метиленпирроленинового кольца; стадии а - е ка­
тализирует уропорфириноген-1-синтаза; этап
ж -просто иное изображение того же соедине­
ния; стадии и и, возможно, з катализирует
уропорфириноген-Ш—косинтаза.
Рис. 12.4. Стадии превращения уропорфириногена III в протопорфирин IX через копропорфириноген III и протопорфириноген IX. Стадии а -г
катализирует уропорфириноген-декарбоксилаза,
КФ 4.1.1.37; стадии д н е - копропорфириноген-декарбоксилаза, КФ 1.3.3.3; стадию лс-протопорфириноген-оксидаэа,
КФ
1.3.3.4.
А=
= — СН2СООН; Р = —СН2СН2СООН; М =
= —СН3; V = —СН2= С Н 2.
Уропорфирцноген Ш
трон облегчает декарбоксилирование, в ре­
зультате которого в боковой цепи образует­
ся производное винила (стадия 6 на
рис. 12.S). В случае аэробных организмов
для осуществления этой реакции обязатель­
л но нужен кислород. Фермент был выделен
из листьев табака. Протоген IX не образует
хелатных соединений с металлами; он дол­
жен быть окислен до протопорфирина IX
(стадия ж на рис. 12.4). Данная реакция мо­
жет идти спонтанно в присутствии кислоро­
да, но она протекает гораздо быстрее в при­
сутствии
протопорфириноген-оксидазы6.
Этот фермент выделен из многих организ­
мов, в том числе из дрожжей, но у высших
растений он пока не обнаружен.
В. ОБРАЗОВАНИЕ
РИНОВ
Копропорфириноген 111
МЕТАЛЛОПОРФИ-
I. Железосодержащие порфирины
Именно на стадии образования прото­
порфирина IX происходит расхождение пу­
тей биосинтеза-один ведет к железопорфиринам (гемам), а другой - к магнийпорфиринам (хлорофиллам). У растений обна­
ружены оба этих пути, у животных-только
первый.
Протопорфирин IX
СООН
/
А*
Н,Ч
С О , + и*
X
Рис. 12.5. Механизм окислительного декарбоксилирования остатков пропионовой кислоты, присоединенных к атомам С-2 и С-4 в молекуле ко-
I *
н
пропорфириногена III. В результате реакции
образуется протопорфириноген IX. (А + - акцептор водорода.)
Рассмотрим вначале путь биосинтеза
железосодержащих порфиринов. Фермент
феррохелатаза7, который был вьщелен как
из пластид, так и из митохондрий растений,
эффективно превращает протопорфирин IX
в протогем (гем Ь\ играющий роль простетической группы цитохромов типа
b (рис. 6.19) и, конечно, гемоглобина жи­
вотных. Пути биосинтеза гема а (цитохро­
мов а) и гема d (хлорина) до сих пор не уста­
новлены. Сирогем (рис. 9.4), входящий
в состав нитрит-редуктазы8, содержит во­
семь карбоксильных групп. Он, очевидно,
является производным уропорфирина IX.
Из этого следует, что в данном конкретном
случае существует фермент, способный
окислить уропорфириноген III до уропор­
фирина IX, который в свою очередь служит
субстратом специфической феррохелатазы.
II. Магнийсодержащие порфирины
До сих пор не обнаружено фермента,
о котором можно было бы точно сказать,
что он катализирует включение атома
Mg2+ в молекулу протопорфирина IX in
vitro. Данные о том, что включение цен­
трального атома происходит именно на
этой стадии, носят лишь косвенный харак­
тер: у мутантов с нарушенным синтезом
хлорофилла протопорфирин IX накапли­
вается, при том что ферментативное метелирование остатка пропионовой кислоты
происходит значительно быстрее в случае
Mg-протопорфирина IX, чем в случае само­
го протопорфирина IX. Следует подчерк­
нуть, что химически включить Mg2 + в про­
топорфирин гораздо труднее, чем Fe2 + .
Включение железа происходит спонтанно,
тогда как для включения магния требуются
перхлорат магния и безводный, не содержа­
щий воздуха кипящий пиридин.
остатка пропионовой кислоты при атоме
С-6-происходит в присутствии метилтрансферазы и S-аденозилметионина, используе­
мого в качестве донора метальной группы.
На следующих этапах, приводящих к замы­
канию кольца (б, в, г, д), роль субстрата вы­
полняет метиловый эфир М^-2,4-дивинилпротопорфирина IX, причем образуется
метиловый эфир Mg-2,4-дивинилфeoпopфирина а5, который затем восстанавливает­
ся до протохлорофиллида (стадия е). Эти ре­
акции (б, в, г, д) могут также происходить
и после того, как метиловый эфир Mg-2,4дивинилпротопорфирина IX восстановится
до метилового эфира Mg-винилфеопорфирина IX (стадия ж); в этом случае конечным
продуктом является сам протохлорофил­
лид. В реакциях, приводящих к замыканию
карбоциклического кольца, образуются
акрилат (б), (3-гидрооксипропионат (в) и да­
лее Р-оксопропионат (г) (метилирование на
стадии а защищает это соединение от спон­
танного декарбоксилирования), кольцо ко­
торого замыкается на у-метиновый углерод
(д). Данные, на основе которых были устано­
влены эти этапы, получены с использова­
нием генетических методов: соединения
с указанными заместителями при С-6 выде­
лены из мутантов Clorella. Однако во всех
этих соединениях винильная группа при С-4
восстановлена, тогда как первым соедине­
нием, имеющим карбоциклическое кольцо,
в ряде случаев оказывается монометиловый
эфир Mg-2,4-дивинилфеопорфирина а5, ко­
торый может восстанавливаться до Mg-2винилфеопорфирина а5 (стадия е) (т.е. до
протохлорофиллида)
под
действием
NADPH-зависимого фермента. Как видно
из рис. 12.6, существуют сомнения по пово­
ду истинного пути биосинтеза; для выясне­
ния этого вопроса требуется более полное
исследование всех участвующих в реакциях
ферментов.
Г. БИОСИНТЕЗ ХЛОРОФИЛЛОВ
I. Образование
да*
II. Превращение протохлорофилли­
протохлорофилли- да в хлорофилл
Путь превращения Mg-протопорфирина
IX в протохлорофиллид показан на
рис. 12.6. Первый этап (а) - этерификация
В случае протохлорофиллида мы сталки­
ваемся с новой ситуацией: его восстановле­
ние до хлорофиллида * катализируется све­
том и происходит в пигмент-белковом
*
Хлорофилл иды - это хлорофиллы, в моле­
*
Все буквенные обозначения в этом разде­
куле которых нет терпеноидной (обычно-фитольной) боковой цепи.
ле относятся к рис. 12.6.
8-499
см,
см»
соон
- протопор фирин IX
С*ц
соон
соон
соон
оси,
ОСИ}
метиловый эфир
Mg -2,4- дивинилпротопорфирчна IX
^эй
——
II
у
—
мвтилобый эфир
M f-2-динцлпротопорфири hq[X
-2н
сн,
U г-1
соом оси,
Mg -f, ♦ ■вивинилфеопор фи-
рин af
Рис. 12.6. Стадии превращения Mg-протопорфирина IX в протохлорофилл ид. Обратите внимание на то, что реакции 6 - д могут происходить
Mg -2-вичилфеопорфирин Of
(,протохлорофиллид)
с двумя различными субстратами. CHj (над
стрелкой) обозначает трансметилирование с участием S-аленози л метионина.
(М = —СН3 ; Р = -С Н ,С Н ,С О О Н )
комплексе, называемом протохлорофиллидголохром. Восстановление может осуще­
ствиться in vitro, причем внешних доноров
водорода для этого не требуется. Следова­
тельно, донор водорода
содержится
в самом голохроме; возможно, это-свя­
занный NADPH. Выделен в чистом виде
фермент NADPH-протохлорофиллид—оксидоредуктаза; это - одиночный полипептид
с мол. массой 36 ООО, связывающий две или
три молекулы протохлорофиллида. По-ви­
димому, этот комплекс белка с пигментом
не является интактным голохромом, по­
скольку в нем не происходит тех спек­
тральных изменений, которые наблюдают­
ся in vivo. Вполне возможно, что структура
самого голохрома окажется гораздо слож­
нее. Восстановление кольца происходит сгереоспецифически и приводит к конфигура­
ции 75,8S [уравнение (12.2)].
Последний этап - присоединение фитола
К хлорофиллиду. В некоторых случаях этерификация может происходить раньше, чем
фотовосстановление, т. е. прежде образуется
протохлорофилл, который и восстанавли­
вается до хлорофилла. Много лет назад был
обнаружен фермент хлорофиллаза9, катали­
зирующий удаление фитола из молекулы
хлорофилла; было поставлено множество
опытов с целью показать, что эта реакция
обратима и, следовательно, данный фер­
мент обеспечивает превращение хлорофиллида в хлорофилл. Однако это кажется
маловероятным; ни фермент, ни субстрат
до сих пор точно не охарактеризованы. По­
скольку в этиолированных проростках яч­
меня можно обнаружить способный к фото­
ГГПФ
N
превращениям протохлорофилл, этерифицированный геранилгераниолом, и в то же
время хлорофилл, этерифицированный ге­
ранилгераниолом, обнаруживается в только
что позеленевших листьях конского кашта­
на, можно полагать, что этерификация про­
исходит прежде на этом уровне окисления
с геранилгеранилпирофосфатом, а затем по­
сле присоединения к молекуле хлорофилла
идет (по-видимому, в несколько стадий) вос­
становление до фитола [уравнение (12.3)].
Д. ЗЕЛЕНЕНИЕ
ПРОРОСТКОВ♦
ЭТИОЛИРОВАННЫХ
Этиолированные проростки содержат
небольшие количества протохлорофиллидбелкового комплекса (голохрома), и при
кратковременном освещении в них происхо­
дит быстрое стехиометрическое восстано­
вление протохлорофиллида до хлорофиллида, который затем более медленно этерифицируется и превращается в хлорофилл а.
Если проростки затем вернуть в темноту,
в них образуется примерно такое же количе­
ство протохлорофиллида, какое было вна­
чале, и при освещении он также превращает­
ся в хлорофилл ид. Таким образом, освещая
этиолированные проростки короткими
вспышками света (скажем, по 10 ~ 4 с), ко­
торые разделены 10-15-минутными темновыми промежутками, можно накопить
значительные количества хлорофилла.
При освещении этиолированных про­
ростков происходят характерные спек­
тральные изменения (рис. 12.7). Протохлорофиллид, связанный с белковым компонен­
том (голохром), поглощает при 6S0 нм
(ПХд(Г)б5о); этот максимум соответствует
максимуму в спектре действия реакции фо­
товосстановления. В результате фотовос-
* Все буквенные обозначения в этом разде­
ле относятся к рис. 12.7.
xdirnm
Темнота
J I
Рис. 12.7. Характерные времена изменений, ко­
торые наблюдаются в красной области спектра
при превращениях протохлорофиллид-голохлома в процессе освещения этиолированных про­
ростков. ПХд (Г) - протохлорофиллид-голохром;
Хд(Г)-хлорофиллид-голохром; Хд-хлорофиллид; Хл - хлорофилл а.)
становления в течение 1 с появляется полоса
поглощения при 678 нм, принадлежащая
связанному хлорофиллиду а (Хд(Г)б7 в> а> б)ПХд(Г)ббв> который образуется быстрее чем
за 1 с на стадии а, может быть смешанным
промежуточным продуктом, в состав кото­
рого входят и протохлорофиллид, и хлорофиллид. В пользу такого предположения
свидетельствуют данные о том, что прото­
хлорофиллид in vivo существует в виде агре­
гатов. Чем обусловлены другие спек­
тральные изменения, которые происходят
за 30 с (в) и за 10 мин (г) и приводят к после­
довательному образованию Хд(Г)в84 Хд672 >
до конца еще не установлено; по-видимому,
здесь происходит освобождение хлорофиллида из голохрома. Последний спек­
тральный переход к 677 нм (<)), завершение
которого требует двух часов согласно обще­
Протохлорофиллид
Протохлорофиллид
ФЕРМ
\
4*
/■♦NADPH
NADPH
Л#в«638_650**
ФЕРМ
v— NADP+
+
Хларофиллид
&наКсЬ12нм)
Рис. 12.8. Предполагаемый механизм светозави­
симого превращения протохлорофиллида в хло­
рофиллид у высших растений. Ф ЕРМ -протохлорофиллид-оксидоредуктаза.
Хл,977
~2v
принятым представлениям, отражает при­
соединение фитола к молекуле хлорофиллида а, ведущее к образованию хлорофилла а.
In vivo наблюдается еще один максимум по­
глощ ения-при 632 нм, принадлежащий сво­
бодному протохлорофилл иду (ПХдб32), ко­
торый не восстанавливается на свету,
потому что с голохромом может связаться
лишь ограниченное количество молекул.
Именно этот тип протохлорофиллида нака­
пливается в этиопластах этиолированных
листьев, когда в эти листья вводится AJIK.
Количество данного пигмента зачастую бы­
вает настолько высоким, что этиолиро­
ванные листья имеют ярко выраженный зе­
леный цвет. На рис. 12.8 сделана попытка
связать спектральные превращения, пока­
занные на рис. 12.7, с механизмом светоза­
висимого превращения протохлорофиллида
в хлорофилл ид.
В течение лаг-периода, который может
длиться до 2 ч, освещенные этиолированные
листья синтезируют хлорофилл примерно
с такой же скоростью, с какой будет синте­
зироваться протохлорофиллид, если листья
вновь перенести в темноту. Затем скорость
образования протохлорофиллида и ско/
макс^^ ^ )
Темнота
_l l__
**’ 10 мин
~JOC
7c
X9g/g
'г ^
/
Хлорофиллид
Ф ЕРМ
\ NADP*
х макс 678 нм
Неактивны* ферменты,
синтезирующие л л к
30 мин
I »
Активные Ферменты.
О0
синтезирующие ЛЛК "синтез
•
белков
Глу
АПК
Стабильная мРНК
F,,‘v
♦
уПротогем
Хлоропласт мыв цитохроны
У
Протопорфирин IX
Ж
M g -про топор ф ир и на— ~
Рис. 12.9. Регуляция биосинтеза порфиринов в
развивающихся хлоропластах. Стрелка - - — »©
показывает, чем ингибируется процесс.
рость его превращения в хлорофиллид воз­
растают по меньшей мере в десять раз. Это
связано с быстрым формированием ламел­
лярной структуры хлоропласта. Если на
этой стадии быстрого синтеза хлорофилла
перенести проростки в темноту, то синтез
прекращается полностью, и предшественни­
ки хлорофилла не образуются. Так мы стал­
киваемся с проблемой регуляции биосинте­
за хлорофилла, которую рассмотрим под­
робно в разд. Ж.
Е. СИНТЕЗ ХЛОРОФИЛЛА В ТЕМНОТЕ
Хотя у большинства высших растений
синтез хлорофилла происходит только на
свету, некоторые из них, например пророст­
ки хвойных растений, могут синтезировать
хлорофилл в темноте. Способны к темновому синтезу хлорофилла и многие водоросли,
например бурые и сине-зеленые. До сих пор
не понятно, почему последняя стадия вос­
становления пигмента у этих организмов не
зависит от света. Однако в случае хвойных
показано, что здесь играет роль некий пока
еще неизвестный фактор.
Развивающиеся семядоли хвойных син­
тезируют заметные количества хлорофилла
в темноте только до тех пор, пока они нахо­
дятся в контакте с макрогаметофитом, т.е.
обычно до того момента, когда макрогаметофит исчезает. Семядоли, отделенные от
макрогаметофита, синтезируют гораздо
меньше хлорофилла, даже если их поме­
щают в питательный раствор. Следователь­
но, некое вещество из макрогаметофита не­
посредственно участвует в темновом синте­
зе хлорофилла.
Ж. РЕГУЛЯЦИЯ
ФИЛЛА*
П Хдё]д
Хлорофилл
СИНТЕЗА
ХЛОРО­
Очевидно, что реакцией, на уровне кото­
рой осуществляется биосинтез хлорофилла,
является синтез АЛК, поскольку АЛК-зто
субстрат первого решающего этапа в синте­
зе тетрапиррола. Следовательно, именно
образование АЛК лимитирует скорость все­
го процесса. Об этом свидетельствуют сле­
дующие данные: добавление АЛК к этиоли­
рованным проросткам в темноте приводит
к увеличению количества протохлорофил­
лида в них по меньшей мере в 10 раз. Из это­
го следует, что ферменты, обеспечивающие
синтез протохлорофиллида из АЛК, консти­
тутивны, а не индуцибельны. Данные о том,
что хлорамфеникол (ингибитор синтеза бел­
ков на 7(№-рибосомах пластид; см. гл. 10)
действует так же, как темнота, указывают,
что фермент (или ферменты), обеспечиваю­
щий синтез АЛК, индуцибельный. В дей­
ствительности он фотоиндуцибельный. Бо­
лее того, образование АЛК, по-видимому,
замедляется под действием протохлорофиллид-голохрома, поскольку при некотором
критическом содержании голохромов со
связанными пигментами ингибируется син­
тез АЛК, а стало быть, и последующих про­
межуточных продуктов. Быстрое ингибиро­
вание (например, полное прекращение син­
теза хлорофилла, наблюдаемое при перено­
се зеленеющих тканей в темноту) означает
также, что стабильность системы, синтези­
рующей АЛК, должна быть низкой, так как
она теряет половину своей активности при­
мерно за 30 мин (Г1/2 х 30 мин). Считают,
что протохлорофилпид или какой-то кон­
тролируемый посредник подавляет синтез
фермента (или ферментов), действуя на ста*
Все буквенные обозначения в этом разде­
ле относятся к рис. 12.9.
бильную мРНК (рис. 12.9, а). Предвари­
тельные опыты показывают, что в системе
присутствует нужная стабильная мРНК, по­
тому что актиномицин D (ингибитор синте­
за РНК) не ингибирует зеленения этиолиро­
ванных проростков на свету.
Поскольку при биосинтезе хлорофилла
и биосинтезе гема используется один и тот
же накопленный промежуточный продукт,
можно предположить, что регуляция осу­
ществляется именно в той точке, где два пу­
ти биосинтеза расходятся, т. е. на том этапе,
на котором атом металла включается в мо­
лекулу (б, в). По-видимому, протохлорофиллид-650(Пхд65О) регулирует включение маг­
ния (г). Об этом свидетельствует тот факт,
что в выделенных этиопластах АЛК хорошо
включается в промежуточные продукты,
предшествующие
Mg-протопорфирину,
и плохо включается в следующие за ним
промежуточные продукты. Опыты с ад-ди­
пиридином, способным образовывать хелатные связи с железом, указывают, что ре­
гуляция осуществляется на стадии протогема (д). а,а-Дипиридил ингибирует образова­
ние гема, нарушая тем самым регуляцию
синтеза ферментов, ответственных за АЛК;
в результате, как наблюдалось на опыте,
АЛК направляется в русло синтеза порфиринов и магний-порфиринов.
3. ХЛОРОФИЛЛ ь
Хлорофилл Ь, молекула которого отли­
чается от молекулы хлорофилла а лишь тем,
что боковым заместителем при С-3 является
здесь группа СНО вместо группы СН3,
встречается вместе с хлорофиллом а у всех
высших растений, и отношение а/b в преде­
лах вида-величина довольно постоянная.
Несмотря на большие усилия исследовате­
лей, никому до сих пор не удалось решить,
казалось бы, простую задачу о том, каким
путем осуществляется биосинтез хлорофил­
ла Ъ. Очевидный путь, т. е. окисление моле­
кулы хлорофилла а, не доказан, а никакого
другого пути, если даже таковой суще­
ствует, пока еще не обнаружено.
И. НЕЗАМКНУТЫЕ (ЛИНЕЙНЫЕ) ТЕТРАПИРРОЛЫ
Метаболические превращения гема у жи­
вотных приводят к потере атома железа
и далее к расщеплению порфиринового ма-
)— \
н
/— \ н
н
н»
н
н
н
(12.9) М = - С Н 3; V = -C H = C H ,; Р = -C H j CHj COOH
кроцикла в результате окисления а-метинового атома углерода. Образующиеся при
этом соединения представляют собой не­
замкнутые тетрапирролы,
называемые
желчными пигментами. К ним, в частности,
относится билирубин (12.9). Желчные пиг­
менты выделяются в желчь. В больших ко­
личествах такие пигменты накапливаются
только у некоторых водорослей и цианобак­
терий, что подробно описано в гл. 5,
разд. B.II.3. Высшие растения не накапли­
вают этих пигментов.
I. Фитохром
Возможно, однако, что в следовых коли­
чествах желчные пигменты содержатся
у всех высших растений в виде простетической группы хромопротеина, называемого
фитохромом. Эта молекула опосредует
многие физиологические реакции, наблю­
даемые при поглощении малой дозы крас­
ного света (660 нм) растением, находившим­
ся в полной темноте; поглощение подобных
доз дальнего красного света (730 нм) в тех
же условиях приводит к обратным физиоло­
гическим ответам.
Важная роль фитохрома в том и состоит,
что это-единственный из растительных
пигментов, который чувствует световые
сигналы для управления развитием расте­
ния. Сообщалось о многих физиологических
ответах, опосредованных фитохромом;
большинство из них связано с морфогене­
зом.
Неактивная форма фитохрома (Ф*)
имеет максимум поглощения при 660 нм.
Под действием красного света (660 нм) фи­
тохром переходит в активную форму (Фдк),
которая поглощает свет при 730 нм. Обрат­
ное превращение Фда и Фк может произойти
при освещении дальним красным светом
730 нм:
660 нм
фк
А
Фдк
(12.4)
730 нм.
Эта обратимая реакция может повто­
ряться в живом организме сколь угодно
много раз, причем физиологический ответ
организма определяется тем, какое именно
освещение (дальним красным или красным
светом) было последним.
Можно привести следующие примеры
ферментативных реакций, которые in vivo,
по-видимому, регулируются фитохромом:
1. Формирование AJIK-синтезирующей
системы, способной образовывать АЛК
в ответ на освещение (разд. Б.1 и Ж данной
главы). Здесь участвуют две чувствительные
к свету реакции; из них лишь одна регули­
руется фитохромом (т. е. ускоряется на крас­
ном свету и подавляется дальним красным
светом).
2. Синтез ФАЛ, фермента, катализирую­
щего превращение фенилаланина в корич­
ную кислоту,-ключевой предшественник
биосинтеза флавоноидов (гл. 14, разд. ИЛИ),
лигнина (гл. 4, разд. Г.П) и некоторых алка­
лоидов (гл. 13, разд. B.VI.2.6).
3. Превращение L-тирозина в дигидроксифенилаланин и его последующее включе­
ние в бетацианин и (или) бетаксантин (гл. 13,
разд. B.VL3).
Выяснение процессов, происходящих
в этих системах, затрудняется эффектами
регуляции по принципу обратной связи. Од­
нако сравнительно недавно было установле­
но, что синтез белка светособирающего хлорофилл-белкового комплекса (ССК, гл. 5,
разд. B.IV), по-видимому, регулируется фи­
тохромом. Возможно, что именно такое
действие фитохрома лежит в основе его раз­
личных биохимических эффектов. Короткая
вспышка красного света низкой интенсивно­
сти вызывает образование новой мРНК;
при трансляции этой мРНК на цитоплазма­
тических рибосомах образуется белок, ко­
торый после структурной модификации бы­
стро встраивается в ССК в хлоропласте, при
условии что там есть хлорофилл. Если хло­
рофилла нет, белок, по-видимому, быстро
распадается. На основе этих фактов можно
предполагать такую последовательность
событий: вспышка красного света превра­
щает Фк в Фда; Фдк каким-то еще не из­
вестным путем стимулирует транскрипцию
ядерного гена для белка ССК; образовав­
шаяся мРНК транслируется на цитоплазма­
тических рибосомах, образуя предшествен­
ник белка ССК, который может иметь на
N -конце белковой цепи «сигнальную» по­
следовательность аминокислот. Эта сиг­
нальная последовательность может узнать
особый канал в мембранах хлоропласта (см.
для сравнения гл. 10, разд. Д.1Х.8, о малой
субъединице РуБФ-карбоксилазы). Как
только белок-предшественник ССК попа­
дает в хлоропласт, «сигнальная» последова­
тельность аминокислот отщепляется от не­
го соответствующей протеиназой; завер­
шенный белок ССК быстро встраивается
вместе с молекулами хлорофилла и ксанотфилла в светособирающий пигмент-белковый комплекс в мембранах тилакоида.
Лишь недавно удалось выделить простетическую группу фитохрома и показать, что
она представляет собой незамкнутый тетра­
пиррол, близкий по структуре к фикоцианобилину (рис. 5.6). Красная форма фитохро-
ноос
соон
ма (фц) имеет структуру ( 1 2 .10 ); под
действием света с длиной волны 660 нм она
переходит в структуру (12.11). Изомериза­
ция, приводящая к расщеплению системы
двойных сопряженных связей, может в неко­
торой степени обусловить наблюдаемый
сдвиг максимума поглощения от 660 до
730 нм.
Точно не известно, как именно Фда запу­
скает биохимические и физиологические из­
менения. Ввиду разнообразия эффектов, вы­
зываемых фитохромом, было бы удивитель­
но обнаружить, что все они управляются по
одному и тому же механизму. Исходя из то­
го что фитохром связан с мембраной, мож­
но представить несколько возможных меха­
низмов его действия: регуляция активного
транспорта ионов и молекул через мембра­
ну, возможно посредством изменения ак­
тивности АТР-азы; 2) регуляция активно­
сти гормонов, связанных с мембраной,
например гибберелина; 3) влияние на ак­
тивность связанных с мембраной белков.
Все эти возможные влияния интенсивно из­
учаются, и можно надеяться, что в ближай­
шие годы картина существенно прояснится.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Хлорофиллы
Granick S., Beale S. I. (1978). Adv. Enzymol., 46, 33
Bogorad L . (1976) in Chemistry and Biochemistry of
Plant Pigments (Goodwin I. W., ed), vol. 1, p. 64.
Academic Press, London
Beale S. I. (1978) Ann. Rev. Plant Physiol., 29, 95
Фитохром
Marme D. (1977) Ann. Rev. Plant Physiol., 28, 173
Schopfer P. (1977) Ann. Rev. Plant Physiol., 28, 223
ФЕРМЕНТЫ
1. Сукцинил-СоА:
глицин—С-сукцинилтрансфераза (декарбоксилирующая), КФ
2.3.07.
2. 5-Аминолевулинат—гидро-лиаза (при­
соединяющая 5-аминолевулинат и циклизующая), КФ 4.2.1.24.
3. Порфобилиноген—аммиак-лиаза (полимеризующая), КФ 4.3.1.8.
4. Уропорфириноген III—карбокси-лиаза,
КФ 4.1.1.37.
5. Копропорфириноген : кислород—оксидоредуктаза (декарбоксилирующая), КФ
1 .3.3.3.
6 . Протопорфириноген IX: кислород—оксидоредуктаза, КФ 1.3.3.4.
7. Протогем—ферро-лиаза, КФ 4.99.1.1.
8 . Нитрит:
(акцептор)—оксидоредуктаза,
КФ 1.7.99.4.
9. Хлорофилл — хлорофиллидгидролаза,
КФ 3.1.1.14.
ГЛАВА 13
А лкалоиды
А. ВВЕДЕНИЕ
Алкалоиды представляют собой еще одну
большую группу так называемых вто­
ричных растительных веществ. Многие, но
не все алкалоиды обладают важными фар­
макологическими свойствами. Это, напри­
мер, алкалоиды хинного дерева, присут­
ствующие в коре Cinchona spp. и Remijia
s p p - растений, обитающих на западных вы­
сокогорных склонах Анд и содержащих в ка­
честве главного компонента хинин, который
уже с 1639 г. используется в качестве эффек­
тивного противомалярийного средства.
Вместе с тем в течение последних 100 лет из
растений было выделено более 2 0 0 0 алка­
лоидов и установлено их строение. Посколь­
ку до настоящего времени обследовано ме­
нее 5% всех видов растений, обитающих на
Земле, то очевидно, что обследование этого
класса природных соединений представляет
собой огромное поле деятельности для
химиков-органиков.
Все алкалоиды содержат азот, чаще все­
го в составе гетероциклического кольца;
большинство из них имеет основные свой­
ства, как это явствует уже из их общего на­
звания (алкалоид-растительная щелочь).
Четкой номенклатуры алкалоидов пока еще
нет, но алкалоиды с гетероциклическими
кольцами часто называют истинными алка­
лоидами, а алкалоиды без таких колец -протоалкалоидами. Почти всегда отдаленными
биогенетическими предшественниками ал­
калоидов служат аминокислоты; другие
мультикарбоновые единицы, например аце­
тат, также могут участвовать в построении
конечной структуры некоторых алкалоидов.
Алкалоиды, образующиеся без участия
аминокислот, независимо от того, содержат
ли эти алкалоиды циклы или нет, называют
псевдоалкалоидами. Они практически цели­
ком представлены алкалоидами, угле­
родный скелет которых имеет терпеноидное
происхождение.
Истинные алкалоиды и протоалкалоиды
разделяются либо в соответствии с гетеро­
циклической кольцевой системой, присут­
ствующей в их молекуле (что видно из при­
меров, приведенных в табл. 13.1), либо на
основе тех аминокислот, из которых они
образуются. Хотя в данной главе отсут­
ствует таблица, формально отражающая
последнюю систему классификации, относя­
щаяся к этому вопросу информация включе­
на в табл. 13.1.
Примеры
псевдоалкалоидов
даны
в табл. 13.2. До сих пор не обнаружено алка­
лоидов, которые происходили бы целиком
из геми-, сестер-, тетра- или политерпенов.
Б. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И
ЛОКАЛИЗАЦИЯ
ИСТИННЫХ И ПРОТОАЛКАЛОИДОВ
Обобщающая схема распространения
алкалоидов в растениях приведена в
табл. 13.3. О ее ограниченности свидетель­
ствует тот факт, приведенный в разд. А, что
у 95% всех видов растений алкалоиды не
исследовались.
Алкалоиды накапливаются главным
образом в тканях четырех типов: 1 ) в актив­
но растущих тканях, 2 ) в эпидермальных
и гиподермальных клетках, 3) в обкладке со­
судистых пучков и 4) в латексных сосудиках.
Алкалоиды находятся в вакуолях и поэтому
не обнаруживаются в молодых клетках до
тех пор, пока не наступит вакуолизация. Ал­
калоиды редко присутствуют в омертвев­
ших тканях; даже в коре Cinchona (хинное
дерево), которая содержит до 12 % (по массе)
алкалоидов, они находятся исключительно
в паренхиме.
Часто алкалоиды накапливаются не
в тех тканях, в которых они синтезируются.
Лучше всего проиллюстрировать это на
примере никотина который синтезируется
в корнях табачного растения, а оттуда пере­
носится в листья, где и запасается; другие
Биосинтетический пред.
шественник N-гетероцикла
1. ПирроЛИ Д И Н
а. Простой
О
'N '
Н
б. Тропан
(Н
Medicago sativa
Стахидрин
L-орнитин
^N ^C O O H
H jC
CHj
1-гиосциамин (с!,1-гиосциамин,-это ат- Atropa belladonna
ропин )
Datura stramonium
L-орнитин
и другие Solanaceae
ИЛИ
H N ___
Гиосцин (скополамин)
Datura metel
Scopolia carniolica
L-орнитин
и другие Solanaceae
Кокаин
2. Пиперидин
Erythroxylon coca
Анабазин
Anabasis aphylla
Nicotiana glauca
О
L-орнитин
L-лизин
'N '
Н
Sedum spp., например L-лизин
5. sarmentosum
Лобелии
OH
Lobelia spp., например L-лизин
L. inflata
Биосинтетический пред­
шественник N-гетеропик-
Кониин
N
Н
3. Пиридин
Conium maculatum
4CH3COOH + ис­
точник азота
t
ХСНЭ
Н,
Никотин
N
Nicotiana spp., напри- L-аспарагиновая
мер N. rustica, N. кислота + С3tabacum, N. glutinosa
единица
I
СН,
Тенеллин
4. Пирролизидин Ретронецин
НО „ СН,ОН
СН,
5. Фенантроиндо- Тилофорин
лизидин
Beauvaria tenella
L-фенилаланин
Senecio spp., S. isati- L-орнитин
dens, S. douglasii,
Crotalaria spp., на­
пример С. spectabitis
Tylophora asthmatica
L-орнитин (пирролидиновое коль­
цо)
ОСНз
6.
Хинолизидин
Лупинин
СН,ОН
Н 1
(—)-Спартеин
Lupin us luteus
L-лизин
Sarothamnus scoparius
Lupinus luteus
L-лизин
Sarothamnus scoparius
Биосинтетический пред­
шественник N-reтерецик­
ла
7. Хинолин
Хинин
Cinchona spp. напри- L-триптофан
мер, С. qfficinacis
Антраниловая кис­
лота
Dictamnus albus
ОСН.
8.
Изохинолин
СО
а. Морфин
(или папаве-
Морфин
н
Papaver somniferum
L-тирозин
Lycoris radiata
Narcissus tazetta
Amaryllis belladonna
L-тирозин + L-фенилаланин
калоиды)
б. Алкалоиды Ликорин
9. Хиназолин
Вазицин (пеганин)
'N
Adhatoda vasica
Peganum harmala
Антраниловая кис­
лота
J
10. Индол
а. (З-Карболи- Аймалицин
Corynante johimbe
Rauwolfia serpentina
L-триптофан
б. Э рголи н о
Агроклавин
Claviceps purpurea
L-триптофан
(гриб-спорыньяв)
11. Ди гидроиндо- Бетанидин
12.
Имидазол
Корни столовой с век- L-тирозин
лы и другие Сепtrospermae
Эрготионеин
Neurospora crassa
L-гистидин
АСООН
Р = 0 |^ " Н
H N ^N
N(CH) )i
SH
13. Акридин
Рутакридон
О
Ruta graveolens
ОН
В процессе экстракции из растительной ткани происходит частичная рацемизация 1-гиосциамина с образованием d j -смеси,
известной как атропин.
Эрголиновые алкалоиды присутствуют и у высших растений, например у Ipomoea rubrocaerulea, но большинство биохими­
ческих исследований проведено с культурой гриба спорыньи.
В С. purpurea растет паразитически на ржи (Secale cereale) и других злаках, но может расти и сапрофитно на питательной
среде определенного состава; в этом случае алкалоиды, если они образуются, можно экстрагировать из мицелия и культуральной
жидкости.
примеры будут приведены далее в данной
главе. Вторичные структурные модифика­
ции часто осуществляются не там, где про­
исходит первичный синтез. Так, например,
основная циклическая система тропановых
алкалоидов (табл. 13.1) формируется в кор­
нях Datura spp. и оттуда транспортируется
в листья, где претерпевает значительные мо­
дификации (разд. B.II.2).
В. БИОСИНТЕЗ ИСТИННЫХ И
ПРОТОАЛКАЛОИДОВ
I. Общие аспекты
В экспериментах с применением меченых
(часто специфически меченных) предпола­
гаемых предшественников была получена
обширная информация. Эксперименты эти
1. Монотерпеноидный
Актинндин
Actinidia
дата
СН,
poly- Мевалоновая
кислота + источник
азота
Н ,С
2. Секвитерпеноидный
Дендробин
Dendrobium nobile
Н,С
Н 3С ^
3. Дитерпеноидный
СНз
Атизин
spp.,
например А.
Aconitum
heterophyllum
4. Тритерпеноид- Циклопротобуксин А
Н
СНз
.СНз
Вих us spp., на­
пример В.
sempervirens
ЧС Н 3
5. Стероидный
Холафилламин
Holarrhena spp.,
СНз
например
Н. congolensis
Solatium spp.,
например
S. aviculare
То же
THALLOPHYTA Отсутствуют, за исключением некоторых грибов
BRYOPHYTA
Отсутствуют
PTERIDOPHYTA Ограниченное распространение, например Equisetium, Lycopodium.
SPERMATOPHYTA
1) Gymnosperm
Ограниченное распространение
2) Angiosperm
а) Однодольные: главным образом у Gramineae и Liliaceae
(например, кофейное де­
б) Двудольные: главным образом у Rubiaceae
рево)
Paraveraceae
(например, мак)
Solanaceae
(например, табак)
Leguminosae
(например, горох, бобы)
Apocynaceae
(например, кендырь)
Fumariaceae
в меньшей степени у:
Rosaceae
(например, роза)
Compositae
(например, астра)
(например, мята)
Labiatal
были проведены с тем, чтобы проверить
правомочность наиболее вероятных гипоте­
тических схем, выдвинутых химиками-органиками. Эти схемы базировались в значи­
тельной степени на визуальном разделении
сложных молекулярных скелетов на про­
стые единицы и на известных органических
реакциях. Многие из этих идей оказались
поразительно верными и нашли подтвер­
ждение в экспериментах с изотопной мет­
кой. В результате мы представляем себе те­
перь в общих чертах пути биосинтеза
многих алкалоидов. Однако в биохимиче­
ском смысле вернее было бы сказать, что ни
один из этих путей полностью не выяснен,
поскольку ферменты (или фермент), прини­
мающие участие на отдельных стадиях, не
были выделены и изучены. Тем не менее
в этой области был достигнут опреде­
ленный прогресс, и при изложении после­
дующих разделов будут приведены ссылки
на ферменты, о которых уже сообщалось
в литературе.
Общий подход к выяснению биосинтети­
ческого пути для данного алкалоида со­
стоит в том, что специфически меченный
предполагаемый предшественник вводят
в растение, о котором уже известно, что оно
активно синтезирует этот алкалоид в пе­
риод эксперимента. После того как пройдет
определенный промежуток времени, необ­
ходимый для включения предшественника,
алкалоид экстрагируют из ткани растения,
очищают и затем химически расщепляют
способом, позволяющим выяснить положе­
ние меченых атомов в его молекуле. Введе­
ние меченых предшественников осущест­
вляется одним из нескольких различных
способов: 1 ) меченое соединение добавляют
к питательному раствору, на котором рас­
тет растение; 2 ) водный раствор предше­
ственника инъецируют в сосуды растения; 3)
предшественник наносят в виде капли на по­
верхность листа, которую в этом месте за­
тем осторожно прокалывают несколько
раз; 4) его намазывают на поверхность ли­
ста в виде раствора в пригодном для этой
цели растворителе и часто после испарения
растворителя сверху покрывают силико­
новым маслом; 5) предшественник вводят
с помощью «фитиля» (для этого полоску
мерсеризованной хлопчатобумажной ткани
пропускают через стебель растения таким
образом, чтобы оба конца располагались
рядом друг с другом, будучи погружены
в небольшой объем раствора, содержащего
меченое соединение) и 6 ) предшественник
вводят с помощью вакуум-инфильтрации
(при этом растение погружают в раствор
меченого соединения и затем в течение не­
скольких минут откачивают воздух с по­
мощью вакуумного насоса); этим способом
удаляют из растительных тканей внутриполостные газы, которые заменяются раство­
ром, в то время как частичный вакуум далее
медленно сбрасывают.
При использовании любого из перечис­
ленных способов введения метки необходи-
мо предварительно предотвратить возмож­
ность микробного заражения.
В процессе биосинтеза алкалоидов
много раз происходят три важнейшие об­
щие реакции. Это 1) окислительное сочета­
ние фенолов, 2) реакции по типу реакции
Манниха и 3) образование шиффовых осно­
ваний. Поскольку эти реакции происходят
в нескольких биосинтетических путях, обсу­
ждаемых в последующих разделах, мы их
здесь рассмотрим.
1. Окислительное сочетание фенолов
Водород гидроксильной группы фенолов
легко отщепляется за счет переноса одного
из электронов на окисляющий агент, напри­
мер FeCl3 или основной феррицианид калия,
с образованием высоко реакционноспособ­
ного свободного радикала мезомерного фе­
нолята [уравнение (13.1)], который быстро
исчезает, главным образом в результате со­
четания (димеризации); сочетание этих фенолятных радикалов может осуществиться
путем орто-орто (а), пара-пара (б) или орто­
пара (в) (рис. 13.1). В живых тканях фенолятные радикалы (ионы) образуются в ре­
зультате каталитической деятельности фер­
ментов, таких, как лакказа, участвующая
в образовании лигнина (гл. 4, разд. Г.Н),
и фенолазы, ответственные за полимериза­
цию флавоноидов (гл. 14, разд. И.Ш.8.е).
2. Реакция Манниха
Общая схема реакции Манниха (рис.
13.2Д) включает: карбонильное соединение
(обычно альдегид, но не обязательно), амин
и соединение, способное образовывать карбанион (часто путем отщепления кислотно­
го водорода). Механизм, с помощью кото­
рого осуществляется конденсация этих трех
реагирующих начал, показан на рис. 13.2,2>.
Во многих биосинтетических реакциях Ман­
ниха заместитель R представляет собой
—SCoA; тогда карбонильный компонент
оказывается частью тиоэфирной связи.
3. Образование шиффовых основа­
ний
Соединения с первичными аминогруппа­
ми могут реагировать (подчас спонтанно)
с карбонильными соединениями, образуя
шиффовы основания (называемые также
азометинами). Если карбонильное соедине­
ние представляет собой альдегид, то в каче­
стве шиффова основания выступает альди-
ор то -о рто
Рис. 13.1. Сочетание фенолятных свободных ра­
дикалов.
А Обшая оеакиия
—
—О
+
КарВанион
н
СНО
I
Альдееид
+
HN
------ *
.
Первичныи или
вторичный амин
—С— СН —
+
Н20
I
5 Механизм реакции
н - ^ 'Л м :
I
R
HVO
О'
I
НО
Н — с — NC
I
R
I
Н
-С—N"
14
R Н
н,о
ь
Н
N
I
н -с Д :
R
R
/ С —с —N.
I
I
что в его образовании должен участвовать
симметричный промежуточный продукт.
мин, а если оно является кетоном, то Им является путресцин, образующийся под
образуется кетимин (рис. 13.3,А). Механизм действием фермента - орнитин-декарбокси­
этой реакции показан на рис. 13.3,5.
лазы1 (а), обнаруженного в тканях корней
растения табака, где синтезируется данный
алкалоид. По-видимому, путресцин отщеп­
II. Алкалоиды, происходящие
ляется от фермента раньше, чем N-метилиз L-орнитина
трансфераза сможет в присутствии S-аденозилметионина превратить его в N-метилпутресцин (б). Если бы пирролидиновое коль­
1. Простые пирролидины*
цо синтезировалось на мультиферментном
Биосинтез пирролидинового кольца ни­ комплексе, то путресцин мог бы удержи­
котина изучен детально; основные этапы ваться на таком комплексе путем образова­
его показаны на рис. 13.4. Никотин содер­ ния шиффова основания с карбонильной
жит также второй N-содержащий гетеро­ группой фермента, что предполагает, по су­
цикл-пиридиновое кольцо; пути его обра­ ществу, образование несимметричной моле­
зования и связывания с предшественником кулы в процессе катализируемого фермен­
пирролидинового кольца тоже показаны на том N-метилирования. Другим путем,
рис. 13.4. Однако детали синтеза пиридино­ с помощью которого можно было бы нару­
вого кольца рассматриваются в разд. шить симметрию данной реакции, является
В.Ш.Д.
метилирование L-орнитина по 6-N-положе­
2-14С-орнитин (на рис. 13.4 атом |4С по­ нию перед стадией декарбоксилирования.
мечен значком ▼) превращается в пирроли- Это действительно наблюдается при био­
диновое кольцо никотина таким образом, синтезе других алкалоидов (например, гиосчто последний оказывается меченным по циамина-см. разд. B.II.2), но не в данном
положениям С-2' и С-5'. Из этого следует. случае.
Следующая стадия (в)-это окислитель­
*
Все буквенные обозначения в этом разде­ное дезаминирование N-метилпутреспина
ле относятся к рис. 13.4.
под действием N-метилпутресцин-оксидазы
Рис. 13.2. Реакция Манниха.
^С = 0
|
H ,N —
Альдегид или
--------------- 1
первичный
амин
кетон
/C = N —
+
Н20
Шиффово основание
(альдимин или кетимин)
б Механизм реакции
н
R —С
Д
Со.
‘
н
* : N — R'
н н
---------------- -
t
R— C = N — R
R
rv I м
н
I
1 1
R— С — N—
\ -о н
н+
Н!°
t
----------*-------
Шиффово основание
Рис. 13.3. Образование шиффовых оснований.
в 4-метиламинобутаналь, который в водной
среде находится в равновесии с N -метил-Д1пирролином (г). Было показано, что он слу­
жит исключительно эффективным предше­
ственником никотина; предполагаемый ме­
ханизм связывания включает 3,6-дигидроникотиновую кислоту и катион N-метил-Д1пирролиния в согласованном декарбоксилировании (д), приводящем к образованию
2'-5-дигидроникотина. За этой стадией сле­
дует стереоспецифическое перемещение
npo-S-водорода от атома С-6 дигидропиридинового кольца (Т на рис. 13.4), вероятно,
к электрофильному акцепторному центру
соответствующего фермента и отщепление
водорода от С-3 в виде Н + в окружающую
водную среду.
Некоторые сомнения породило изучение
биосинтеза никотина, когда было установ­
лено, что из a-15N, 2-14С-орнитина обра­
зуется пирролидиновое кольцо, меченное
только 14С. При использовании в качестве
субстрата 515N, 2-14С-орнитина этого не на­
блюдали. Последовательность биосинтети­
ческих реакций, включающая путресцин,
предполагает равновесие между ос- и б-атомами азота орнитина, как это имеет место
t (Л
R— С— N— R
,
НО
в случае атомов С-5 и С-2. Отсутствие тако­
го равновесия объясняется, по-видимому,
тем, что L-орнитин быстро превращается
в а-оксо-6-аминовалериановую кислоту (jh)
и находится с ней в равновесии; это озна­
чает, что немеченый фонд данного соедине­
ния быстро разбавляет 15Ы-а-аминогруппы
до такого низкого уровня, что его не удается
обнаружить.
2. Тропановые алкалоиды*
Путь образования пирролидинового
остатка в тропановом ядре резко отличает­
ся от пути образования пирролидинового
остатка в никотине, рассмотренного в пре­
дыдущем разделе. В случае синтеза из 2-14Сорнитина у Datura stramonium молекула гиосциамина (табл. 13.1) метится по положению
С-1, но не С-5. Это обусловлено специфиче­
ским метилированием 5-аминогруппы L-opнитина на первой стадии биосинтетической
последовательности реакций (рис. 13.5,а).
Последующие стадии (б, е й г) аналогичны
реакциям, участвующим в синтезе пирроли­
динового кольца никотина (рис. 13.4).
Гп и церальдегид -
3 -фосфат
н(о
но » сн,он
ж
н-с
•сн,он
Гл и ц е р о л
Г~>а
"“V .. сн.соон
Л .
Н
'
|
D
ноос
СН,СООН
Iо
с.соон
1
Н
се-0ксо-8 -аминовалериа­
новая кислот а
L •аслара ей новая Щавелевоук­
сусная кисло­
к и с ло та
та
он
HOv^®4^.COOH
нагмошс/п
быстрое рав­
r/пса I новесие
нобек
aNHi
■
Jl
—
NHj
•W "
ноос
H;N
L-о р н и т и н
соон
а |——- D
а
f b*-
соон
H ,N '
",
Путресцин
с
"СООН
Хинолиновая ки слота
CH,(<wiSAM)
e\~
СО,
И " '
✓H4NADPH?)
л Г ^ Ц 00011
CH,
Никотиновая к и с ло та
Т*
I сн.
ш н
1л
N
•h
HC
II
о
н Ы-метш>-&'-пирролин
°
!0 , ------\ д
NHj
CH,
4-метиламинову та н а ль
f4 f?
О I
" '/ 't x
OfPAtX* е \--- - ?"
ЖЙ
н
•N
сн,
Н и к о ти н
Рис. 13.4. Постулированный биосинтез никотина.
• , О, ■, □ , А и А -атомы, меченные в молекулах
предшественников. Обозначение ▲' показывает,
что половина метки, первоначально присут­
ствующей как ▲ в предшественнике, теперь со*
держится в данном атоме продукта (если два ато­
ма в молекуле продукта мечены
то рандоми­
зация метки ▲ происходит благодаря образова­
нию симметричного промежуточного продукта,
например
путресцина).
Отметим,
что
a-NH2-rpynna L-орнитина не включается в нико­
тин. Это, по-видимому, объясняется быстрым на­
ступлением равновесия между L-орнитином и аоксо-8-аминовалериановой кислотой в расти­
тельных тканях. Следует отметить, что
6-3Н|-никотиновая кислота теряет тритий
в процессе превращения в никотин. Для описания
ферментов приняты следующие обозначения:
а-орнитин-декарбоксилаза, КФ 4.1.1.17; б-путресцин—N-метилтрансфераза, КФ 2.1.1.53;
e - N -метилпутресцин-оксидаза. * Мононуклео­
тид никотиновой кислоты, который, по-видимо­
му, является промежуточным продуктом в этой
реакции; см. разд. В.II 1.1.
В образовании гигрина N-метил-Д'-пирролиния участвуют два ацетатных остатка,
по-видимому, в виде ацетил-СоА, дающих
дополнительные атомы углерода (стадии д
и е). Было показано, что гигрин сам по
себе служит предшественником тропанового остатка гиосциамина, но предпола­
гаемая серия реакций (ж , з и и), веду­
щая к тропину, не была эксперименталь­
но доказана. Далее тропин этерифицируется L-троповой кислотой (13.1) с обра­
зованием 1-гиосциамина (к). Фермент тро-
ГУ
L
3. Пирролизидины*
Большинство нирролизидиновых алка­
лоидов существует в виде эфиров, основание
которых представлено нециновым основа­
нием, а этерифицированные кислоты-либо
одной или двумя монокарбоновыми кисло­
тами, либо одной дикарбоновой кислотой.
Эти кислоты, имеющие обычно разветвлен­
ные углеродные цепи, называют нециновыми кислотами. Ярким примером таких
встречающихся в природе пирролизидиновых алкалоидов служат линдефолин (13.2),
сн— соон
'ш
1) сн2он
М ш
но—
с— сн;/ сн>
I
\ СН
Н — С— ОН
3
СН,
(13.2)
(13. п
,н ^он
сн,о— С = 0 /ОН
I
у
но— с— сн
НзС-ч^/СО.О//,,
н,с— с— он '“СНз
сн,
(13.3)
пин-эстераза был обнаружен в корнях
многих пасленовых растений (Solanaceae).
Троповая кислота легко подвергается ра­
цемизации, и как следствие этого, 1-гиосциамин легко превращается в d, 1-гиосциамин, который называют «атропином».
Троповая кислота образуется из L-фенилаланина. Эксперименты с изотопной
меткой показали, что карбоксильная груп­
па L-фенилаланина сохраняется в виде
карбоксильной группы троповой кислоты.
Это означает, что должна произойти вну­
тримолекулярная перегруппировка с пере­
мещением карбоксильной группы от С-2
к С-3 углеродного скелета L-фенилала­
нина.
-Смитсн2он
С — С — CHj
Н3С /
I
\:= о
I
о.
0
1
о=с
-с н ,
,N,
(13.4)
гелиосупин (13.3) и ретрорсин (13.4).
Нециновое
основание
ретронецин
(рис. 13.6) также образуется из L-орнитина,
причем картина распределения метки после
введения в растения 2-14С - и 5-14С-орнитина
соответствует первой стадии (рис. 13.6,а)
образования путресцина, у которого атомы
С-1 и С-4 становятся равноценными. Пред­
полагаемый биосинтетический путь вклю­
чает окислительное дезаминирование пу­
тресцина с образованием 4-аминобутаналя
(в) под действием медь-содержащего фер­
мента аминооксидазы3. Две молекулы аминобутаналя соединяются с образованием
альдимина (шиффово основание; см.
рис. 13.3), который подвергается восстанов­
лению по двойной связи C = N и дезамини-
рованию (г и д). Вслед за этим происходит
внутримолекулярная реакция по типу реак­
ции Манниха (е, ж и з; см. рис. 13.2), кото­
рая приводит к замыканию обоих пяти­
членных гетероциклических колец. Конеч­
ная реакция (и), очевидно, заключается
в дегидрировании атомов С-1 и С-2, восста­
новлении формальной группы в первичную
спиртовую группу и стереоспецифическом
гидроксилировании атома С-7. Все эти реак­
ции химически вполне осуществимы, но ни
одна из них не изучена ферментативно.
показано, что те атомы углерода, которые
происходят не из аспарагиновой кислоты,
являются метаболитами глицерола, вероят­
нее всего D -глицеральдегид-З-фосфата
(рис. 13.4,ж). В результате конденсации
образуется гетероциклическая дикарбоновая кислота (рис. 13.4,з), которая аромати­
зируется в хинолиновую кислоту (рис.
13.4,ы), а та затем подвергается декарбоксилированию с образованием никотиновой
кислоты (рис. 13.4,к). Промежуточным про­
дуктом в этой реакции, по-видимому, слу-
о
о
но н3с он он
2Н20
iff.
Ретронецин
На первый взгляд иециновые кислоты,
отщепляющиеся от пирролизидиновых ал­
калоидов в результате гидролиза эфирной
связи, например дикроталовая кислота, от­
щепляющаяся от дикроталина [уравнение
(13.2)], могли бы иметь изопреноидное про­
исхождение. Однако это не так, поскольку
они образуются из разветвленных амино­
кислот. Это особенно наглядно проявляется
при образовании остатка эхимидиновой
кислоты в гелиосупине (рис. 13.7). Путь био­
синтеза этой кислоты включает образова­
ние оксовалина (З-метил-2-оксомасляной
кислоты). Образующийся оксовалин кон­
денсируется с С2-соединением (по-видимо­
му, активным ацетальдегидом) с образова­
нием С7-соединения, которое в конечном
итоге превращается в эхимидиновую кисло­
ту.
III. Алкалоиды, происходящие из Lаспартата через стадию
никотиновой кислоты
1. Пиридины
Как уже было показано на рис. 13.4, ни­
котиновая кислота служит предшественни­
ком пиридинового кольца никотина. Отда­
ленным предшественником никотиновой
кислоты является L-аспарагиновая кислота.
В экспериментах с изотопной меткой было
Дикроталовая
кислота
жит мононуклеотид никотиновой кислоты,
образующийся при одновременном присое­
динении рибозо-5-фосфата от ФРПФ (фосфорибозобисфосфата) и отщеплении С 0 2.
Мононуклеотид затем гидролизуется в ни­
котиновую кислоту. Далее никотиновая
кислота восстанавливается (рис. 13.4,л)
в 3,6-дигидроникотиновую кислоту, которая
конденсируется с М-метил-Д^пирролином
с образованием непосредственного предше­
ственника никотина.
2. Изохинуклидины*
Пиридиновое кольцо изохинуклидинового алкалоида диоскорина (рис. 13.8) обра­
зуется из никотиновой кислоты; введение
2-|4С- и 5,6-13С-никотиновой кислоты в рас­
тения, синтезирующие диоскорин, приводит
к образованию диоскорина, меченного 14С
при С-3 и 13С при С-1 и С-7. Эти данные со­
гласуются с биосинтетическим путем, пока­
занным на рис. 13.8. Существует предполо­
жение, что, как и в случае синтеза никотина,
конденсирующимся соединением является
3,6-дигидроникотиновая кислота, которая
подвергается согласованным декарбоксилированию и конденсации (а) с ациклическим
со,
s BN l СООН
Н,С—N. J ~N X СООН
Н
H,
И, N
Н,
L -орнит ин
H .C -N 'tr
н
н,
/V- метилпутресцин
S-N-метилорнитин
101«
7 X ‘CHjCOOH’
NH,
сно
HjC—N
Н
I
СНз
С
;
а
СN
H,Cv
И
СНз
СООН
4 - метила ми побита нала
N метил.д 1.
пирролини евая соль
II
о
СО,
н* х '
ФЕРМ-Х
Н,С
4L
)
' н ' ^N'
ж
X-'
3
J
h a
о
1
сн,
CHj
сн3
"с^
О
Дееид рог и грин
Гигрин
/СНз
/СН,
Троподая кислота
Г
N
он
------
О' — - ЛH
\= 0
Тропин
Тропинок
CHjOH
е -гио сциа м ин
Рис. 13.5. Возможные биосинтетические пути от
L-орнитина к тропиновому алкалоиду 1-гиосциамину, фермент на этапе к-это тропин-эстераза,
КФ 3.1.1.10.
С8-предшественником, ведущим свое нача­
ло от ацетата. Образующееся при этом со­
единение после восстановления и перегруп­
пировки двойной связи в гетероцикличе­
ском кольце (б) подвергается альдольной
конденсации при одновременном декарбоксилировании (в) с образованием соединения,
которое в результате лактонизации (г) пре­
вращается в диоскорин.
IV. Алкалоиды, происходящие из
L-лизина
1. Пиперидины*
Пиперидиновые кольца анабазина (13.5),
N -метилпельтьерина (13.6), анаферина (13.7)
и аденокарпина (13.8) образуются из L-лизи­
на, но во всех случаях С-2 L-лизина сохра­
няет свою индивидуальность. Следователь-
но, симметричный продукт его декарбоксилирования-кадаверин-не может служить
промежуточным продуктом при их биосин­
тезе. Локализация атома С-2 L-лизина
в этих алкалоидах показана в формулах
(13.5)—(13.8) черным кружком. Следует от­
метить, что анаферин представляет собой
пиперидиновый димер. Промежуточным
продуктом, который предотвращает рандо­
мизацию метки в атоме С-2 L-лизина,
является шиффово основание, образованное
из L-лизина и пиридоксальфосфата (рис.
13.9,а), которое в свою очередь подвергается
декарбоксилированию с образованием
шиффова основания кадаверина (б). В ре­
зультате атомы С-1 и С-4 кадаверина никог­
да не станут эквивалентными. Гидролиз
шиффова основания дает пиридоксаминфосфат и 5-аминопентаналь (в); последний
подвергается циклизации в Д'-пиперидеин
(г), который, по-видимому, должен быть
ключевым предшественником всех пиперидиновых алкалоидов. Высвобождающийся
на стадии в пиридоксаминфосфат превра­
щается в пиридоксальфосфат и вновь ис­
пользуется на стадии а.
Анабазин, например (табл. 13.1), обра­
зуется путем конденсации Д1-пиперидеина
с 3,6-дигидроникотиновой кислотой - ана­
логично конденсации Ы-метил-Д^пирролина с 3,6-дигидроникотиновой кислотой
при биосинтезе никотина (стадия д на
рис. 13.4).
N-метилпельтьерин (13.6) образуется
в результате конденсации Д1-пиперидеина
с ацетоацетатом, вероятно, в виде СоАпроизводного с последующим метилирова­
нием. Анаферин (13.7), по-видимому, обра­
зуется в результате конденсации пельтьерина со второй молекулой Д1-пиперидеина.
Аденокарпин, вероятно, возникает при димеризации двух молекул Д1-пиперидеина;
эта реакция легко происходит in vitro.
Вместе с тем необходимо отметить, что
алкалоиды болиголова, например кониин,
в молекуле которого есть пиперидиновый
цикл, синтезируются не из лизина, а из четы­
рех молекул ацетата. На рис. 13.10 показано
распределение метки в кониине, образован­
ном из 1-14С-ацетата. Доказано, что восста­
новление у-коницеина в кониин происходит
ферментативным путем; в этом процессе ис­
пользуется 4-про-&-водород (см. приложе­
ние 1) никотинамидного кольца NADPH.
2. Хинолизидины*
Хинолизидиновое кольцо в алкалоидах,
таких, как, например лупинин, образуется из
L-лизина (рис. 13.11), но в отличие от того,
СО ,
NH,
NHj
СООН
li
CL
кФ ьллм
■NH,
1 -орнитин
V - nh2
Путресцин
Ог + Hj о
КФ 1.4.3.6
NH, ,СНО
NH J
Н,0
+ нго2
Ns
Шисрсрово основание
2 х 4 -аминобутаналь
^-Ю |
NH,
н
о
>СНО
Н*
Н С0 ,СНО
2Н
\У 7
V 1
N =^/
Н* “
о
н сно
CHO
•N ^Iy
j 1
—
н н сно
- 2 Н (отС-1 и с-2)
но u сн,он
СНО— C H jO H
ОН приС-1
Рис. 13.6. Постулированный биосинтез ретронецина. • метка в а-углеродном атоме L-орнитина;
знак • ' указывает, что половина метки, первона­
чально присутствующей в а-углеродном атоме Lорнитина, теперь локализована в данном угле­
родном атоме ретронецина или его предшествен­
ника (это происходит в результате рандомизации
метки ф, вызванной участием симметричного
промежуточного продукта); КФ 4.1.1.17- орнитин-декарбоксилаза; КФ 1.4.3.6-амин-оксидаза
(медьсодержащая).
HjC О
\
н - с —с —соон
/
I
Н,С NHj
HjC о
\
II
н—с —с—соон
/
н,с
L- валии
Оксовалин
•CHjCHO-
2H [О]
он
11 Н3С
н—с—с —соон
ОН
Н3С
\
НО—с—с —соон uJ
I
Hi с н-С —он
\
/
Н ,с
I
I
с=о
I
сн,
СН]
Эхимидиноваз кислота
Рис. 13.7. Образование эхимидиновой кислоты
из L-валина и двухуглеродной единицы, возмож­
но «активированного ацетальдегида».
со.
соон
со,
NH
СНз
>
он соон
Эквивалентные
структуры
н,о
СНз
In
]/
\
Я Н **
н^он
t
Гг
сн3
Рис. 13.8. Биосинтез диоскорина из 3,6-дигидро­
никотиновой кислоты и происходящего из ацета­
та ациклического (^-предшественника.
14
НЭС—НЧ* |
—
^
соон
что происходит при образовании пипериди- лаланином указывают, что он служит пред­
нового цикла, атом С-2 L-лизина подвер­ шественником эфедрина (13.10) у Ephedra
гается в этом процессе рандомизации. Сле­ spp. [черным кружком • обозначено поло­
довательно, свободный кадаверин можно жение 14С в молекуле эфедрина (13.10), син­
рассматривать как истинный промежу­ тезированной из Р '4С-фенилаланина]. Ме­
точный продукт, метку же из 2-14С-лизина ханизм образования этого алкалоида все
после действия лизин-декарбоксилазы4 на­ еще не ясен, поскольку получены неожи­
ходят в атомах С-2 и С-5. Кадаверин под­ данные результаты, показывающие, что, ховергается окислению в 5-аминопентаналь
(б), две молекулы которого конденсируются,
ОН
вероятно, после того, как одна из них в ре­
зультате окислительного дезаминирования
даст 4-формилбутаналь с образованием
NHCH,
шиффова основания (в). Последнее после
восстановления двойной связи C==N (г) под­
вергается внутримолекулярной перегруппи­
ровке по типу реакции Манниха (д, е, ж и з;
(13.9)
(13.10)
ср. с рис. 13.2 и 13.6). В результате оба ше­
стичленных гетероциклических кольца за­
мыкаются. Далее восстановление альдегид­
ной группы (и) в первичную спиртовую
тя 15N из 15Ы-фенилаланина включается
группу даст лупинин.
Положение метки, которое можно было в молекулу эфедрина, метка 14С из
бы предположить в лупинине, допуская ран­ а 14С-фенилаланина не включается в моле­
домизацию атома С-2 лизина в виду образо­ кулу этого алкалоида.
вания кадаверина в качестве промежуточно­
го продукта, помечено на рис. 13.11 черным VI. Алкалоиды, происходящие из
кружком (•). Оно точно соответствует экспе­
риментально найденному положению мет­ L-тирозина
L-тирозин в отличие от L-фенилаланина
ки.
Ликоподии (13.9) из растения Lycopodi- поставляет и ароматическое кольцо, и атом
um spp. также образуется из лизина через азота для построения многих сложных алка­
симметричный промежуточный продукт; лоидов. Однако здесь мы сможем рассмо­
наблюдаемое экспериментально положение треть лишь некоторые из них.
метки 2-14С-лизина показано в формуле
(13.9) черным кружком. Высказывалась не­ 1. Изохинолины*
сколько предположений о механизме био­
Образование изохинолиновых алкалои­
синтеза этого соединения, но здесь они не
дов включает гидроксилирование аромати­
обсуждаются.
ческого кольца L-тирозина с последующим
декарбоксилированием. На следующей ста­
дии происходит замыкание кольца с другим
соединением, представляющим собой одноV. Алкалоиды, происходящие из или двухуглеродную единицу. В качестве ти­
L-фенилаланина
пичного примера такого процесса в данном
L-фенилаланин сам по себе не столь ча­ разделе рассмотрено образование анхалосто превращается в алкалоиды, поставляя нидина в кактусе «пейот» (рис. 13.12). Пред­
сразу и ароматическое кольцо, и а-амино- полагается, что 3,4-дигидроксифенилаланин
группу для построения алкалоидной струк­ (ДОФА), образующийся при гидроксилиротуры. Однако он часто служит источником вании L-тирозина при С-3, превращается
ароматических колец в алкалоидах; этот ас­ в 3-гидрокси-4,5-диметоксифенилэтиламин,
пект его обмена мы будем рассматривать который обнаружен у кактуса Lophophora
в тех случаях, когда речь пойдет об образо­
вании
фенольных
алкалоидов
(см.
разд. В.VI, 2.6). Эксперименты с Р-1^-ф ени­
соон
h,nT
h ^n h 2
L-лизин
CHO
НО
Н3С
сн2о ®
-СН2О ®
N
Н
Пиридоксалыросфат
♦
со2+н
Пиридоксамин фосфат
н,о
н,о,н*
N'
h 2n
А '-липвридеин
н^
^
ц
о
5 - аминопентаналь
Рис. 13.9. Биосинтез Д1-пиперидеина из L-лизина.
О
НО. II
Н,С
с
•
СНЭ
.
О
II .ОН
-----
HOOC Л^ С .
С <_„
* О | V CH, • СН3
ОН
HOOC
yfiK
• О
4 х CHj СООН
'N
Н
Кониин
Рис. 13.10. Биосинтез кониина из четырех моле*
кул ацетата ( • метка иэ 1-,4С-СН,СООН;
Нд-4-про-К-водород
молекулы
NADPH:
Нв -4-про-5-водород молекулы NADPH.
со.
NH,
соон
0 2+ Н ,0
NH j + H j O ,
б
КФ 4 .1.1.18
-NH,
КФ 1.4.3.6
Кадаверин
-г
ш
5-амино-
пентаналь
А
,<LH
Ь-формил-
бутональ
н,о
^ f t ^СНО
Шиффово
основание
н,о
СНО
Н СНО
ОН
2Н
ж
Лупинин
Рис. 13.11. Постулированный биосинтез хинолизидинового алкалоида лупинина. КФ 4.1.1.18-лизин-декарбоксилаза; КФ 1.4.3.6-амин-оксидаза
(медьсодержащая); • метка а-углеродного атома
L-лизина; знак • ' показывает, что половина мет­
ки, первоначально присутствующей в а-углеродном атоме L-лизина, теперь локализована в дан­
ном атоме лупинина или его предшественни­
ка-это происходит в результате рандомизации
метки • , вызванной участием симметричного
промежуточного продукта.
williamsii, путем серии последовательных ре­
акций (б, в, г и д). Все эти реакции химически
осуществимы, но, кроме реакции б, еще не
доказаны экспериментально. Однако уча­
ствующие в них промежуточные продукты
обнаружены у растений. Далее 3-гидрокси-4,5-диметоксифенилэтиламин
подвер­
гается замыканию кольца (е) с пируватом,
образуя пейорувиковую кислоту, которая
затем декарбоксилируется ( ж ) в анхалонидин. О реальности конечных стадий (е и ж )
свидетельствовали: 1) характер включения
2-14С-тирозина в анхалонидин, который
был меченным в положении, обозначенном
• на рис. 13.12, и 2) весьма эффективное пре­
вращение 3-гидрокси-4,5-диметоксифенилэтиламина в анхалонидин. Предполагаемый
промежуточный продукт-пейорувиковая
кислота-был выделен из растения L.
williamsii. Аналог пейорувиковой кислоты —
пейоксиловая кислота - образуется путем
конденсации
предшественника
амина
с глиоксиловой кислотой (з); пейоксиловая
кислота также может включаться в алка­
лоиды кактуса «пейот» (u). N -метилиро­
ванные изохинолиновые алкалоиды обра­
зуются путем N -метилирования предше­
ственника амина. Пока неясно, в каком
именно месте биосинтетического пути про­
исходит это метилирование, но было пока­
зано, что Т^-метил-3-гидрокси-4,5-диметоксифенилиэтиламин, дважды меченный 14С
и 3Н, эффективно используется в интактном
Н О ^ ^ ^ /С О О И
^ у ^ у С О О Н
X ^ J
NH,
~
HO
X j
T,
ДО ФА
L-тирозин
|
4 -Х
П
,
Дофамин
‘С Н ,
•C H j’
НэСО
н,со
3-гидропси - 4,5'диметоксифенилэтиламин
но
Пеллоптин
Анхалони дин
Рис. 13.12. Образование алкалоидов
«пейот» из L-тирозина.
кактуса
2. Бензилизохинолины
а. Бензилизохинолины, происходящие из двух
молекул L -тирозина*
виде для биосинтеза пеллотина (к и л). Сле­
довательно, можно предположить, что, как
показано на рис. 13.11, N -метилирование
имеет место на стадии к, однако оно может
произойти и на каких-то более ранних
стадиях.
В качестве примера этой группы алка­
лоидов избрали образование морфиновых
алкалоидов у мака снотворного (рис. 13.13).
Первая стадия (а) заключается в превраще-
(О О П
NH.
но
NH,
КФ I ы 10.2
Дофамин
соон
но>
ММ. 1.1.И
J, 4 - дигидрокси фенилаланин
(ДОФА)
L- тирозин
он
ЗА - дигидроксифрн,о — 1нилпировиноградная
COj т . кислота
г Реакция по т и п у реак­
ц и и Манниха (см.рис /3.2)
Норлауданозолин
у
(amSAM)
CH j
(->-Ретикулин ( или протатебаин)
осн3
ФЕРМ-Си**
Фенолоксидаза
^^ферм-Си** и*
Рис. 13.13. Постулированный биосинтез неко­
торых представителей гидрофенантреновой се­
рии изохинолиновых алкалоидов, найденных
в снотворном маке (Papaver somniferum). КФ
1.14.16.2-декарбоксилаза ароматических амино­
кислот; SAM -S-аденозилметионин; > S ; = S аденозилгомоцистеин?; г* означает оттягива­
ние электронной пары в указанном направлении;
/О!
оттягивание одного электрона в указан­
ном направлении; о,п'-сочетание означает сочета­
ние орто-фенолятного радикала с пара-фенолятным радикалом; О и • означают атомы С-1
и С-2 дофамина; О и Д -атомы , происходящие из
С-2 тирозина; Д и А -атомы С-2 и С-3 3,4-дигидроксифенилпировиноградной
кислоты;
•
и ▲ -атомы, происходящие из атома С-3 тиро­
зина.
IT
Н"(NADPH? )
н* к0
Н3СО
НэСО
Кодеинон
М I—
Неопинон
2Н
'СН,
нии двух молекул L-тирозина в две моле­
кулы ДОФА. Одна молекула ДОФА далее
превращается в дигидроксифенилэтиламин
(б), тогда как другая превращается в 3,4-дигидроксифенилпируват (is). Эти два соедине­
ния затем соединяются с выделением моле­
кулы воды и С 0 2 в реакции по типу реакции
Манниха (см. рис. 13.2) с образованием нор-
лауданозолина (г). Далее процессы О- и Nметилирования ведут к ( —)-ретикулину
(иногда называемому прототебаином). Сле­
дующая стадия заключается в окислитель­
ном сочетании фенолов (разд. B.I.1). В при­
сутствии фенолоксидазы5 ( —)-ретикулин
дает бирадикал (е), у которого одна резо­
нансная форма подвергается о, «'-сочетанию
Тебаин
(—)- Рет икулин
(ж) с образованием известного алкалоида типом окислительного фенольного сочета­
(+ )-салютаридина. Восстановление его ния (разд. B.I.1).
Эксперименты с 2-14С- и 3-14С-тирозив салютаридинол (з) с последующей деги­
дратацией дает тебаин (и). Деметилирование ном показали, что в п'-О-метилнорбелладитебаина приводит к неопинону (к), который не и его производных, в построении ко­
торых участвует структурная единица
изомеризуется в кодеинон (л).
На конечном этапе восстановление оксо- С 6—С 2—N—Ci—Сб, остаток Сб—С2—N
группы кодеинона приводит к образованию получается из L-тирозина через промежу­
кодеина (л*), который в результате демети­ точную стадию тирамина (а). Меченый фе­
лирования образует морфин (н).
нилаланин не включается в этот остаток, но
О
реальности этого пути свидетель­он дает начало остатку Сх—С6. Было пока­
ствуют следующие данные: 1) 14С из (3-14С- зано, что соединением, которое конденси­
тирозина обнаруживается в атомах С-10 руется с тирамином на стадии ж , является
и С-15 морфина, 2) 14С из а-14С-дигидрокси- З-гидрокси-4-метоксибензальдегид, обра­
фенилэтиламина включается только в атом зующийся через промежуточные стадии
С-16 морфина, 3) меченые лауданозолин, транс-коричной кислоты (б), гиранс-кумаро( —)-ретикулин и (+ )-салютаридин превра­ вой кислоты (в), кофейной кислоты (г)
щаются в морфин, меченный в предска­ и 3,4-дигидроксибензальдегида (д). Конден­
занных положениях, и 4) ( —)-ретикулин, ме­ сация З-гидрокси-4-метоксибензальдегида
ченный в четырех положениях, превращает­ с тирамином дает шиффово основание (ж),
ся в тебаин, меченный в эквивалентных им которое при восстановлении образует п'-Очетырех положениях [уравнение (13.3)].
метилнорбелладин.
Медьсодержащий фермент фенолоксиб. Бензилизохинолины, образующиеся из даза, действующий на п'-О-метилнорбеллаодной молекулы L-тирозина и одной моле­ дин, образует свободный фенолят-радикал
(и), который в зависимости от конкретных
кулы L-фенилаланина*
условий окружающей среды может подвер­
Наиболее интересная группа алкалоидов гаться о', п-, о,п'- или «.«'-сочетанию с обра­
из этой категории образуется у растений из зованием предшественника галантамина,
семейства Amaryllidaceae. Эта группа есте­ ликорина или гемантамина соответственно.
ственно подразделяется на три серии алка­
Сначала рассмотрим образование галан­
лоидов: 1) серия галантамина, или дибензо- тамина, при котором происходит конденса­
фурана; 2) серия ликорина, или пир- ция (сочетание) в положениях орто относи­
ролфенантрена; 3) серия гемантамина, или тельно гидроксильной группы кольца, про­
этанофенантридина (рис. 13.14). Алкалои­ исходящего из L-фенилаланина, и пара
ды всех этих трех серий синтезируются относительно гидроксильной группы коль­
из одного и того же общего предшественни­ ца, происходящего из L-тирозина (кг и л2).
ка алкалоидов - и'-О-метилнорбелладина; Метилирование (л^) и таутомеризация (н{)
природа конечного продукта определяется приводят к диенону, при перегруппировке
которого получается нарведин (оД далее на
конечной стадии образуется галантамин
(” i)-
n
и
-X r
г
^ Г
й
г - U
^ гоом
**й*
mjmmt-fypu
м чнйя *исяо**й
| М
Н Н
Г 1 _ -£
Косрвй *ая кислота
14 111
Т 1
%»--4- тирозин
пят
Чям
трале - (гупаровая кислоте*®
,# Щ н,оо
Шш
и А У ур®
" Т 4!
• со,
*> ^
ж и,
J, ♦ - # « • идрбксиВги3 • Ви
Тираним
Зальдееид
,
< .з д а д л .№ и ,о
бензальоегид _ * . .
-™ Г >
1Я К
Ши9 0 0f t основание
" °г >
н,
4 -й
Н,
я 0 мвшилнорвелла дин
н,со
''1
“ T&f^
Ш
н,со
Л, о'п-сочетание
o r s > ^ V '»
о. л’-сочетание
п,п-сочетание
J
Рис. 1114. Постулированный биосинтез неко­
торых представителей трех главных рядов изохинолиновых алкалоидов растений из семейства
Amaryllidaceae. КФ 4.3.1.5- L-фенилаланин- ам­
миак—лиаза: КФ 1.14.13.11 —тракс-циннамат,
NADPH: кислород—оксидоредуктаза (4-гидроксилирующая); КФ 4.1.1.25- L-тирозин—карбо-
ксилиаза; SAM - S-адеиозилметионин.
оття­
гивание электронной пары в указанном напра­
влении: /'*>9 оттягивание одного электрона
в указанном направлении;
** означает резо­
нанс. Отметим, что у растений Amaryllidaceae Lфенилаланин и L-тирозин не способны к взаимо­
превращениям.
I
I
•fyjol п-сочетание
^ |с , л - сочет ание
л3 |я , л сочетание
н ,с о
/ | * сн>
Таутомерия
нА Таутомерия
Таутомерия
о\
%
\
н*
V-H
иарведин
h
iI u v p u n
2H(NADPH*H'?)
Галантам ин
( серия ди бензофурана ;
о’,п-сочетание фенолят­
ных радикалов)
пЛЗамыкание кольца
т
Каранин
njW -метилирование,
чзамыкание кольца
гемантамин
фенолятных радикалов)
Ликорин
Ссерия пирролосренантридина;
o.n'-сочетание фенолятных радикалов)
Если сочетание происходит в положе­
ниях пара относительно гидроксильной
группы кольца, происходящего из L-фенилаланина, и орто относительно гидроксиль­
ной группы кольца, происходящего из L-тирозина, то образуется дион (к2, л2), циклиза­
ция которого приводит к образованию
гетероцикла (м2) а дальнейшая таутомеризация (н2) и восстановление (о2) приведут
к образованию норплувина. Отщепление во­
ды, сопровождающееся замыканием кольца,
дает каранин (п2), который при стереоспецифическом гидроксилировании при С-2
с одновременным отщеплением атома водо­
рода из 2(3-положения образует ликорин
(Pj). В пользу последней реакции свидетель­
ствует тот факт, что при превращении
2p-3H t-KapaHHHa в ликорин отщепляется 3Н.
Если же сочетание происходит в положе­
ниях пара относительно гидроксильных
групп
колец,
происходящих
из
L-фенилаланина и L-тирозина, то возможно
образование двух изомеров: одного с эндомостиковой связью, как в гемантамине
(рис. 13.14) и его производных, другого-с
экзо-мостиковой связью, как в буфанизине
(13.11).
На рис 13.14 показано только сочета­
ние, ведущее к образованию эндо-мостиковой связи и, таким образом, к гемантамину.
Отдельные стадии этого процесса (к3, л 3,
м 3, н3 и о3) аналогичны таковым, опи­
санным в случае образования галантамина
и ликорина. На конечной стадии гидроксилирования происходит стереоспецифическое
отщепление З-про-Я-водорода тирозина.
Для колхицина (13.12) из крокуса осенне­
го, хорошо известного благодаря его дей­
ствию на деление клеток (гл. 3, разд. Б.1Х),
характерно присутствие семичленного аро­
матического трополонового кольца. Факти­
чески колхицин представляет собой моди­
фицированный фенилэтилизохинолиновый
алкалоид, образованный путем п, и'-сочета­
ния производных L-фенилаланина и L-ти­
розина. Трополоновое кольцо возникает из
остатка L-тирозина путем расширения цик­
ла; это было доказано в опытах с включе­
нием 14С из Р-14С-тирозина и 4-14С-тирозина в положение С-12 (помечено • в фор­
муле 13.12) и С-9 (помечено О в форму­
ле 13.12) колхицина соответственно.
3. Беталаины
Беталаины-это единственные в своем
роде алкалоиды в том смысле, что они
имеют яркую окраску. Беталаины широко
распространены у растений Centrospermae,
включая Cactaceae, и разделяются на бетацианины и бетаксантины, представляющие
собой ацилированные и неацилированные
гликозиды таких агликонов, как бетанидин
[(13.13), бетацианин] и индикаксантин
[(13.14), бетаксантин]. В природе встречает­
ся и изобетанидин с противоположной хиральностью (R ) атома С-15 по сравнению
с бетанидином (15S). Бетанин- это ти­
пичный гликозид (13.15). В ацилированных
производных ацильная группа всегда связа­
на с остатком сахара.
Беталаиновые пигменты локализованы
I ^ ?4n.#vOCH*
С
V -Г
k JГO Ъ
*
(13.12)
(13.1!)
4
4
3
в вакуолях и придают растениям красно­
фиолетовую (бетацианины) или же желтую
окраску (бетаксантины). Структурные раз­
личия между двумя группами беталайнов
состоят в том, что дигидроиндольная коль­
цевая система в бетал айнах заменяется Lпролином в бетаксантинах.
У растений, содержащих бетал айны,
образуется также беталамовая кислота
(рис. 13.16), которая, как это станет ясно да­
лее, служит ключевым промежуточным про­
дуктом при биосинтезе беталаинов. Беталаины обнаружены и в мухоморе Amanita
museага, как, например, муска-аурин I (13.16)
и мускапурпурин (13.17). Следует обратить
внимание на присутствие у Amanita
и Hygrocybe беталаинового пигмента, на­
званного мускафлавином (13.18), молекула
которого содержит семичленную дигидроазепиновую циклическую систему. Его тес­
ная связь с бетал айнами стала особенно оче­
видной, когда было выяснено, что мускафлавин (13.18) и беталамовая кислота (13.16)
представляют собой изомеры и оба обра­
зуются из ДОФА (см. далее).
Опыты с мечеными предшественниками
показали, что ДОФА эффективно включает­
(13.15)
ся в остаток беталамовой кислоты в бетак­
сантинах; картина распределения метки
[уравнение (13.4)] совпадает с 4,5-экстрадиольным расщеплением ДОФА. 5-3Н-тирозин дает индикаксантин, меченный по
атому С-7, который происходит из альде­
гидной группы беталамовой кислоты. Ана­
логичным образом из 14СООН -тирозина
метка включается в положение С-15 индикаксантина; из этого следует, что углерод
карбоксильной группы L-тирозина перехо­
дит в карбоксильную группу, обозначенной
• в беталамовой кислоте [уравнение (13.4)].
Эта картина распределения метки может
возникать только при 4,5-экстрадиольном
расщеплении ДОФА [а в уравнении (13.4)]
с последующей рециклизацией [б в уравне­
нии (13.4)].
Тесная взаимосвязь между беталамовой
кислотой и мускафлавином очевидна, если
представить себе, что 2,3-экстрадиольное
расщепление кольца ДОФА с последующей
рециклизацией ведет к мускафлавину
(рис. 13.15). Это 2,3-экстрадиольное расще­
пление кольца катализируется in vitro неко­
торыми растительными оксигеназами, но
они неспецифичны; так, например, они мо-
(13.16)
СНО
СООН
СООН
(13.4)
ЦОФА
гут катализировать и 3,4-интрадиольное
расщепление.
Эксперименты с 1SN -тирозином показа­
ли, что эта аминокислота поставляет азот
для обоих гетероциклических колец бетанина; в последующих опытах с 14С-тирозином обнаружили, что он служит един­
ственным источником дигидроиндольного
кольца. Последнее, согласно существую­
щим представлениям, образуется из ДОФА
через промежуточную стадию S-циклоДОФА (рис. 13.16, а). Таким образом, бетанидин возникает из двух молекул ДО­
ФА-одной, дающей S-цикло-ДОФА, и дру­
гой, дающей S-беталамовую кислоту
[рис. 13.16,6 и уравнение 13.4,6)]. Эти два
метаболита далее конденсируются с образо­
ванием бетанидина (рис. 13.16,6). Эффек­
тивное превращение бетанидина в бетанин
в плодах Opuntia dilleni подтверждает, что
гликозилирование является последней ста-
ДОФА
.СНО
НООС
СООН
Н
М ускафлаОин
Рис. 13.15. Превращение ДОФА в мускафлавин
путем 2,3-экстрадиольного расщепления с после­
дующей рециклизацией.
дней биосинтетического пути (рис. 13.16, г).
Однако у разновидности Celosia plumosa
5-цикло-ДОФА-5-0-Р-0-глюкозид оказался
лучшим предшественником амарантина
(рис. 13.16), чем бетанин. Это наводит на
мысль, что хотя гликозилирование и может
осуществляться на уровне бетацианиновых
агликонов, нормально оно осуществляется
на уровне S-цикло-ДОФА (рис. 13.16, д, е, ж).
О биосинтезе бетаксантинов ничего не­
известно, кроме того факта, что беталамовая кислота служит предшественником дигидропиридинового кольца в их молекуле.
Вероятно, бетаксантины образуются в ре­
зультате конденсации аминокислот или
аминов с беталамовой кислотой-реакция,
хорошо известная в органической химии.
У многих видов биосинтез беталаинов
осуществляется только на свету, который
оказывает количественное влияние на их
синтез у всех испытанных до сих пор расте-
_J
Рис. 13.16. Образование бетацианинов из двух
молекул ДОФА. G lc-D-глюкоза; GlcA-D-глюкуроновая кислота; С1уп-гликозилирование;
■» означает наиболее вероятный главный
путь; -» означает наиболее вероятный побочный
путь; отметим, что стадии гликозилирования, повидимому, происходят с участием NDP-сахаров.
ний. Синтез может также контролироваться
фитохромом и растительными гормонами
(например, цитокининами).
VII. Алкалоиды, происходящие из
L-триптофана
1. Простые основания
Триптамин (рис. 13.17) и его N-метили N-даметилпроизводные представляют со­
бой в соответствии с общепринятым опре­
делением протоалкалоиды. Они широко
распространены у растений, так же как их
гидроксилированные производные, напри­
мер серотонин и псилоцин (рис. 13.17).
Первая реакция биосинтетического пути
к псилоцину-это превращение L-триптофа­
на в триптамин (рис. 13.17, а). Эта реакция
катализируется
пиридоксальзависимым
ферментом - триптофан-декарбоксилазой5.
Далее следуют два N-метилировани я трип­
тамин а (рис. 13.17,6 и в); получающийся
при этом 1Ч,1*4-диметилтриптамин затем гидроксилируется по С-4 ароматического
кольца (рис. 13.17, г).
При образовании серотонина гидроксили рование (рис. 13.17, й) происходит раньше
декарбоксилирования (рис. 13.17,е), причем
СООН
L- триптоф ан
Псилоцин
Рис. 13.17. Биосинтез серотонина и псилоцина из
L-триптофана.
3 - метиламинометилиндол
Рис. 13.18. Биосинтез грамина из L-триптофана.
Д атом |}-С триптофана; 4 атом С-2 триптофана;
• атомы водорода, присоединенные к (3-С трипто­
фана: О означает N при а-С триптофана.
в качестве промежуточного продукта высту­
пает 5-гидрокси^-триптофан.
С точки зрения биосинтеза более инте­
ресным протоалкалоидом, происходящим
из
L-триптофана,
является
грамин
(рис. 13.18), обнаруженный в относительно
больших количествах в ячмене. Детальные
изотопные эксперименты с Р-3Н 2, Р-14Стриптофаном показали, что метиленовая
группа L-триптофана включается в неизме­
ненном виде в молекулу грамина, а амино­
группа L-триптофана служит источником
атома азота в грамине. Внутримолекуляр-
Триптамин
L -триптофан
N- а ц е ти л тр и п та м и н
■ocHj’ :н
J - L
н,со
Гарналан
Гармин
Рис. 13.19. Биосинтез гармина из L-триптофана.
Имеются данные о том, что метоксилирование
может происходить на стадии триптамина, т.е.
до реакции б.
ное перемещение NH2 группы из а-С-положения в P-С-положение боковой цепи Lтриптофана осуществляется до того, как
происходит N -метилирование, поскольку
3-аминометилиндол
(рис. 13.18, я)
и 3-метиламинометилиндол (рис. 13.18,6)
в природе встречаются в следовых количе­
ствах и быстро включаются в грамин
(рис. 13.18, в). Механизм внутримолекуляр­
ного перемещения аминогруппы (рис.
13.18, а) неизвестен.
следующей стадии происходит N-ацетил ирование триптамина (рис. 13.19, б). Затем за­
мыкание кольца в образующемся при этом
N-ацетилтриптамине
дает
гармалан
(рис. 13.19, в), который на конечном этапе
окисляется в гармин (рис. 13.19, г).
3. Эрголиновые алкалоиды*
Эрголиновые алкалоиды (13.19) пред­
ставляют собой терапевтически важные со­
единения, продуцируемые главным образом
грибами рода Claviceps, которые паразити­
руют на растениях ржи и некоторых дикора­
стущих злаках. Эрголиновые алкалоиды
2. Простые Р-карболины
Около 15 семейств высших растений со­
держат p-карболиновые алкалоиды, ко­
торые можно подразделить на три класса
в соответствии с тем, входит ли в состав их
молекулы: 1) ароматическое пиридиновое
кольцо, 2) дигидроароматическое кольцо
или 3) тетрагидроароматическое кольцо.
Наиболее известным примером этой
группы
соединений
служит
гармин
(рис. 13.19). Эксперименты с L-триптофаном и триптамином, дважды меченными
14С и 15N, показали, что карбонильная груп­
па первого отщепляется при биосинтезе
гармина, хотя оба соединения служат эф­
фективными предшественниками. Таким
образом, первой стадией биосинтеза гарм­
ина является, по-видимому, превращение Lтриптофана в триптамин (рис. 13.19, а). На
(13 .1 9 )
можно подразделить на две группы: 1) клавиновые алкалоиды, которые являются про­
изводными 6,8-диметилэрголина, и 2) пеп­
тидные алкалоиды - производные лизергиновой кислоты (рис. 13.20), представленные,
например, эрготамином (рис. 13.20). Эрголины находят и у высших растений; в част­
ности, в семенах растений видов Rivea
и Ipomoea это галлюциногенные соединения,
ноос
H ,N ^
.СООН
он
Мевалоновая
кислота
ДиметиламиЛ-""ч . пирофосфат
X
н
L-триптофан
4- диметилаллилтриптофан
ханоялавин I
изоиерия
(цис
транс)
Три стадии
3
*
Лизергиновая кислота
Рис. 13.20. Биосинтез алкалоидов спорыньи из Lтриптофана и мевалоновой кислоты. (Нд и
Hs-4-npo-.R- и 4-про-5-атомы водорода мевало­
новой кислоты или же происходящие из них
атомы; • - атомы, происходящие из атома С-2
мевалоновой кислоты).
Г~1 9Н0n---r tf' йй*
< О с"— Ш
н ,с " у ,
Эрготамин
входящие в состав мексиканского зелья
«Ололинкву» - смесь семян R. Corymbosa и /.
violacea.
Эти алкалоиды образуются из предше­
ственника, который возникает при конден­
сации L-триптофана с гемитерпеном -диметилаллилпирофосфатом, синтезирующимся
из мевалоновой кислоты (а) (гл. 11,
разд. B.I) в присутствии фермента диметилаллилпирофосфат : L-триптофан—ди­
метил аллилтрансферазы (б). Продукт реак­
ции - 4-диметилаллилтриптофан под верга-
ется окислению по метильной группе, про­
исходящей из атома С-3' мевалоновой кис­
лоты, которая превращается в гидроксиметильную группу (в), затем декарбоксилированию, замыканию кольца и N-метилированию (г, д) с образованием ханоклавина I ;
хотя на рис. 13.20 показана последователь­
ность этих реакций, точный их порядок пока
не установлен. Известно лишь, что окис­
ление метильной группы осуществляется
перед циклизацией. В ходе реакций а -д про­
исходит
интересная
транс -* цис-изо-
меризация. Это следует из эксперименталь­
ного
наблюдения,
что
4-про-Яатом водорода мевалоновой кислоты сохра­
няется в диметилаллилтриптофане, указы­
вая, что изопреноидная двойная связь
в последнем имеет транс-конфигурацию
(гл. 11, разд. B.I и В.Х); в ханоклавине I эта
изопреноидная двойная связь, несомненно,
имеет цис-конфигурацию. На рис. 13.20
транс -*■ 1/ис-изомеризация показана на
стадии г. Окислительная стадия в катализи­
руется оксигеназой со смешанной функцией.
Ханоклавин I при замыкании кольца пре­
вращается в агроклавин, но на данном этапе
происходит цис -> транс-изомеризация (е),
обращающая эффект первой изомеризации
перед стадией циклизации (ж); Вследствие
этого поверхностные исследования могли
бы привести к выводу о том, что на стадиях
между диметилаллилтриптофаном и агроклавином изомеризации не происходит.
Агроклавин превращается в лизергиновую кислоту в результате трехступенчатого
процесса (з); присоединение к лизергиновой
кислоте различных пептидов даст эргоалка­
лоиды. В примере, рассмотренном на рис.
13.20,-э то эрготамин (и). О биохимии этих
конечных стадий фактически ничего не из­
вестно.
4. Сложные индольные алкалоиды
Алкалоиды этого класса синтезируются
из L-триптофана и монотерпеновой еди­
ницы (С10) в качестве строительных блоков.
Индольные алкалоиды представляют собой
основную массу происходящих из трипто­
фана алкалоидов. Алкалоиды этого типа на­
ходят главным образом у представителей
восьми семейств растений, из которых наи­
более богаты алкалоидами семейства
Rubiaceae, Loganiaceae и Аросупасеае. Раз­
личают три главных структурных типа этих
соединений: 1) тип Corynanthe [например,
коринантеин (13.20)], 2) тип Aspidosperma
[например, виндолин (13.21)] и 3) тип Iboga
[например, катарантин (13.22)].
Как только было доказано, что нетриптофановый Сд- и С)0-остаток этих алкалои­
дов происходит из монотерпена гераниола,
стало очевидным, что химически приемле­
мая перегруппировка этого остатка может
привести к трем различным типам струк­
турного скелета. Это проиллюстрировано
на рис. 13.21: гераниол, образующийся из
двух молекул мевалоновой кислоты
(рис. 13.21, а), как полагают, дает циклопентановый промежуточный продукт путем
образования связи С—С между атомами
углерода, происходящими из атомов С-4
молекул
предшественника-мевалоновой
кислоты. Разрыв связи между атомами С-2'
и С-3' с последующим вращением вокруг
связи С-4,4' приведет к структуре типа
Corynanthe (рис. 13.21,6, в). Внутримолеку­
лярное перемещение разветвленной треху­
глеродной единицы (С-2, С-3 и С-6) от С-4
к С-5 (рис. 13.21,2а) даст структуру типа
Iboga, тогда как перемещение этой единицы
от С-4 к С-4' (рис. 13.21,ге) даст структуру
типа Aspidosperma.
Были проведены эксперименты с введе­
нием различных видов меченной 14С мева­
лоновой кислоты в подходящие растения
и последующим химическим расщеплением
полученных различных алкалоидов. Распре­
деление метки подтвердило правильность
постулированных реакций, приведенных на
рис. 13.21. Следующей важной стадией бы­
ла идентификация предполагаемого цикло­
пентанового промежуточного продукта как
монотерпенового
гликозида
логанина
(рис. 13.22), который образуется из геранио­
ла. Последний сначала превращается в 4-гидроксигераниол (рис. 13.22, а) с участием оксигеназы со смешанной функцией, присут­
ствующей в микросомах из проростков
барвинка Catharanthus roseus. Циклизация
2CO,
( 6 ,2)
2 X Мевалоновая кислота
Рис. 13.21. Механизм образования С10-единицы
в трех главных типах «сложных» индольных ал­
калоидов. Источником служит мевалоновая кис­
лота, две молекулы которой дают начало моно­
терпену гераниолу, чей углеродный скелет пере­
страивается, как показано.
( 2 ,6 )
Циклопентановый
промежуточный
продукт
к образованию аймалицина (рис. 13.22, и)]
Для осуществления реакций, протекающих
с участием секологина, к неочищенной фер­
ментной системе следует добавить D-8-глюконолактон, необходимый для ингибирова­
ния присутствующих в ней |3-глюкозидаз,
которые в противном случае могут расще­
пить алкалоид и его предшественники.
Эксперименты с применением изотоп­
ной метки и анализ последовательности по­
явления алкалоидов в прорастающих расте­
ниях С. roseus показали, что алкалоиды типа
Corynanthe превращаются в алкалоиды типа
Aspidosperma, которые в свою очередь пре­
вращаются в алкалоиды типа Iboga. На
рис. 13.23 изображены возможные пути от
гейссошизина (тип Corynanthe) через проме­
жуточную стадию преакуаммицина (тип
Corynanthe, рис. 13.23, а) и стеммаденина
(тип Corynanthe, рис. 13.23,6) в таберсонин
(тип Aspidosperma рис. 13.23, в, г) и катарантин (тип Iboga, рис. 13.23, в, д).
4-гидроксигераниола дает логановую кис­
лоту (рис. 13.22,6), которая метилируется
метилтрансферазой, обнаруженной в листь­
ях и корнях С. roseus, с образованием логанина (рис. 13.22, в).
Логанин далее превращается в секологанин путем расщепления связи С—С
(рис. 13.22, г ; ср. с в на рис. 13.21). Секологанин конденсируется с триптамином, образуя
изовинкозид (стриктозидин) (рис. 13.11,д),
хотя эксперименты, проведенные ранее, по­
казали, что продуктом этой реакции якобы
является винкозид с противоположной хиральностью атома С-3 (рис. 13.22, е). Триптамин, как обычно, образуется из триптофа­
на. Бесклеточные системы из С. roseus
превращают триптамин и секологанин VIII. Алкалоиды, происходящие из
в изовинкозид, а некоторые препараты спо­ антраниловой кислоты
собны превращать изовинкозид также и
в гейссошизин (рис. 13.22,ле) и затем в от­
Антраниловая кислота играет роль клю­
сутствие NADPH в катенамин (20,21-деги- чевого промежуточного продукта в биосин­
дроаймалицин) (рис. 13.22, з). Добавление тезе L-триптофана (гл. 9, разд. Д -V), однако
NADPH к этим препаратам приводит у растений она служит предшественником
__ и но
циклизация
глюкозшшроНание
в
Гераниол
Рис. 13.22.
Биосинтез
4 - еидроксигераниол
аймалицина
(тип
Corynanthe) из одной молекулы триптамина
и одной монотерпеновой единицы (секологанина).
дуктом L-триптофана, но этот путь, даже
если он и существует у высших растений, не
имеет для них существенного значения.
1. Протоалкалоиды
ряда алкалоидов, но отнюдь не потому, что
она является предшественником L-трипто­
фана. В процессе превращения в L-трипто­
фан антраниловая кислота декарбоксилируется; при биосинтезе же данной группы
алкалоидов ее карбоксильная группа либо
непосредственно участвует в образовании
N-гетероцикла, либо сохраняется как тако­
вая. У животных антраниловая кислота так­
же является ключевым катаболическим про­
Дамасценин, обнаруженный у Nigella
spp. (накапливается в папиллярных клетках
эпидермиса семян), образуется из антраниловой кислоты (рис. 13.24). Антранилат
3-монооксигеназа 6 вводит гидроксильную
группу при С-3 (рис. 13.24, а), а происходя­
щее далее метилирование гидроксильной,
карбоксильной и аминогрупп дает начало
дамасценину (рис. 13.24,6). Последователь­
ность метилирования пока неизвестна. Ос-
Преакуаммицин
(тип Corynanthe)
Гейссошизин
(тип Corynanthe)
НзСООС
|
( 6 ,2) '................
Предполагаемый,
промежуточный продукт
Стеммадемин
(тип Corynanthe)
г (Сплошные стрелки в предполагаемом
промежуточном продукте)
Пунктирные
стреляй
выше
HjCOOC
( 6 ,2)
Катпаранглин (тип Iboga)
Рис. 13.23. Общая схема превращения алкалои­
дов типа Corynanthe в алкалоиды типа
Aspidosperma и Iboga. Расположение монотерпеновых углеродных атомов показано толстыми
линиями; нумерацию углеродных атомов следует
сравнить с предсказанной, которая приведена на
рис. 13 21.
новополагающий эксперимент с примене­
нием изотопной метки, предназначенный
для выяснения этого пути, показал, что мет­
ка из карбокси-14С, 15М-антраниловой кис­
лоты включается в дамасценин.
Н
Н,СООС
(6 ,2 )
Таберсонин (тип Aspi dospe г та)
2. Хинолины
Хинолиновые алкалоиды, такие, как ал­
калоиды хинного дерева Cinchona (напри­
мер, хинин; рис. 13.25), встречаются в боль­
шинстве случаев вместе с алкалоидами типа
Corynanthe (разд. B.VII.4), от которых они
и ведут свое начало (рис. 13.25). Следова­
тельно, отдаленным их предшественником
является L-триптофан. Однако большое
число хинолиновых алкалоидов, обнару­
женных у растений Rutaceae, происходит не­
посредственно из антраниловой кислоты.
СООН
а
А нтранилодая
кислота
•он1
_1_
^ \.с о о н
U L
‘3 снэ‘
L
^ \^ С О О С Н 3
- ^ U ^ yL^ N .H C H ,
ОН
J - гидроксиантра ниловая кислота
OCHj
Дамасивнин
Рис. 13.24. Биосинтез дамасценина из антраниловой кислоты.
0
Тип Corynanthe
Цинхонин (R=H)
%uhuh ( R =ОСНэ)
Рис. 13.25. Образование алкалоидов Cinchona пу­
тем
перегруппировки
алкалоидов
типа
Corynanthe. Расположение монотерпеновых угле­
родных атомов показано толстыми линиями, а их
нумерация соответствует нумерации, показанной
на рис. 13.21.
Эксперименты с мечеными предшественни­
ками показали, что из антраниловой кис­
лоты образуются ароматическое кольцо
и атом С-4 диктамнина (рис. 13.26); карбок­
сильная группа ацетата дает атом С -10,
а атомы С-4 и С-5 мевалоновой кислоты
дают начало атомам С -2 и С-3 диктамнина.
Таким образом, конденсация антраниловой
кислоты с «ацетатом» приводит к образова­
нию 4-гидрокси-2-хинолона (рис. 13.26, а),
который в результате изопренилирования
изпентенилпирофосфатом, происходящим
из мевалоновой кислоты, дает 4-гидрокси-Зпренил-2-хинолон (рис. 13.26,6). После ме­
тилирования (рис. 13.26, в) реакция циклиза­
ции, сопровождающаяся отщеплением мо­
лекулы
воды,
дает
платидесмин
(рис. 13.26, г), изопренильный остаток кото­
рого расщепляется с образованием дик­
тамнина (рис. 13.26, д). Дальнейшее его гидроксилирование и метилирование, после­
довательность которых до сих пор не
выяснена, приводят к образованию скиммианина (рис. 13.26, е).
снэ
#
осоон
ОН
J
ИПФ
Г
г 4!
L
JL
qL
,
5
Н
Антранилодая
кислота
Н
4 -гидрокси - 3 - пренил / - %и нолон
4 - zudponcu-zлинолон
н2о
г
Н
1 /n U U t fL r r U
Платидесмин
мвтокси - J - пренил 2-%инолон
4 -
> L c ,<-фрагмент
2‘0 H ’;2‘CH3’
Диктамнин
Скиммианин
Рис. 13.26. Образование хинолиновых алкалои­
дов из антраниловой кислоты, ацетата и изпентенилпирофосфата (ИПФ). • метка из карбоксиль­
ного углеродного атома антраниловой кислоты;
О метка из карбоксильного атома ацетата;
А метка из атома С-1 ИПФ, соответствующего
атому С-5 мевалоновой кислоты; А метка из ато­
ма С-2 ИПФ, соответствующего атому С-4 мева­
лоновой кислоты.
алкалоиды ограничиваются только расте­
ниями Rutaceae).
Биосинтетические исследования концен­
трировались в основном на пеганине. Антраниловая кислота целиком включается
в пеганин у A. vasica , тогда как атомы С-1,
3. Хиназолины
ОН
Различают три главных типа хиназолиновых алкалоидов: 1) простые производные
хиназол-4-она, такие как гликорин (13.23) из
Glycosmis arborеа; 2) пирролидинохиназолины, такие как пеганин (13.24) из Adhatoda
vasica; 3) Р-карболинхиназолоны, такие как
эводиамин (13.25) из Evodia rutaecarpa (эти
9
(13.24)
о
СНз
(13.23)
(13.25)
3 ‘C H j
n
H N ^^N
>COOH
>
'"Н
NHj
1
у ч . yC O O '
- 4 — .гтг
L-гистидин
гн
*N(CH3),
Герцимин
NH,
HS
C O OH
L-иистеин
"Аланин"
^C O Q HN\ ^ N
I 'H
*N(CH3)2
JL
SH
Эреотионеин
Рис. 13.27. Биосинтез эрготионеина из L-гистидчиа у Neurospora crassa.
С-2 и N-l 1 [см. формулу (13.24)], по-видимому, образуются из L-аспарагиновой кис­
лоты, а С-3 и С-10 -и з до сих пор неидентифицированной С2-единицы.
Хотя мы и поместили эводиамин в этот
раздел, его равным образом можно было
бы поместить и в разд. VII. 3, поскольку
триптаминовый остаток в нем происходит
из L-триптофана. Довольно неожиданно,
что атом С-3 происходит из метильной
группы метионина, тогда как N-метильная
группа, как это и можно было бы ожидать,
также образуется из этого предшественника.
Остальная часть молекулы эводиамина
образуется из антраниловой кислоты.
IX. Алкалоиды, происходящие из
L-гистидина
Гистидин (рис. 13.27) служит предше­
ственником эрготионеина у ряда микроор­
ганизмов, включая Neurospora crassa. До­
воды в пользу пути, показанного на
рис. 13.27, концентрируются вокруг данных
том, что 14С,М-метил,2-14С-херцимин
включается в эрготионеин таким образом,
что меченые атомы занимают положения,
соответствующие их положению в предше­
ственнике. Из этого следует, что метилиро­
вание (рис. 13.27, а) предшествует тиолированию (рис. 13.27,6 и в), которое, по-види-
мому, заключается в присоединении цистеина с последующим отщеплением остатка
аланина.
Г. ИЗОПРЕНОИДНЫЕ АЛКАЛОИДЫ
(ПСЕВДОАЛКАЛОИДЫ)
I. Общие аспекты
В предшествующих разделах мы имели
дело с алкалоидами, в молекулы которых
аминокислоты, по существу, включаются
целиком. В данном разделе рассматривают­
ся псевдоалкалоиды, у которых азот вводит­
ся в неаминокислотный остаток, в основном
изопреноидного характера. Важная роль
моно- и гемитерпеновых остатков в биосин­
тезе истинных алкалоидов уже отмечалась
(разд. B.VII.4 и B.VIII.2). Изопреновые
остатки, участвующие в построении псев­
доалкалоидов, по структуре являются мо­
но-, сескви- или тритерпеноидами. До сих
пор неизвестны псевдоалкалоиды, в по­
строении молекул которых (кроме азота)
участвовали бы геми-, сестер-, тетра- или
политерпены.
II. Природа и распространение
i
М онотерпеновые алкалоиды
В основе всех монотерпеноидных алка­
лоидов лежит актинидии (табл. 13.2), хотя
пиридиновый цикл может быть заменен пиперидиновым циклом,например в скитантине (13.26) из Skytanthus acutus.
НзС/,.
'СН,
является димером двух молекул дезоксинуфаридина (табл. 13.4), соединенных
друг с другом серусодержащим мос­
тиком.
2. Сесквитерпеновые алкалоиды
Описаны четыре главные группы сесквитерпеновых алкалоидов. Эта классификация
основана не на химической структуре, а на
роде растений, из которых они впервые бы­
ли выделены (табл. 13.4). Помимо этих ал­
калоидов водяная лилия из рода Nuphar
синтезирует уникальные алкалоиды, ко­
торые наряду с азотом содержат серу. Мож­
но себе представить, что один из этих
алкалоидов-неотиобинуфаридин (13.27)-
3. Дитерпеноидные алкалоиды
Дитерпеноидные алкалоиды можно под­
разделить на две группы: 1) аконитины из
видов Delphinium и Aconitum, например ако­
нитин (13.28), и 2) атизины, например веатхин (13.29), обнаруженный у видов Garrya.
Для последнего очевидно его происхожде-
Таблица 13.4. Классификация сесквитерпеновых алкалоидов в соответствии с их распространением
в растительном царстве
Растительный источник
Строение
Пример (название)
Nuphar luteum (водяная лилия) Дезоксинуфаридин
Н,С
Dendrobium nobile (орхидея)
Дендробин
Н ,С
Pogostemon patchouli
П ачулип ириди н
Н ,С
Fabiana imbricata
Фабианин
НО
----- О
(13.28)
-СНз
(13.29)
МЛг
о
С
о
н,со.ос
\ ___ /
H j C.CO.OCHj ^ J [\
он /
н,с
(13.30)
(13.31)
н
ние из каурена (гл. 15, разд. B.II.1). Вместе
с тем гидролиз аконитина дает С-19-алкамин. Это указывает, что при формировании
скелета аконитина один атом углерода дитерпенового предшественника теряется. Ин­
тересно отметить, что, хотя аконитин ис­
ключительно токсичен для человека, про­
дукт его гидролиза относительно нетокси­
чен.
4. Тритерпеновые алкалоиды
Тритерпеновые алкалоиды не столь ши­
роко распространены, но тем не менее
целый ряд этих соединений был выделен из
Daphniphyllym macropodum. Два главных ти­
па представлены С32-соединениями, в осно­
ве которых лежит углеродный скелет дафнифиллина (13.30), и С27-соединениями, по­
строенными на основе юзуримина (13.31).
Из видов Buxus была выделена отличаю­
щаяся по строению группа алкалоидов.
Представители этой группы структурно свя­
заны с циклоартенолом-первым цикличе­
ским предшественником растительных сте­
ролов (гл. 11, разд. B.VI.2). Типичным их
примером служит циклопротобуксин А (см.
табл. 13.2). Другой характерной структурой,
Н эсЛ ^
NH,
(13.32)
(13.33) (R = Н)
(13.34) (R = G lc(/31~3)G alG n~)
Т
I
fit
L-Rha
лежащей в основе тритерпеноидных алка­
лоидов, является структура с расширенным
кольцом В, включающим циклопропановое
кольцо основного циклоартенолового ске­
лета. Она представлена на примере буксамина Е (13.32). Следует отметить, что в этом
соединении, как и в циклопротобуксине А,
боковая цепь уменьшена с восьми угле­
родных атомов (в молекуле-родоначальнике) до двух.
5. Стероидные алкалоиды
а. Производные холестана ( С 27)
Алкалоиды, происходящие из холестанового скелета, обнаружены главным образом
в растениях из семейства пасленовых
(Solanaceae). По этой причине их часто назы­
вают алкалоидами Solanum. Они встре­
чаются в природе в виде гликозидов и могут
быть подразделены на две главные группы,
у которых основные структуры представ­
лены спиросоланом и соланидином. Важ­
нейшим агликоном спиросолановой группы
является соласодин (13.33), а природным
гликозидом этого соединения - соласонин
(13.34); другим примером служат томатидин
(13.35) и его гликозид а-томатин (13.36). Сле­
дует подчеркнуть важное стереохимическое
различие конфигурации атома С-22 у соласодина и томатидина. Как было обнаруже­
но, агликон соланидин (13.37) гликозилируется теми же остатками моносахаров, что
Н
Н ОН
(>3.37) R = Н
(13.38) R = Rha-Glc-Gal
и*
(13.39) R = Xyl-2xGlc-Gal
и соласодин; примером этого может слу­
жить ос-соланин (13.38). Структурным ва­
риантом является демиссин (13.39), обла­
дающий насыщенной циклической систе­
мой.
У растений из семейства Solanaceae об­
наружены также соединения без кольца £,
например томатиллидин (13.40); возможно,
они представляют собой промежуточные
продукты биосинтеза (см. раздел Г.Ш.З).
Стероидные алкалоиды, по-видимому,
накапливаются в вакуолях клеток и, по
крайней мере в случае а-томатина, синтези­
руются и в корнях, и в побегах, причем наи­
более интенсивный синтез происходит в меристематических тканях этих органов.
О
Различают
три
главных
типа
C2i -псевдоалкалоидов, которые по химиче­
скому строению являются производными
прегнана. Одна группа [например, холафилламин (13.41)] несет аминогруппу при С-3.
У второго типа алкалоидов аминогруппа
присутствует в составе двухуглеродной бо­
ковой цепи, например в фунтуфилламине
А (13.42). В третьей группе азот включен
в пирролидиновый цикл, как, например,
в конессине (13.43). Распространение этих
алкалоидов ограничено растениями из сеАросупасеае.
н,сч /О
с
Н
(13.42)
СНз
I
(13.46) (• = 14С,Т = тритий
от [2-мС,4Л-3Н, ] МВК
в. С-нор-О-гомостероидные алкалоиды
Эти псевдоалкалоиды, у которых ангуляриая метильиая группа в С-кольце (напри­
мер, С-18) исчезла, а кольцо D расширено на
один углеродный атом, ограниченно рас­
пространены только у растений из семей­
ства Liliaceae, особенно у видов Veratrum.
На основе характерной картины окисления
различают две главные группы. Примерами
их являются иервин (13.44) и термин (13.45).
III. Биосинтез
1. Общие аспекты
Биосинтезу терпеноидных алкалоидов
было посвящено не так уж много работ. Од­
нако здесь все же следует сделать два общих
замечания, чтобы избежать постоянных
повторений на последних этапах данного
раздела: 1) все эти соединения происходят
из мевалоновой кислоты, и 2) если в них
имеются О- и N-метильные группы, то их
происхождение, как это обычно бывает, свя­
зано с участием S-аденозилметионина. Что
касается некоторых групп алкалоидов, о ко­
торых мы располагаем более скудными све­
дениями, то в этом разделе мы на них не бу­
дем останавливаться специально. Наблю­
дается явное неведение и по вопросу об
источниках азота в терпеноидных алкалои­
дах.
(13.47) ( • = |4С,Т = тритий
от [2-14С,4Л-3Н,] МВК
= 3 :4 и циклобуксин D (13.47) с атомным
отношением 3Н : 14С = 3:3. Из этого сле­
дует, что локализация меченых атомов сов­
падает с той, которую можно было предпо­
ложить, исходя из допущения, что циклоартенол является предшественником данных
соединений и что он образуется обычным
путем (гл. 11, разд. B.VI.2). Эти результаты
указывают, что 1) аминирование при С-3
и С-20 происходит через обычную промежу­
точную стадию оксопроизводного, посколь­
ку тритий обычно находят в этих положе­
ниях циклоартенола, и 2) единственная
метиленовая группа при С-4 циклобуксина
D происходит из 4|3-метильной группы ци­
клоартенола, а не из 4а-метильной группы,
поскольку первая, подобно метиленовой
группе при С-4, не помечена 14С в циклоартеноле, тогда как последняя несет метку.
3. Стероидные алкалоиды
Циклоартенол превращается в томатидин (13.35), вероятно, через промежуточную
стадию холестерола. Существует предполо­
жение, что азот соланидина у Veratrum grandiflorum происходит из L-аргинина и что
гликозилирование агликона осуществляется
ступенчато с участием UDP-гликозилтрансферазных ферментов.
Прегненолон (13.48) и холестерол, но не
прогестерон (13.49), как это можно было бы
ожидать, служат предшественниками холафилламина (13.41).
2. Тритерпеноидные алкалоиды
У растений Daphniphyllum macropodum
14С-сквален включался в дафнифиллин.
В экспериментах с 2-14С,4/?-3Н-мевалоновой кислотой получили цикловиробуксин
D (13.46) с атомным отношением 3Н : |4С =
Д. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Широкое распространение алкалоидов
во всех частях растений стимулировало изу­
чение функции этих соединений в общем
обмене веществ у растений. Высказывалось
Н ,С \с ^ О
(13.48)
много предположений по этому поводу, но,
кроме экологических наблюдений о том, что
алкалоиды защищают растения от поедания
травоядными животными, было собрано
мало убедительных данных в пользу того,
что они играют определенную биохимиче­
скую и физиологическую роль. Среди наи­
менее «странных» предположений следует
отметить следующие:
1) они играют роль азотсодержащих секре­
торных соединений аналогично мочевине
и мочевой кислоте у животных;
2) они служат резервом азота; однако
данные, свидетельствующие о том, что
алкалоиды могут утилизироваться в ус­
ловиях недостатка азота, малочисленны;
3) они действуют как регуляторы роста,
в частности как ингибиторы прораста­
ния;
4) они помогают поддерживать ионный ба­
ланс благодаря своей хелатирующей спо­
собности.
Алкалоиды оказывают многостороннее,
сильно выраженное действие на животные
организмы и ткани, в связи с чем их часто
используют, а иногда и злоупотребляют
ими как нейротропными агентами. Здесь не
место для обсуждения этого аспекта биохи­
мии алкалоидов. Для более детального оз­
накомления читатель может обратиться
к соответствующим фармакологическим из­
даниям.
НзС.
(13.49)
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Общие вопрос ы
Manske R. H.F., Hobnes H.L. (eds.) (1950-1954).
The Alkaloids, vols I —IV, Academic Press, London.
Manske R. H. F. (ed.) (1955-1977). The Alkaloids,
voL V-XVI1, Academic Press, London.
Специальные обзоры
Leete E. (1980). Alkaloids derived from ornithine,
lysine and nicotinic acid. In: Encyclopaedia of Plant
Physiology (Bell E. A. and Charhvood В. V., eds.),
vol. 8, pp. 65-91, Springer-Verlag, Heidelberg.
Fodor G. B. (1980). Alkaloids derived from
phynylalanine and tyrosine, ibid., pp. 92-127.
Grdger D. (1980). Alkaloids derived from tryptophan
and anthranilic acid, ibid., pp 128-159.
Fodor G.B. (1980). Alkaloids derived from histidine
and other precursors, ibid., pp. 160-166.
Roddick J. G. (1980). Isoprenoid alkaloids, ibid.,
pp. 167-184.
Mabry T.J. (1980). Betalains, ibid., pp. 513-534.
Robinson T. (1981). The Biochemistry of Alkaloids,
2nd edn, Springer-Verlag, Heidelberg.
ФЕРМЕНТЫ
1. L-орнитин—карбокси-лиаза, КФ 4.1.1.17.
2. S-аденозил- L - метионин: путресцин—Nметилтрансфереза, КФ 2.1.1.53.
3. Амин : кислород—оксидоредуктаза (де­
заминирующая) (медьсодержащая), КФ
1.4.3.6.
4. L-лизин—карбокси-лиаза, КФ 4.1.1.18.
5. Карбокси-лиаза ароматических L-аминокислот, КФ 4.1.1.28.
6. Антранилат, тетрагидроптеридин : кисло­
род—оксидоредуктаза, (3-гидроксилирующая), КФ 1.14.16.3.
ГЛАВА 14
Растительные фенолы
А. ВВЕДЕНИЕ
Растения способны синтезировать много
тысяч соединений, содержащих один или бо­
лее фенольных остатков. Эти соединения
можно подразделить на несколько главных
групп по числу атомов в углеродном скелете
(табл. 14.1). Первое впечатление о несмет­
ном множестве структур становится менее
устрашающим, если уяснить себе, что все
они, за исключением флавоноидов, обра­
зуются из общего биосинтетического пред­
шественника-фенилаланина-или его не­
посредственного
предшественника - шикимовой кислоты. В случае флавоноидов
одно ароматическое кольцо и его боковая
С3-цепь происходят из фенилаланина, тогда
как другое кольцо образуется из ацетилСоА поликетидным путем (разд. И.Ш.1).
Общая схема синтеза фенолов приведена на
рис. 14.1, а детали мы рассмотрим позднее.
Б. ФЕНОЛЫ
I. Строение и распространение
Простые фенолы, например катехол, не
столь широко распространены; из них чаще
всего встречаются гидрохинон (14.1). Изред­
ка удается обнаружить и их производные,
интересным примером которых служат
1) урушиол (14.2) (катехол с боковой
со,
I Ф о то с и н те з
Углевод
t .( см. рис. А. 22)
Хинная к исло та
5-дегидрохинная кислота Гидролизуемые
танн инь /
Пла с т о к и ноны
и токоферолы
( бензох и ноны)
Галловая
у— кислотам —
{фенольная
кислота)
* i фенольная к и сло та )
\
Протока теговая кислота
* ( фенольная к и с ло та )
5 -дегидрошикимовая кислота-
Ализарин
Iантрахинон)
шикимовая кислота
Xоризмовая
\
■—
к и с л о та
■
—► 2- сук цинил бензойная кислота
I (см.рис 7136)
♦
Префеновая ки сло та
Филлохинан ( в и та м и н Kt)
(наф тохинон)
_________ I____
\ (см.рис 11.36)
- фенилпирови- Гом огентизи новая кие-наградная кислота
ло та
МВК
/7- Гид рокеи пировиноерад-
^ная кислота
L - тирозин
L •фенилаланин
Яимафилин
( нафтохинон)
I
♦
„ _ .
в-Окислениетранс-Коричная кислотой п-Кумаробая
--------------- ■
бензойная кислота
■
| | кислот
Лигнаны
Лиенины
Уди хи ноны (бензохиноны)
\ (см. рис. 1136)т
-окисление п -Г и дроксибензойная кислота
( (ренольная кислота)
Другие яи дроксили
роданныв и метоксили*
робанные производные коI ричной кислоты
Кумарины
(См. гл. 4, разд.
О. I t и Г Ц )
Рис. 14.1. Общая схема биосинтеза растительных
фенолов, показывающая участие шикиматного
пути. Пластохиноны, филлохиноны, убихиноны
и токоферолы обычно классифицируются как
терпеновые хиноны и хроманолы (см. гл. 11,
г Ксантоны, сренолы
( меланины?)
Производные корич­
ного с п и р та
*
Алканнин (нафтохинон)
Фла воноиды
I
!
конденсированные
та н н и н ы
(фла воланы)
разд. В. IX), а не как растительные фенолы, но они
включены в этот рисунок для сравнения, посколь­
ку другие хиноны рассматриваются как расти­
тельные фенолы.
СН,
ОН
Н
Н
(14.2)
С15-цепью)-токсическое начало в яде сума­
ха (Toxicodendron radicans) и 2) Д'-тетрагидроканнабинол [называемый также Д9-тетрагидроканнабинолом (14.3)] - производ­
ное резорцина, которое, как это можно ви­
деть из его названия, является галлюцино­
генным началом конопли Cannabis sativa.
Растительные меланины (разд. Н), по-види­
мому, представляют собой полимеры катехола.
и-кумаровой кислоты [образование трансл-кумаровой кислоты уже обсуждалось
в гл. 4 (рис. 4.23)]. л-Кумаровая кислота
превращается
в бензойную
кислоту
(разд. В.Щ которая в свою очередь подвер­
гается окислительному декарбоксилированию с образованием фенолов.
В. ФЕНОЛЬНЫЕ КИСЛОТЫ
I. Природа и распространение
II. Биосинтез
Многочисленные эксперименты с ме­
чеными соединениями подтвердили предпо­
ложение, что все фенолы образуются из фе­
нилаланина через промежуточную стадию
Фенольные кислоты широко распростра­
нены среди растительного царства, а протокатеховая кислота (14.4), л-гидроксибензойная кислота (табл. 14.1), ванилиновая кисло­
та (14.5) и сиринговая кислота (14.6) обнару-
Таблица 14.1. Главные классы растительных фенолов
Число
атомов
углерода
Основной
скелет
Класс
Фенолы
Источник
Пример
Катехол
Листья Gaultheria
С6—Gj Фенольные
кислоты
и-Гидроксибензойная кислота
-С 2 Фенилуксусные 2-гидроксифенилуксусная кислота
кислоты
СООН
Широко распро­
странена
СН, СООН Листья Astilbe
9
С6—С3 ГидроксикоКофейная кислота
ричные кис­
лоты
^СООН
XJ
Повсеместно
и
НО
он
Фенилпропены Миристицин
Myristica fragrans (мускат­
ный орех)
Кумарины
6,7-диметоксикумарин
Изоку марины
Гидрангенол
Хромоны
Эугенин
siflorum
(орхи­
дея)
Hydrangea
rophylla
О-^СНз
HjCO
тас-
Eugenia aromati-
ОН О
10
Jug Ians nigra
С6—С4 Нафтохиноны Юглон
(черный орех)
ОН О
13
с6—С,—с 6
Ксантоны
14
с6—с 2—с6
Стильбены
Антрахиноны
Магниферин
(С-глюкозид)
Лунуларовая
кислота
Широко распро­
странен
СООН
ОН Печеночники
(например,
Lunularia cru­
ciate)
Эмодин
Ревень
15
С6—С3-С б
Флавоноиды
18
(С6—С3)2Лйгнаны
Пинорезинол
18
(С6—С3)2Неолигнаны
Эусидерин
НО
ори
Древесина Magnoliaceae,
3
Eusideroxylon
ОСНз
1
р
|Г^
^Оу^ЛоСНз
ZWageTi
.r u
Оl /^4 ""СН,
и
(С6—С3)„
(С6)„
(Сб—С3—С6)
Лигнины (см. гл. 4, разд. Б.П и Г.Н, а также рис. 14.4)
Меланины (о деталях см. разд. Н)
Конденсированные таннины (о деталях см. разд. M.I.2)
жены у всех исследованных к настоящему
времени покрытосеменных растений. Гал­
ловая кислота (14.7) обычно встречается
в полимеризованной форме в виде раство­
римого таннина (разд. М). Известны также
альдегиды и спирты, соответствующие ро­
доначальным карбоновым кислотам; важ­
СООН
Клеточные
стенки
СООН
СООН
нейшие их представители - ванилин (14.8) из
стручков Vanilla и салициловый спирт (14.9)
из ивы. Карбоксильные и гидроксильные
группы могут быть метилированными, как,
например, в ацетофеноне З-ацетил-6-метоксибензальдегиде (14.10) из пустынного ку­
старника Encelia farinosa.
СООН
СН,ОН
СНО
ОН
ОСН,
ОСН,
ОН
ОН
(14.6)
(14.7)
П - глюкоза
чон
он
Галловая кислота
NADPH
L
Ц +H*
NADP*
СООН
СООН
Таутомерия
н он
5-дегидрошикимовая кислота
(енольная форма)
5-дегидрошикимовая кислота
(оксоформа)
NADPH
к— н2о
СООН
ОН
он
ОН
Протокатв я оба я
кислота
Шикимовая кислота
Префеновая кислота и
ароматические аминокислоты
Рис. 14.2. Образование потокатеховой и галло­
вой кислот из 5-дегидрошикимовой кислоты.
II. Биосинтез
Бензойная кислота образуется путем |3окисления транс-циннамоил-СоА с после­
дующим окислительным декарбоксилированием. Эта реакция аналогична реакции,
происходящей при образовании п-гидроксибензойной кислоты из n-кумаровой кис­
лоты. Кислоты с дополнительными гидрок­
сильными группами образуются не путем
гидроксилирования бензойной кислоты или
п-гидроксибензойной кислоты, а путем, от­
ветвляющимся от главного шикиматного
пути на стадии 5-дегидрошикимовой кис­
лоты (рис. 14.2). Изображенные на рис. 14.2
реакции были продемонстрированы в опы­
тах с бесклеточными системами, полу­
ченными из суспензионной культуры клеток
маша, с использованием 14С-шикимата
в присутствии NADP +. Этот окисленный
нуклеотид необходим по двум причинам: он
является кофактором шикимат-дегидрогеназы1, катализирующей обратимую реак­
цию (рис. 14.2, а), и, кроме того, он требует­
ся для превращения енольной формы
5-дегидрошикимата (б) в галловую кислоту
(в). Фермент дегидрошикимат-дегидратаза
превращает енол в протокатеховую кислоту
(г).
о=сосн3
сн,соон
сн=снсоон сн=снсоон
сн=снсоон
н,со
ОНС
он
(14.12)
Г. ФЕНИЛУКСУСНЫЕ КИСЛОТЫ
О распространении фенилуксусных кис­
лот у растений известно мало, однако[как 2-,
так и 4-гидроксифенилуксусные кислоты
(табл. 14.1 и формула (14.11) соответствен­
но) обнаружены у растений-в листьях
Astilbe и в одуванчике (Taraxacum officinale)
соответственно.
Д. ГИДРОКСИКОРИЧНЫЕ кислоты,
ФЕНИЛПРОПЕНЫ, КУМАРИНЫ И
ХРОМОНЫ
I. Природа и распространение
Гидроксикоричные кислоты, например
и-кумаровая (14.12) и кофейная (табл. 14.1),
и их метилированные производные, напри­
мер феруловая (14.13) и синаповая (14.14)
кислоты, по-видимому, повсеместно рас­
пространены у высших растений. Они встре­
чаются и в свободной форме, и в виде самых
разнообразных эфиров. В табл. 14.2 приве­
ден список самых главных групп соедине­
ний, этерифицированных гидроксикоричными кислотами. Следует отметить, что
в случае производных сахаров остаток саха­
ра присоединен эфирной связью, а не гликозидной связью. Число эфиров гидроксикоричных кислот значительно превосходит
число эфиров любых других растительных
фенолов.
Фенилпропены не столь широко распро­
странены, они спорадически встречаются
в составе эфирных масел. В качестве приме­
ра можно назвать миристицин (табл. 14.1)—
компонент мускатного ореха, содержащий­
ся в эфирных маслах. Существует мнение,
что миристицин обладает галлюциногенны­
ми свойствами.
Кумарины представляют собой лактоны, которые формально можно рассма­
тривать как производные о-гидроксикоричной кислоты, образующиеся путем замыка­
ния кольца между орто-гидроксильной
он
(14.13)
группой и карбоксильной группой боковой
цепи после транс -» i/нс-изомеризации бо­
ковой цепи (встречающиеся в природе ко­
ричные кислоты имеют транс-конфигура­
цию). Сам кумарин (14.15) в свободном виде
в листьях не обнаружен. Однако в повреж­
денных тканях листа он может легко обра­
зоваться из транс-О-глюкозилгидроксикоричной кислоты (14.16)-постоянного ком­
понента свежих листьев. При повреждении
ткани происходит высвобождение фермен­
тов, которые отщепляют глюкозу и вызы­
вают транс Щ tyuc-изомеризацию с после­
дующим замыканием кольца. Эти реакции
ведут к образованию легко летучего кума­
рина (14.15), обусловливая, таким образом,
характерный запах свежескошенного сена.
Дикумарол (14.17)-геморрагический фак­
тор испорченного сладкого клевера-обра­
зуется из кумарина вследствие микро­
биологических процессов, вызывающих
порчу.
Широко распространены гидроксикумарины, формально ведущие начало от и-кумаровой (14.12), кофейной (табл. 14.1) и феруловой (14.13) кислот. Примерами таких
гидроксикумаринов могут служить умбеллиферон (14.18), эскулетин (14.19) и скополетин (14.20). Для этих соединений характерна
интенсивная флюоресценция в раство­
рах-свойство, лежащее в основе количе­
ственных методов анализа. Иногда встре­
чаются и кумарины с фурановым кольцом
(фурокумарины), которые представляют со­
бой изопренилированные кумарины. В каче­
стве примеров таких соединений можно на­
звать псорален (14.21), фурокумарин из
Psoralea corylifolia и суберозин (14.22) (6-диметоксиаллил-7-метоксикумарин) из коры
Xanthoxylon suberosum. В отличие от этого
производные синаповой кислоты (14.14)
встречаются редко; одним из примеров слу­
жит изофраксидин (14.23), который обнару­
жен только в коре Fraxinus. Так называемые
неофлавоноиды представляют собой 4-фенилкумарины; их распространение ограни-
OGlc
< К ^О
СООН
(14.15)
О^ .О
Х
О^ .О
Н3СО
"
0
R = Н (14.18)
R = ОН (14.19)
R = ОСН3 (14.20)
(14.21)
(14.22)
ОСН3
Н3СО
(14.23)
чено, по-видимому, растениями из семей­
ства Lequminosae и Guttiferae. Типичный
пример-дальбергин (14.24).
Не столь широко распространены и хромоны, изомерные кумаринам (они несут оксогруппы при С-4 и С-2 соответственно).
Однако эугенин (табл. 14.1)-хорошо из­
вестное природное соединение.
Другая группа соединений, изомерных
НО
[OH1
СООН
hi
п-Кумаробая кислота
*
кумаринам,-это изокумарины. Их распро­
странение довольно ограничено, Так, напри­
мер, гидрангенол (табл. 14.1), обнаружен
только у Hydrangea macrophylla. Другие изо­
кумарины также проявляют тенденцию
к появлению в их молекуле дополнительных
фенильных остатков.
11
но
н,о
О >1 . о
н
‘
Умбеллиферон
Возможный промежуточ­
ный продукт
IOHI
UDPглюкоэа
и ю
но
а
Цихориин
Рис. 14.3. Биосинтез кумарина цихориина из и-кумаровой кислоты.
/О
:х х у
Эскулетин
Таблица 14.2. Некоторые соединения, гидроксильные группы которых могут быть этарифициро­
ваны кабоксильной группой гидроксикоричных кислот
Класс соединений
Гидроксисоедннение,
образующее эфир
Цшслогексано- Хинная кислота
вые карбоксикислоты
НО
НО""41
Сахар
D-глюкоза
Хлорогеновая кислота
СООН
о —Каср
Коффеил- (i-D-глюкозид
СН,ОН
о о — ка ф а
Амин
Триптамин
N-ферулоилтриптамин
ферс
Фенольная
кислота
НО
3,4-дигидроксифенилмолочнаа кислота
НО
Терпеиоид
г \
Катальпол
Н
I
сн,—с —СООН
10-(4- гидроксициннамоил)-катальпол (скутеллариозид II)
4 н
3
^
У ’
9
0
?Г
1
о -
2 0^1
Розмариновая кислота
Н
10 СН,0—Кума
Кафф - кофейная кислота (см. рис. 14.1); Фер - феруло вая кислота (14.13); Кум -л-кумаровая кислота (14.12).
II. Биосинтез
Ключевой стадией в биосинтезе кумаринов является орто-(С-2)-гидроксилирование
коричной кислоты-условие, необходимое
для последующей циклизации. Ферменты,
катализирующие эти реакции, связаны
с мембранами; они были выделены из хло-
ропластов. Механизм реакции пока неизве­
стен. Опыты с мечеными соединениями убе­
дительно показали, что n-кумаровая кисло­
та служит предшественником умбеллиферона (рис. 14.3, а) и что, по крайней мере
в данном случае, n-гидроксилирование пред­
шествует о-гидроксилированию. Однако
превращение умбеллиферона в эскулетин
(рис. 14.3,6) свидетельствует о том, что гидроксилирование может происходить и по­
сле
лактонизации.
Гликозилирование
(рис. 14.3, в) является конечной стадией пу­
ти, приводящего к образованию цихориина
(эскулетин-7-(}-В-глюкозида).
Е. ХИНОНЫ
I. Природа и распространение
Среди продуктов растительного проис­
хождения бензохинон как таковой не обна­
ружен, но его восстановленная форма-ги­
дрохинон (14.1) - распространен широко.
Производные бензохинона, например пластохинон (11.47) и убихинон (11.48), играют
важную функциональную роль в фотосинте­
зе и митохондриальном переносе электро­
нов соответственно. Другое интересное про­
изводное
бензохинона
это
примин
(14.25)-«обжигающее» начало у Primula
obconica.
Нафтохиноны обычно встречаются
в восстановленной и гликозилированной
форме. В процессе экстрагирования они ча­
сто окисляются и выделяются в виде окра­
шенных продуктов. Примером растительно­
го нафтохинонового производного является
глюкозид восстановленного юглона (14.26),
выделенный из ореха. Вместе с тем сво­
бодные нафтохиноны встречаются в составе
ядровой древесины деревьев, часто в виде
димеров, тримеров и тетрамеров. Приме­
ром подобных соединений служит синий
диосиндиго А (14.27) из Diospyros. Нафтохиноном, участвующим в процессе фотосинте­
за, является филлохинон (витамин К х)
(11.49).
Из цветковых растений выделено более
200 антрахинонов. Кроме простых антрахинонов, таких, как эмодин (табл. 14.1), могут
также встречаться и смешанные димеры, на­
пример пальмидин А (14.28).
II. Биосинтез
У высших растений бензохиноны встре­
чаются редко, да и то, вероятно, в виде вос­
становленной хинольной формы, которая
уже обсуждалась ранее. У низших грибов
бензохиноны образуются или из фенил­
аланина, т. е. по шикиматному пути,
или из ацетил-СоА поликетидным путем
(разд. ИЛИ). Так, например, копринин
(14.29) образуется из тирозина, а спинулозин
(14.30) имеет поликетидное происхождение.
Однако бензохиноновый остаток в терфенилхинонах образуется совсем другим пу­
тем-из атомов углерода боковой цепи либо
двух молекул фенилпирувата, либо двух мо­
лекул фенилаланина, либо двух молекул ти-
Н
HOOC
NH,
м-Тирозин
ОН
он
Волюкриспорин
Рис. 14.4. Биосинтез волюкриспорина из
розина.
a i- т и -
розина или же, как в случае волюкриспор­
ина (рис. 14.4), из двух молекул .м-тирозина.
Биосинтез нафтохинонов может проис­
ходить несколькими путями: 1) с образова­
нием 2-сукцинилбензоата в качестве проме-
Рис. 14.5. Источники углеродных атомов в четы­
рех различных нафтохинонах, • атомы углерода,
ведущие свое происхождение от шикимат/фенилаланин/тирозинового пути; О атомы углерода,
происходящие из сукцинил-СоА; х атомы угле­
рода, происходящие из уксусной кислоты;
Д атомы углерода, происходящие из мевалоно­
вой кислоты. Лавсон синтезируется у растения
Impatiens balsamina, плюмбагин-у растения
Chimaphila umbellata, алканнин-у растения
Plagiobothrys arizonicus.
жуточного продукта, как при образовании
пренилхинонов (гл. 11, разд. B.IX) и лавсона; 2) поликетидным путем, как в случае
плюмбагина (рис. 14.5), образующегося
о
Кима филин
о
Ал каннин
+
он
но
он
Шикимовая кислота
СООН
I
СН,
I
сн,
—
I
CO.SCoA
Сукцини л - СоА
1,4- дигидроксинафталин2-кардоксикислота (возмож­
ный промежуточный продукт)
MVA
Ализарин
Рис. 14.6. Биосинтез ализарина у Rubia tinctorum.
• атомы углерода, образующиеся по шикиматному пути; Д атомы углерода, происходящие из
сукцинил-СоА; □ атомы углерода, образующие­
ся из мевалоновой кислоты; х атомы углерода,
происходящие от дезоксилапахола.
у Plumbago; 3) из тирозина через промежу­
точную стадию гомогентизиновой кислоты,
которая конденсируется с мевалонатом, да­
вая соединения типа химафилина из Chimaphila umbellata (рис. 14.5); 4) из п-гидроксибензойной кислоты и двух молекул мевало­
новой кислоты (вероятно, в виде геранилпирофосфата) с образованием алканнина
у Plagiobothrys arizonicus. На рис. 14.5 пока­
зано распределение метки в этих соедине­
ниях после введения различных меченых
предшественников. Именно эксперименты
такого типа легли в основу выводов, ко­
торые мы рассмотрели ранее; детальное эн­
зимологическое изучение этих процессов по­
ка еще не проводилось.
Антрахинон ализарин образуется из
предшественника 2-сукциноилбензоата та­
ким же образом, как и некоторые нафтохи­
ноны, например ранее обсуждавшийся лавсон. Однако в данном случае промежу­
точный продукт со структурой нафталина,
пока неидентифицированный, но, возможно,
являющийся нафталин-2-карбоксикислотой
(рис. 14.6, а), изопренилируется изопентенилпирофосфатом, происходящим из мева­
ОН
Дезоксилапа хол хинол
лоновой кислоты (рис. 14.6,6). Вслед за
этим
происходит
замыкание
кольца
(рис. 14.6, в). С другой стороны, эмодин
(табл. 14.1), образующийся у Rhamnus firangula, происходит полностью из ацетата
(рис. 14.7). Единственный немеченый угле­
родный атом метильной группы на
рис. 14.7, очевидно, образуется путем
транс-метилирования.
Ж. КСАНТОНЫ
I. Природа и распространение
Распространение ксантонов, как прави­
ло, ограничено семействами Guttiferae
и Gentianaceae. Описано свыше 70 соединеНО
•1
ОН
I#
О
¥II
Н
II
д
А
о
Эмодин
Рис. 14.7. Источники атомов углерода в эмоднне.
синтезируемом у Rhamnus frangula. • атомы угле­
рода, происходящие от углерода карбоксильной
группы уксусной кислоты; Д атомы углерода,
происходящие от углерода метильной группы ук­
сусной кислоты. Метильная группа в эмодине
возникает, вероятно, в результате реакции транс­
метилирования.
ний, содержащих от одной [7-гидроксиксантон (14.31)] до пяти [4,7-диметокси-1,3,8тригидроксиксантон (14.32)] гидроксильных
групп. Их находят как в свободном виде, так
и в виде гликозидов в древесине (ядре) и
в корнях. Мангиферин (14.33) в отличие от
большинства других ксантонов широко рас­
пространен в мире растений, в том числе
у папоротников.
II. Биосинтез
Получены немногочисленные данные
о том, что одно ароматическое кольцо
в ксантонах происходит из шикимовой кис­
лоты, а второе-из ацетата (рис. 14.8). и-Кумарил-СоА включается в виде интактной
единицы в мангиферин (14.33) у Anemarrhena
asphodeloides, тогда как ацетат дает начало
остальным углеродным атомам в гентизеине (рис. 14.8).
цизовой кислоте у высших растений (гл. 15,
разд. Д). Сами стильбены встречаются
у растений в виде таких соединений как пиносильвин (14.34) у Pinus, и резвератрол
(14.35) у Eucalyptus spp.
II. Биосинтез
О биосинтезе стильбенов известно мало.
Однако установлено, что резвератрол (14.35)
служит предшественником димеризованных
производных, например
%-виниферина
(14.36) у Vitis vinifera.
ОН
(14.34)
3. СТИЛЬБЕНЫ
I. Природа и распространение
Наиболее распространенный расти­
тельный стильбен-это дигидростильбен лунуларовая кислота (табл. 14.1). Она обнару­
жена у всех печеночников, у которых она
действует как ингибитор роста подобно абс-
ОН
Гентизеин
Рис. 14.8. Источники углеродных атомов в ксантоне гентизине, синтезируемом у Gentiana lutea.
• атомы углерода, ведущие свое происхождение
от шикимат/фенилаланинового пути; А атомы
углерода, происходящие от углерода метильной
группы уксусной кислоты; О атомы углерода,
происходящие от углерода карбоксильной
группы уксусной кислоты.
(14.35)
И. ФЛАВОНОИДЫ
I. Природа
Флавоноиды
представляют
собой
чрезвычайно широко распространенную
группу водорастворимых фенольных про­
изводных, многие из которых ярко окра­
шены в красный, темно-красный, пурпурный
или желтый цвет. Обычно флавоноиды на­
ходятся в вакуолях, хотя некоторые из них
обнаружены в хромопластах и хлоропластах. Флавоноиды представляют собой гликозиды; основу структуры их агликонов со­
ставляет флаван (14.37), состоящий из двух
ароматических колец, соединенных в хромановую структуру трехуглеродной единицей
(Сб—С3—С6). Таким образом, флавоноиды,
как и многие другие соединения, уже рас­
смотренные в этой главе, являются фенилпропановыми производными. Свободные
агликоны находят в омертвевших, деревя­
нистых тканях, где они, вероятно, образуют­
ся в результате ферментативного гидролиза
флавоноидов.
Агликоны классифицируют в соответ­
ствии
со
степенью
окисленности
С3-единицы (С-2, С-3 и С-4) в молекуле
(табл. 14.3). Последние три группы в табли­
це-халконы, дигидрохалконы и ауроны,
строго говоря, не являются флавоноидами,
но их тесная взаимосвязь (как химическая,
так и биосинтетическая) оправдывает вклю­
чение этих соединений в группу флавонои­
дов. Однако следует с особой осторож­
ностью относиться к нумерации атомов в их
молекулах, которая отличается от нумера­
ции флавоноидов. В случае халконов (14.38)
нумерация особенно запутана, тогда как
в случае ауронов (14.39) изменения в номен­
клатуре вытекают главным образом из сжа­
тия гетероциклического кольца.
Картина гидроксилирования у флаво­
ноидов может варьировать весьма значи­
тельно, однако все они укладываются в во­
семь главных типов. Примеры их даны
в табл. 14.4. Следует отметить существова-
5
«
ние стереоизомеров катехинов и флаван-3,4диолов.
У различных агликонов одна или более
гидроксильных групп могут соединяться
с остатком сахара гликозидными связями,
имеющими обычно ^-конфигурацию. Ис­
ключение составляют L-рамнозиды и L-apaбинозиды, гликозидная связь которых
имеет a-конфигурацию. Флавоноиды, содер­
жащие в молекуле моносахаридные, дисахаридные или трисахаридные остатки, назы­
вают монозидами, биозидами или триозидами соответственно. Соединения, в ко­
торых к двум из имеющихся гидроксильных
групп присоединены моносахаридные ос­
татки,
являются
бимонозидами.
В табл. 14.5 даны примеры встречающихся
в природе флавоноидов, содержащих раз­
личные сахара.
II. Флавоноиды и окраска растений
Основные классы флавоноидов, оказы­
вающие влияние на окраску растений,-это
антоцианидины, флавонолы, халконы и ау­
роны. При изучении общих свойств флаво­
ноидов важно обсудить и этот аспект их
биохимии.
1. Антоцианидины
Всего известно около 22 антоцианидинов, но широко распространены только три
из них-пеларгонидин (табл. 14.3), дельфинидин (14.40) и цианидин (14.42); они разли­
чаются лишь по числу гидроксильных групп
в кольце В. В силу ионного характера моле­
кулы как интенсивность, так и оттенок окра­
ски антоцианидинов изменяются при изме­
нении величины pH. В кислых растворах
(метанол-HCl) окраска изменяется от оранжево-красной (пеларгонидин, максимум по­
глощения 520 нм) через синевато-красную
(цианидин, максимум поглощения 535 нм)
до розовато-лиловой (максимум поглоще­
ния 545 нм). Такое различие в окраске
Н
| __ 1
Н
б'
5'
ОН
(14.40)
ОН
О
(14.41)
(14.42)
Таблица 14.3. Классификация флавоноидиых агликонов в соответствии со степенью окисленности
Сз-остатка фенилпропановой единицы8
Флавоны
Строение
Пример
(цифрами указано положение гидроксильных групп
в остальной части молекулы)
1
Класс
Апигенин (5,7,4')
> = 1г
Флавонолы
rC j
Г
-
Х )
Кемпферол (5,7,4')
ОН
0
Катехин (5,7,3',4')
(2Л.35)
Катехины (флаван-3-олы)
(—)-эпикатехин (5,7.3',4')
(+ )-эпикатехин (5,7,3',4')
Класс
Пример
(цифрами указано положение гидроксильных групп
в остальной части молекулы)
Строение
О
Дигидрофлавонолы
(2RJS)
Н
Тетракацидин (7,8,4')
-I
(1R2RAR)
Флаван-3,4-диолы (проантоцианидины или лейкоантоцианидины)
Изотетракацидин (7,8,4')
НО н
(2fl.3S.4S)
Н
-I
Лейкоробинетинидин (7,3',4',5')
Гуйбауртакацидин (7,4')
(2RJS,4R)
Антоцианидины
Изофлавоны
6
О
Пеларгонидин (5,7,4')
Генистеин (5,7,4')
Неофлавоны (4-фенилкума- “ N
рины см. разд. Д)
Дальбергин (6-гидрокси-7-метокси)
■У
I
1
Халконы
Бутеин (3,4,2',4')
О
Дигидрохалконы
Флоретин (4,2',4',6')
О
О
Ауроны
Сульфуретин (6,3',4')
;х ь < ]
Детали системы нумерации углеродных атомов скелета флавоноидов, халконов и ауронов см. в формулах (14.37), (14.38) и (14.39)
соответственно.
Это одна из резонирующих структур катиона флавилия.
Таблица 14.4. Основные схемы распределения гидроксилов, наблюдающихся во флавоноидах
Флаваноид
5-гидроксифлавон
5,8-дигидроксифлавон
Дигицитрин
Морин
Изоетин
Госсипетин
Кверцетагетин
6-метоксилутеолин
Диосметин
R.
Ra
На
R«
Rj
R.
Ri
R.
R,
ОН
ОН
н
н
н
н
н
он
н
н
н
н
ОСН3
ОСНз
ОН
ОСНз
н
н
н
он
он
н
н
н
н
ОСНз
ОСНз
н
н
он
н
он
н
н
н
н
н
н
осн
он
н
он
он
н
н
он
он
он
он
он
он
он
н
н
н
он
ОСН3
н
он
он
он
он
он
н
н
он
н
н
н
н
н
он
он
он
он
он
он
он
он
он
ОСНз
Растительные фенолы
Таблица 14.5. Примеры флавоноидов с различными сахарными остатками
Сахар
Связь (сахар -»агликон-НО)
L-рамноза (пир)
al -З Н О
D-глюкоза (пир)
pi - ЗНО
Кверцитрин (кора Quer- Кверцетин
cus tinctoria)
(14.41)
L-рамноза (пир)
al - ЗНО
Изокверцитрин (цветки Кверцетин
D-глюкоза (пир)
pi - ЗНО
Флавоноид (источник)
Класс
Агликон
Монозиды Дельфинидин-З-рамно- Дельфинидин
зид (лепестки цветков (14.40)
Lathyrus odorata)
Миртиллин a (Vaccinium Дельфинидин
myrtillus)
Gossypium herbaceum)
Хирзутин (цветки Gossypium herbaceum)
»
D-глюкоза (фур)
pi - ЗНО
Кверцимеритриы (цветки
»
D-глюкоза (пир)
Р1 -►7НО
Gossypium herbaceum)
Биозиды
Триозиды
Кверцетин-3 софорозид Кверцетин
(листья Pisum sativum)
Неогесперидозид (листья
»
Thypha latifolia)
Рутин Ruta graveolens
»
Кверцетин- 3-(2°-глюко- Кверцетин
зилрутииозид) (лепест­
ки цветков Solarium tu­
pi - ЗНО
Софороза
[D-Glcp(pi - 2)DGlcp]
L-Rhap (al —2)D-Glcp pi -Glc -* ЗНО
PI (Glc) - ЗНО
Рутиноза
L-Rhap(al -»6)D-Glcp
Р?1 (Glc)-З Н О
L-Rhap(al - 6)DGlcp(pi 1 2)D-Glcp
berosum)
pi - ЗНО
PI - 5НО
Димонози- Цианин (лепестки цвет­ Цианидин
ды
ков Centaurea cyanus)
P-D-GlCp
p-D-Gkp
Кемпферол
Ацилиро- Петунозид (лепестки
(табл. 14.3)
цветков Petunia)
ванные
моно- и Лютеолин-7-(п-кумарил- Лютеолин
биозиды
глюкозид) (лепестки
(14.43)
цветков Catalpa bigno-
2'-фер\,лоил софоро­ pi - ЗНО
зид
и-Кумарил-О-глюко- PI (Glc) - 7НО
зид
nioides)
пир пираноэа; фур-фураноза; D-Glcp- D-глюк опираноза; L-Rhap- L-рамнопираноза.
НО
C=
c [c -^ 2 H 0 ]D -(jtc p C ^ l-^ 2 ]-D -G -lC p АЛ.
объясняется тем, что окраска зависит от
числа гидроксильных групп в кольце В. При
повышении pH кислого (оранжевого) рас­
твора до pH 7,0 раствор становится бесц­
ветным в результате образования бесцвет­
ного псевдооснования (рис. 14.9,а); при
значениях pH выше 7,0 образуются синие
ангидрооснования (рис. 14.9,6), и при очень
высоких значениях pH наступают необра­
тимые изменения, которые инициируются
ионизацией
фенольных
гидроксилов
(рис. 14.9, в).
Гликозилирование антоцианидинов при
С-3 с образованием антоцианов приводит
к заметному гипсохромному эффекту ( ~
~ 15 нм), но не оказывает заметного влия­
ния на окраску растений in situ. Объясняется
это тем, что, в сущности, все антоцианидины
гликозилированы при С-3. Гликозилирова­
ние в других положениях, встречающееся
гораздо реже, мало влияет на окраску расте-
ОН '
L
Оранжевый (^рНА)
бесцветный (p H 7 )
Н*1 о н '
Н,0
н,о ■
<6
Необратимое
разруш ение
Кони, щелочь
в
Синий (~ pH 10)
Рис. 14.9. Влияние pH на антоцианидины. В каче­
стве примера антоцианидина взят пеларгонидин;
изогнутыми стрелками показано оттягивание
электронной пары при повышении pH. Однако
читатель может легко представить себе элек­
тронные сдвиги, которые произойдут, если обра­
тимые реакции будут идти в обратном направле­
нии; в этом случае Н + вместо О Н ” будет
выступать в роли атакующег иона.
ний. Вместе с тем очень заметное действие
оказывает количество антоцианов в тканях.
Оно может изменяться от 0,01 до 15% в рас­
чете на сухую массу. Так, например, содер­
жание антоцианов в «нормальном» синем
васильке составляет 0,05% (в расчете на су­
хую массу), тогда как у темно-пурпурной
разновидности - 13-14%.
а. Лепестки
Вариации величины pH клеточного сока
растений не столь велики и не играют ре­
шающей роли в регуляции окраски лепест­
ков у тех растений, у которых она зависит
в основном от антоциановых пигментов.
Гораздо большее значение имеют явление
копигментации и способность пигментов
образовывать хелаты с металлами.
б. Копигментация
Синяя окраска цветков обусловливается
копигментацией между антоцианами и флавоноидными гликозидами или гидроли­
зуемым таннином (разд. M.I.1). Так, напри­
мер, и в темно-бордовых, и в розовато-ли­
ловых цветках Primula sinensis антоцианом
является в обоих случаях мальвидин-3-глюкозид (14.44). Различия же в окраске вызы­
ваются сдвигом максимума поглощения на
5 нм в область больших длин волн у разно­
видности с розовато-лиловыми цветками.
Это
обусловливается
копигментацией
(14.44) с гликозидами кемпферола (табл.
14.3), концентрация которых в розовато-лиловых цветах в 3-5 раз выше, чем в темно­
бордовых. Пурпурные розы содержат цианидин (14.42) 3,5-диглюкозид, который
является главным пигментом и в лепестках
темно-красной розы, где он копигментирован с большим количеством галлотаннина;
в этом случае происходит спектральный
сдвиг с 507 до 512 нм. Копигментация про­
исходит в результате образования водо­
родных связей между карбоксильной груп­
пой ангидрооснования и ароматическими
гидроксильными группами комплексирующихся с ним флавоноидов.
в. Комплексирование с металлами
Влияние образования хелатных комплек­
сов с металлами на окраску лепестков мож­
но лучше всего проиллюстрировать, сравни­
вая синюю окраску василька с красной
окраской розы. В обоих случаях главным
антоцианидином является один и тот же
цианидин (14.42). Из сока василька был вы­
делен процианин-синий кристаллический
комплекс железа, содержащий четыре моле­
кулы цианина (цианидин-3,5-диглюкозида)
и три молекулы флавона-апигенин-7-глюкоуронид-4'-глюкозида (14.45). Таким обра­
зом, в данном случае наблюдается комбини­
рованный эффект комплексообразования
с металлом и копигментации. С другой сто­
роны, при экстрагировании лепестков розы
выделили свободный от металла нативный
красный антоцианин. Если у Hydranqea
GlcA = Глюкуроновая кислота
(14.45)
наладить правильный мине­
ральный баланс, то в растении быстро
накапливаются хелатирующие металлы
алюминий и молибден, и лепестки прини­
мают синюю окраску (в противном случае
они имеют красный цвет).
Коричневая окраска некоторых лепест­
ков, например у лакфиоли, обусловлена со­
четанием водорастворимого синевато-крас­
ного антоцианина в вакуолях с желтыми
каротиноидами в хромопластах. Кон­
кретный цветовой рисунок определяется
главным образом локальным увеличением
образования пигментов, в частности у наmacrophylla
Таблица 14.6. Главные факторы, контролирую­
щие пигментацию лепестков цветков антоцианами
1. Строение антоцианов, особенно степень гидроксилирования кольца В
2. Концентрация антоцианов
3. Молярное соотношение антоциана и сопут­
ствующего пигмента
4. Комплексообразование с металлами, особен­
но с магнием и железом
5. Значение pH клеточного сока
перстянки, или же наложением дополни­
тельных пигментов на основной пигмент.
В качестве примера можно привести густой
пурпурный оттенок в центральной части не­
которых цветков мака, который обусловлен
очень высокой локальной концентрацией
цианидина на общем фоне пеларгонидина.
В табл. 14.6 суммированы главные фак­
торы, контролирующие окраску цветков
антоцианами.
г. Листья
Антоцианы-это единственные флавоноиды, влияющие на окраску листьев; они
вносят свой вклад в быстро изменяющуюся
окраску молодых листьев, в последующую
постоянную окраску и в появление у листьев
осенних тонов. Почти во всех случаях уча­
ствующим в этих процессах пигментом
является цианидин-3-глюкозид, однако
Solatium и виды Primula отличаются тем, что
накапливают в листьях дельфинидин (14.40).
Чем объясняется кратковременный «на­
плыв» антоцианов на ранних стадиях разви­
тия листьев, пока еще не известно, но узор
постоянной окраски у обычного домашнего
растения Coleus находится под строгим ге­
нетическим контролем. Темно-пунцовый
лесной бук представляет собой отклонение
от обычного зеленого бука Fagus sylvatica.
Иногда интенсивное образование антоциа­
нов в листьях распространяется и на цветки,
как, например, у некоторых видов Anthirrhiпит.
Появление антоцианов дает особенно
впечатляющий эффект в случае красной
окраски осенних листьев Acer и Pyrus. Коли­
чество образовавшегося пигмента (цианидин-3-глюкозида) зависит от климатических
условий осенью; однако точные механизмы
биохимического контроля пока еще не из­
вестны. Желтая и бурая окраска осенних
листьев обусловливается главным образом
Таблица 14.7. Распределение антоцианидинова в
некоторых съедобных плодах
Пигмент
Плоды
Цианидин (14.42) Яблоки (кожура), вишни, ма­
лина, красная смородина
Баклажан (кожура), гранат
Дельфинидин
(14.40)
(сок)
Земляника, плоды пассифло­
Пеларгонидин
(табл. 14.3)
ры
Черная смородина, апельсинЦианидин +
+ дельфинидин королек (сок)
In vivo пигменты находятся в виде гликозидов (антоцианов).
каротиноидами (гл. И)
(разд. М) соответственно.
и
таннинами
д. Плоды
Окраска многих съедобных плодов опре­
деляется
в
основном
антоцианами
(табл. 14.7). Изменчивость окраски раз­
личных разновидностей плодов, например
«черных» и «белых» вишен, обычно вызы­
вается различиями в количественном содер­
жании пигментов, а не изменениями в строе­
нии присутствующих в них пигментов.
Синяя окраска многих плодов, по-видимо­
му, обусловлена образованием комплексов
с металлами и белками, а не копигмента­
цией, как в случае лепестков.
(14.46)
GlcA-O
но
о
(14 50) (СвсА- 01 -связанная
D-глюкуромовая кислота)
2. Флавонолы и флавоны
Обычные флавонолы и флавоны, хотя
и широко распространены в лепестках цвет­
ков, не оказывают влияния на их окраску.
Однако флавонолы все же вносят неко­
торый вклад в окраску при условии, что они
метилированы или гликозилированы в не­
обычных положениях. Так, например, сирингетин (14.46) (мирицетин-3,5'-диметиловый эфир) участвует в формировании
желтой окраски цветков чины луговой
Lathyrus pratensis, а изорамнетин (14.47)
(кверцетин-З'-метиловый эфир) также уча­
ствует в окрашивании лепестков обычных
ноготков (Calendula officinalis), хотя в этом
случае основная пигментация, по-видимому,
определяется каротиноидами.
8-гидроксифлавонолы, такие, как, напри­
мер, госсипетин (14.48), обусловливают ха­
рактерную желтую окраску цветков хлоп­
чатника и примулы. По-видимому, распро­
странение 6-гидроксифлавонолов ограниче­
но растениями из семейства Compositae. Так,
в частности, кверцетагетин (14.49) обнару­
жен в прямостоячих бархатцах (Tagetes
erecta).
Следует отметить, что, хотя флавоны
и не участвуют непосредственно в окраши­
вании цветков, они могут действовать как
копигменты, усиливая окраску желтых флавонолов, халконов и ауронов. Апигенин-7,4'диглюкуронид (14.50), например, является
копигментом ауреузина (14.51) у некоторых
желтых сортов Antirrhinum.
Бесцветные флавонолы и флавоны, повидимому, обеспечивают «плотность» окра­
ски цветков-белых, кремовых и цвета сло­
новой кости. Это хорошо видно на бесцвет­
ном мутанте Antirrhinum majus, полностью
лишенном флавонов; его цветки легко отли­
чить от цветков нативного штамма.
Главными «участниками» этого феномена
являются кемпферол (табл. 14.3) и кверце­
тин (14.52).
Обычно флавонолы и флавоны не оказы­
ваю т влияния на окраску плодов, хотя они
широко распространены в плодах. Един­
ственное исключение составляет изофлавон
осаджин (14.53), который в известной сте­
пени отвечает за окраску оранжевой маклюры (Maclura pomifera). Отметим, что этот
пигмент содержит два изопреноидных
остатка.
3. Халконы и ауроны
Присутствие этих желтых пигментов
в лепестках можно легко продемонстриро­
вать: при выдерживании лепестков в парах
аммиака цвет их изменяется с желтого на
красный. П о этой причине халконы и ау­
роны часто называют антохлорными пиг­
ментами. Распространение их ограничено
приблизительно
девятью
семействами.
Примером того, как эти пигменты высту­
пают в роли главных «виновников» желтой
окраски лепестков, могут служить халкон
изосалипурозид (14.54) в желтых цветках
гвоздики и аурон ауреузин (14.51) в желтых
цветках Antirrhinum majalis. В желтых ле­
пестках антохлорные пигменты часто ассо­
циируются с каротиноидами.
но
Изредка антохлорные пигменты обра­
зуются в листьях и плодах. Так, например,
метилированный хаЛкон педицинин (14.55),
у которого кольцо А окислено в хиноидную
форму, входит в состав окрашенного по­
рошка, который накапливается на нижней
стороне листьев Didymocarpus pedicellata.
Плоды Kyllinqia brevifolia содержат блестя­
щий халкон оканин (14.56), тогда как ауреу­
зин обнаружен в плодах Gahnia clarkei.
III. Биосинтез
1. Первые стадии
Биосинтез флавоноидов уникален в том
отношении, что в данном случае два арома­
тических кольца образуются различными
путями. Фенилпропановый остаток (кольцо
В и атомы С-2, С-3 и С-4) происходят от пкумаровой кислоты, которая в свою очередь
образуется шикиматным путем. С другой
стороны кольцо А образуется из ацетата
и представляет собой особый случай поликетидного синтеза. Характерная особен­
ность поликетидов состоит в том, что все
они построены из С 2-единиц, происходящих
из ацетата. Принадлежащие к этой группе
жирные кислоты уже рассматривались
в гл. 8, так же как и некоторые фенолы, про­
дуцируемые главным образом грибами.
Ранее при выяснении синтеза фенолов
исходили из предположения, что четыре мо­
лекулы ацетата конденсируются с образова­
нием такого поликетида, как 3,5,7-трикетооктановая кислота (такого типа промежу­
точный продукт не был выделен), которая
может далее циклизоваться различными пу-
он
он
OGlc О
(14.54)
(14.55)
тями. Один из этих возможных путей, под­
ходящий к данному случаю, показан на
рис. 14.10. В дальнейших исследованиях вы­
яснили, что исходная группа RCOOH пред­
ставляет собой ацетил-СоА, а другие при­
соединяемые к нему «ацетаты» на самом
деле являются молекулами малонил-СоА.
генин (рис. 14.11). Широко распространен
фермент халкон-флаванон—изомераза2, ка­
тализирующий их взаимопревращения. Стереохимический ход этой реакции исследова­
ли, используя в качестве субстрата халкон,
дейтерированный в a -положении. Получаю­
щийся при этом флаванон имеет 5-конфигу­
рацию у С-2, а дейтерий занимает эквато­
риальное положение у С-3 (рис. 14.12, а).
В тех же случаях, когда эту реакцию прово­
дят в 2Н 20 с немеченым субстратом, дейте­
рий занимает аксиальное положение у С-3
(рис. 14.12,6). Из этого следует, что цикли­
зация, по существу, представляет собой «/не­
присоединение по а,Р-двойной связи.
R.COOH + 3CHjCOOH
7
6
S
4
з
2
I
R.CO.CH, CO.CHj CO.CH, COOH
OH
J k .6 ^ C O .R
ll
Н О -^ ^ /^ О Н
2
Рис. 14.10. Основной механизм образования аро­
матических колец из поликетидов. Сюда не вклю­
чены другие возможные пути циклизации; в про­
стейшем случае R -C H 3.
Такие реакции конденсации уже рассматри­
вались в гл. 8, разд. В.1.1. Итак, если
RCOSCoA—п-кумарил-СоА, а не ацетилСоА, то циклизация, показанная на
рис. 14.10, может привести к образованию
халкона или флаванона (рис. 14.11). Приро­
да первичного продукта циклизации пока
еще не уточнена, что объясняется главным
образом легкостью взаимопревращений
халконов и флаванонов. Ферментная систе­
ма из культуры клеток петрушки способна
превращать п-кумарил-СоА и малонил-СоА
в 4,2',4',6'-тетрагидроксихалкон, который
быстро и спонтанно изомеризуется в нарин-
2. Дигидрофлавонолы
Опыты с предшественниками показали,
что дигидрофлавонолы образуются непос­
редственно из халконов, однако действую­
щий при этом механизм гидрооксилирования пока еще не выяснен (рис. 14.13, а).
3. Флавоны и флавонолы
Флавоны могут образовываться при
окислении флаванонов с участием флаванон-оксидазы (рис. 14.13, б), которая, будучи
выделена из молодых первичных листьев
петрушки, способна окислять нарингенин
(рис. 14.11) в апигенин (табл. 14.3). Другой
возможный путь к флавонам показан на
рис. 14.14; в этом случае окисление проис­
ходит на уровне халкона (рис. 14.13, в) через
соон
°Ч
CoA.S— С
i
/С Н ,
ноос
<г?°
Н
f/
I
II
\ = /
С ----- ('
Н2 'С— S.Co.A
сн
XHj.COOH
^с"
rS I
3 Молонцл-СоА
\\
^ — ОН
У
/Л
п-Кумарил -СоА
Нарингенин (флаванон)
Рис. 14.11. Конденсация трех молекул малонилСоА и одной молекулы л-кумарил-СоА с образо­
ванием халкона или флаванона (трудно опреде­
лить, какой из них является первичным продук­
том, поскольку между халконом и флаваноном
быстро устанавливается равновесие).
н,о
Н
{""D
То
Рис. 14.12. Стереохимический ход реакций, ката­
лизируемых
халкон-флаванон—изомеразой.
a-реакция, происходящая в Н20 с халкоиом, ме­
ченным дейтерием по о-атому углерода; б-реак­
ция, происходящая в 2НгО с немеченым халконом.
стадию гипотетического халконэпоксида.
Дибензоилметаны такого типа, как пока­
занные на рис. 14.14, представляют собой
природные соединения, которые химиче­
ским путем легко превращаются во флавоны. Халконэпоксиды легко превращаются
в дибензоилметаны фотохимически. Дигидрофлавонолы служат, по-видимому, пред­
шественниками флавонолов (рис. 14.13, г),
поскольку в опытах с использованием изо­
топной метки было, например, установлено
превращение дигидрокверцетина (дигидрофлавонола) в кверцетин (флавонол) [уравне­
ние (14.1)]. Энзимология этой реакции пока
еще не ясна, но вполне возможно, что в ней
участвуют ферменты пероксидазного типа.
Г.--------1
fпиши//
/у
D ,0
_
Н
4. Изофлавон
В опытах с использованием изотопной
метки было установлено, что в процессе
образования изофлавонов происходит пере­
мещение арила от С-2 к С-3. Эксперименты
с ( 14СООН)-, (а-14С)- и (Р*1^ - ф е н и л ­
аланином показали, что распределение мет­
ки в молекуле образующегося в красном
клевере формононетина носит такой харак­
тер, как это показано на рис. 14.15. Это рас­
пределение согласуется с перемещением
арила. Об участии халконов в этом синтезе
свидетельствует тот факт, что из меченого
4,2',4',6'-тетрагидроксихалкона образуется
меченый генистеин [уравнение (14.2)]
(рис. 14.13, ж). Механизм, с помощью кото­
рого осуществляется перемещение арила,
пока еще не выяснен.
Ротеноиды являются производными
изофлавонов; на рис. 14.16 показаны ос­
новные реакции, ведущие к образованию ротенона из формононетина.
Рис. 14.13. Общая схема биосинтеза флавоноидов из халконов.
5. Антоцианидины
В опытах с интактными растениями и
с суспензионной клеточной культурой при­
менение изотопной метки показало, что дигидрофлавонолы служат предшественника­
ми антоцианидинов (рис. 14.13,д). Меха­
низм этого процесса неизвестен, но, по­
скольку оба соединения находятся в одной
и той же степени окисленности, была пред­
ложена схема, включающая неокисли­
тельные стадии (рис. 14.17). Превращение
дигидрофлавонолов в антоцианидины еще
должно быть продемонстрировано в опы­
тах с ферментными системами. Вполне воз­
можно, что природные 3-дезоксиантоцианидины, например апигенинидин (14.57), обра­
зуются из флавонов (рис. 14.13, г), но пока
еще этот процесс не исследован,
жк ^
.о н
-он
ОН
о
О
Халкон
Халкон эпоксид
н,о
L
О
Ф лавон
Рис. 14.14. Возможные пути превращения халкона во флавон.
14с - суб стра т
{L-Фенилаланин)
Распределение м етки в изофлавоне
формононетине
% о т общего числа им­
пульсов в указанном положении формононетина
но
но—с
оII
т жNH,
осн.
93
осн.
82
v
н
п
Н,С-
/
НО— С ^ C'"NH
И Н
h, i^
но—С
н
Q
Рис. 14.15. Распределение метки в изофлавоне
формононетине, который образуется в красном
клевере из меченного в различных положениях
фенилаланина. Знаком • показан 14С.
осн.
96
Формононетин
ОСНз
Замыкание кольца
1
Рис. 14.16. Биосинтез ротенона из изофлавона че­
рез промежуточную стадию формононетина.
SAM - S-аденозилметионин.
дигидроф лавонол
Антоиианидии
Рис. 14.17. Предполагаемый неокислительный
механизм превращения дигидрофлавонолов
в антоцианидины.
6. Ауроны
Халконы служат предшественниками ау­
ронов (рис. 14.13,з); исследования с бесклеточными системами из Cicer показали, что
в этом процессе участвует пероксидаза-подобный фермент, а ход реакции может быть
таким, как показано на рис. 14.18.
7. Катехины и флаван-3,4-диолы
В противоположность флавоноидам,
рассмотренным ранее, катехины и флаван-3,4-диолы находятся на более низком
уровне окисленности, чем халконы. Однако
катехины образуются из халконов через
промежуточную стадию дигидрофлавонолов (рис. 14.13, и). Так, например, в листьях
чая халкононарингенин (14.58) превращает­
ся в эпикатехины, а 1,2-дигидрокемпферол
(табл. 14.3)-в катехины (табл. 14.3). О ме­
ханизмах, принимающих участие в образо­
вании различных стереоизомеров соедине­
ний, относящихся к семейству катехинов,
известно пока мало. Немного известно так­
же и о биосинтезе флаван-3,4-диолов, но, по­
скольку они встречаются в природе в виде
различных стереоизомеров, они могли бы,
вероятно, образовываться путем окисления
эпимеров катехинов (рис. 14.13, к), а не пря­
мо из флавонолов.
Причина, по которой флаван-3,4-диолы
иногда называют проантоцианидинами,
обусловлена их легким превращением в антоцианидины при нагревании с кислотой.
Однако биогенетической связи между этими
двумя типами соедгаений нет.
8. Вторичные модификации
а. Гидроксилирование
Основную картину гидроксилирования
можно проиллюстрировать на примере
структуры халкононарингенина (14.59). Ги­
дроксилирование при С-4 (нумерация халко­
нов) почти универсально. Из этого следует,
что и-кумаровая кислота служит обычным
предшественником
фенилпропанового
остатка флавоноидов. Распределение ги­
дроксильных групп, наиболее часто встре­
чающееся в кольце А (С-2', С-4', С-6'; нуме­
рация халконов), согласуется с его поликетидным происхождением (см. рис. 14.10).
Хотя соединения с такой картиной гидрок­
силирования широко распространены, из­
вестны и соединения, в молекулах которых
отсутствует гидроксил при С-5 (нумерация
флавоноидов). Такие соединения особенно
характерны для бобовых растений. Это,
в частности, физетин (14.59) из Rhus spp.
Генетические исследования показали,
что удаление гидроксильной группы при
С-5, по-видимому, происходит на стадии поликетида и, несомненно, на более поздней
стадии халкона, поскольку наличие гена,
контролирующего это удаление, затраги­
вается одинаково в случае всех флавонои­
дов. Далее опыты с меткой показали, что
у растений 5-дезоксихалконы в норме дают
начало только 5-дезоксифлавоноидам.
Известны также флавоноиды с дополни­
тельными
гидроксильными
группами
в кольце А, например галетин [ОН при С-8
(14.60)] и гибисцетин [ОН при С-8 (14.61)] из
растений Galega и Hibiscus соответственно.
В отличие от удаления ОН-группы от С-5
присоединение ОН-группы при С-6 и С-8
осуществляется уже после образования хал­
кона.
Известны также многие флавоноиды
с дополнительными гидроксильными груп­
пами при атомах С-3' и С-5' в кольце В [на­
пример, физетин (14.59) и гибисцетин
(14.61)]. Хотя причины этого явления пока
не выявлены, исследования с изотопной
меткой показали, что эти дополнительные
гидроксильные группы появляются на ста­
дии халкона; однако у некоторых видов
происходит и эффективное включение гидроксилированной п-кумаровой кислоты.
Механизм гидроксилирования in vivo не вы­
яснен, но in vitro очищенные фенолазы3, на­
пример фенолазы из листьев салатной
Халкон
Н
\
н*
Аурон
Рис. 14.18. Предполагаемые механизмы превра­
щения халконов в ауроны, катализируемого пероксидаза-подобными ферментами. От напра­
вление оттяжки одного электрона; /'"Ч напра­
вление оттяжки электронной пары; Н -водо­
родный радикал, отщепляющийся под действием
фермента.
свеклы, могут гидроксилировать 4'-гидроксифлавоноиды. Вместе с тем генетические
исследования показали, что могут суще­
ствовать отдельные гидроксилирующие
ферменты для различных видов флавоноидов. Так, например, ген М у Antirrhinum
определяет картину гидроксилирования
флавонов, но не ауронов.
клевера подземного накапливает изофлавоны дайдзеин (14.62) и генистеин (14.63),
тогда как исходная разновидность содержит
большие количества таких метилированных
производных, как формононетин (14.64),
биоханин А (14.65) и пратензеин (14.66). Од­
нако метилированные флавоны с метильной
группой при С-3' содержатся в одинаковой
О
(14.62) R=H
(14.64) R=CH,
б. О-метилирование
Известно много О-метилированных
флавоноидов, например сирингетин (14.46).
Нет сомнений, что стадия метилирования
находится в самом конце биосинтетической
последовательности реакций. Метилирова­
ние катализируется обычными метилтрансферазами с S-аденозилметионином в каче­
стве донора метильных групп, однако
ферменты проявляют специфичность по от­
ношению к гидроксильным группам в раз­
личных положениях. Так, например, мутант
ОН
о
(14.63) R=R'=H
(14.65) R=CH3; R'=H
(14.66) R=CH,; R'=OH
степени и в исходной разновидности, и в му­
танте. Эти исследования показали, что ме­
тилирование происходит на поздних ста­
диях и что в клевере есть метилазы,
специфичные к положению гидроксильной
группы.
в. 0-гликозилирование
Из суспензионной клеточной культуры
петрушки были получены специфические
гликозилтрансферазы, использующие UDP-
UDP-г л ю к о э а
udp
он
НО
О
СООН
СН2ОН Q
со о н
I
СН]
CoASH
,
но
у
0=C-SCoA
6
^
НО
он
ОН
Апигенин -7 -О-апиоэилглюкозидмалонат (апиин)
Рис. 14.19. Стадии биосинтеза апигенин-7-Оапиозилглюкозидмалоната,
ацилированного
флавонбиозида. Точное положение малонипьного остатка в глюкозной части молекулы не было
определено, но его поместили в б'-О-положение
по аналогии с известным б'-О-малонилизофлавонглюкозидом, содержащимся у TYifolium spp.
сахара. UDP-глюкоза: флавон—7-О-глюкозилтрансфераза специфична в отношении
7-О-положения и катализирует первую ста­
дию образования апигенин-7-О-апиозилглюкозидмалоната (рис. 14.19), т.е. стадию
образования апигенин-7-О-глюкозида (рис.
14.19, а). Он в свою очередь превращается
в 7-О-апиозилглюкозид в присутствии
U D P-апиоза-флавон—апиозилтрансферазы4 и UDP-апиозы (рис. 14.19,6). Фер­
мент специфичен в отношении UDP-апиозы,
которая образуется из UDP-глюкуронида
путем декарбоксилирования и перегруппи­
н
он
\} Ъ ? - ъ - г л ю к у р о к о в а я к и с л о т а
ровки [уравнение (14.3)]. Конечная стадия
на рис. 14.19 не гликозилирование, а этерификация глюкозного остатка малонил-СоА.
г. С-гликозилирование
С-гликозиды наиболее распространены
среди флавонов; присоединение остатка са­
хара происходит у них на ранних стадиях
биосинтеза, скорее всего на стадии халкона.
Исследования с изотопами показали, что
14С-апигенин
включается,
например,
у Spirodela только в О-гликозиды, но не в Сгликозиды,
тогда
как
нарингенин
(табл. 14.3), который находится в равнове­
сии с халкононарингенином (14.58) (см.
рис. 14.13), включается и в С-, и в О-глико­
зиды. Далее С-гликозиды могут О-гликозилироваться. Механизм С-гликозилирования
неизвестен, но, очевидно, в нем участвуют
UDP-caxapa.
НО
он
UDP-D- апиоза
д. С-алкилирование
С-метилированные флавоноиды встре­
чаются относительно редко, и в литературе
нет никаких данных о биосинтетических ис­
следованиях в этой области. Типичным при­
мером таких соединений служит сидероксилин (14.67) из Eucalyptus spp, содержащий
еще и О-метильную группу.
J1). Исследования с фенолазами in vitro по­
казывают, что катехины окисляются через
промежуточную стадию хинона (рис.
1420, а)
и
6'8-связанного
димера
(рис. 14.20,6),
образуя
полимер
(рис. 14.20, в). В коре дуба содержится при­
родный 6',8-связанный димер. Существуют
такие реакции полимеризации, которые выОН
(1468)
У 60 флавоноидов, типичным примером
которых является мульбергин (14.68) из
коры Morus alba, встречается изопренилирование атомов углерода. Поскольку для син­
теза терпенов характерно образование свя­
зей С—С (гл. 11), наличие С-изопентенильных остатков в составе флавоноидов не
вызывает удивления. Хотя о механизме про­
цесса изопренилирования пока ничего не­
известно, можно предположить, что, как
и при биосинтезе терпенов, субстратом спе­
цифической пренилтрансфер азы служит
изопентенилпирофосфат.
е. Ферментативная полимеризация
Полимеризация флавоноидов имеет ме­
сто только в случае повреждения клеток,
когда флавоноиды приходят в соприкосно­
вение с фенолазами и другими ферментами,
подобными фенолазам. Исключение соста­
вляют лишь природные бифлавонилы (разд.
зывают быстрое побурение поврежденных
растительных тканей, превращая бес­
цветные предшественники в бурые поли­
меры.
К. ЛИГНАНЫ И НЕОЛИГНАНЫ
I. Природа и распространение
Название лигнан было предложено
в 1936 г. для обозначения встречающихся
в природе фенилпропаноидных димеров.
У них (Сб- С 3)-единицы соединены между
собой связями С—С между средними ато­
мами углерода боковых цепей (14.69).
На примере дигидрогваяретовой кис­
лоты (14.70) проиллюстрированы два спосо­
ба изображения основной структуры; при
этом показана и нумерация боковой цепи.
Все лигнаны обладают хиральными центра­
ми в положениях С-2 и С-3, причем для мно­
гих лигнанов выяснена абсолютная конфи-
С -Н
ОСН,
НО
(14.72)
носн, сн,он
(14.73)
О
С
(14.76)
гурация. Так, например, пинорезинол
(табл. 14.1) обнаружен в ассоциированном
виде со своими эпимерами диапинорезинолом и эпипинорезинолом (14.72). Пинорезинолы могут служить примером харак­
терных структурных особенностей лигнанов, обладающих фурановым кольцом.
Другие структурные особенности наблю­
даются в оливиле (14.73), на долю которого
приходится до 50% смолистого эксудата
маслиновых деревьев, и в ларицирезиноле
(14.74) из смолы Larix decidua, у которого
одна или две метильные группы окислены
в гидроксиметильные группы. В некоторых
соединениях, как, например, в конидендрине
(14.75), между боковой цепью и ароматиче­
скими остатками имеются дополнительные
связи С—С.
Неолигнаны состоят из двух (Сб— С 3У
единиц, присоединенных «голова к хвосту»
(14.76), а не «хвост к хвосту», как в лигнанах
(14.69). Типичным примером неолигнанов
служит эусидерин (табл. 14.1), который вы­
деляют
из
древесины
Magnoliaceae,
Piperaceae и Lauraceae.
II. Биосинтез
О биосинтезе лигнанов известно немно­
го. Хотя совершенно очевидно, что лигнаны -это соединения, родственные лигнинам, они не могут синтезироваться по
механизму, связанному с образованием сво­
бодных радикалов и участвующему в био­
синтезе лигнинов (гл. 4, разд. Г.Н; рис. 4.28
и 4.29), поскольку в их молекуле есть хиральные центры. На рис. 14.21 показан воз­
можный механизм, включающий восстано-
но.
Рис. 14.20. Возможные пути окисления катехинов
фенолазами в бурые полимерные продукты.
(С О О Н
I и ли
1 C H j ОН
ЛИ ГН А Н Ы
(* = хиральныи центр
Рис. 14.21. Возможные пути биосинтеза лигнанов
с участием стереоспецифической восстановитель­
ной конденсации (С6—С3)-соединений с ненасы­
щенными боковыми цепями.
жит
аментофлавон
(3',8"-биапигенин)
(табл. 14.1). О механизме их образования
ничего неизвестно.
М. ТАННИНЫ
вительное
присоединение
двух
(Сб- С 3)-единиц с ненасыщенными боковы­
ми цепями.
Л. БИФЛАВОНОИДЫ
Многие растения обладают способ­
ностью к димеризации флавоноидов в бифлавоноиды путем образования углеродуглеродных связей. Известно свыше 60
таких соединений, причем их распростране­
ние в значительной степени ограничено го­
лосеменными растениями. Наиболее ти­
пичным представителем этой группы слу-
I. Строение
Название таннин было предложено
в 1796 г. для обозначения группы соедине­
ний, которые содержатся в некоторых расте­
ниях, использовавшихся для дубления
шкуры животных при изготовлении кожи.
Слово «tan» происходит от латинской
формы кельтского названия дуба, поскольку
из коры дуба получают обычный ду­
бильный экстракт. Наилучшими дубильны­
ми свойствами обладают соединения с мол.
массой от 500 до 3000, содержащие в доста­
точном количестве фенольные гидрок-
сильные группы (1-2 на 100 ед. молекуляр­ 1. Гидролизуемые танины
ной массы), необходимые для образования
Ядром гидролизуемых таннинов являет­
эффективных перекрестных связей с белка­ ся полиоксиалкоголь; обычно (если не всег­
ми. Простые фенольные соединения слиш­ да) глюкоза, этерифицированная или галло­
ком малы, чтобы образовывать столь эф­ вой кислотой (рис. 14.2) с образованием
фективные перекрестные связи, хотя они галлотанинов, или гексагидроксидифеновой
и могут адсорбироваться на белках, тогда кислотой (14.77) с образованием эллаготакак соединения с очень большой молекуляр­
нинов. Однако, согласно последним данным,
ной массой неэффективны, так как они не эллаговая кислота (14.78)-это артефакт,
способны проникать между волокнами кол­ образующийся в результате лактонизации
лагена в шкуре животных.
гексагидроксидифеновой кислоты. Следова­
Таннины и другие полифенолы предста­ тельно, и само название «эллаготанин»
вляют собой немалую неприятность для эн- неправомочно.
зимологов, работающих с растительными
Простейшим примером гидролизуемого
экстрактами: когда эти соединения высво­ таннина служит китайский таннин из сумаха
бождаются из какой-либо части клетки (Ruhs sp.). Глядя на одну из возможных его
в процессе получения растительных экстрак­ структур (14.79), легко себе представить, что
тов, они могут дубить ферменты, высвобо­ при осторожном гидролизе кислотой или
ждающиеся в то же самое время из другой ферментом можно получить только галло­
части клетки. Этой неприятности можно вую кислоту и глюкозу.
в значительной мере избежать, добавляя
к экстрагирующей среде поливинилпирро2. Конденсированные таннины
лидон в одной из его различных форм.
Конденсированные таннины могут обра­
Таннины подразделяются на две глав­
ные группы: гидролизуемые таннины и кон­ зоваться только из фенолов флавонового
денсированные таннины (негидролизуемые). типа. Их часто называют флаволанами, поО
СООН
соон
о
ОН
скольку они представляют собой полимеры
флавонов,
таких,
как
флаван-3-ол
(табл. 14.3) или флаван-3,4-диолы (про- или
лейкоантоцианидины) (табл. 14.3). В отли­
чие от гидролизуемых таннинов они никогда
не содержат остатков сахара. Димер процианидина, к которому присоединены дру­
гие молекулы флаванов, как указано в фор­
муле (14.80), представляет собой типичный
пример конденсированного таннина. При
обработке гидролитическими агентами кон­
денсированные таннины не дают скольконибудь значительных количеств низкомо­
лекулярных соединений; наоборот, они име­
ют тенденцию полимеризоваться (особенно
в кислоте) с образованием аморфных, час­
то окрашенных в красный цвет соединений,
называемых флобафенами.
II. Распространение
В незначительных количествах таннины
широко распространены, но чрезвычайно
большое содержание гидролизуемых танни­
нов (45% на сухую массу) обнаружено
в стручках цезальпинии коротколистной
('Caesalpinia brevifolia) и цезальпинии дубиль­
ной (С. coriaria). Подобные концентрации
конденсированных таннинов найдены в коре
эвкалиптов и мангрового дерева (Rhizophora
sp.). В патологически измененных тканях об­
наружены еще более высокие концентрации
таннина; так, например, галлы на листьях
Rhus semialata накапливают до 64% гидро­
лизуемых танинов.
из D. concentrica изображена формулой
(14.81). Этот меланин образуется при окис­
лении 1,8-дигидроксинафталина, поскольку
у D. concentrica наряду с соединением (14.81)
образуется также черный хинон (14.82).
Меланины животных тканей, назы­
ваемые эумеланинами, образуются, в сущно­
сти, путем полимеризации индол-5,6-хинона
(14.83), который образуется из аминокис­
лоты тирозина при действии на него тирозиназного ферментного комплекса. Неко­
торые растительные меланины, особенно те,
которые образуются при повреждении кле­
ток, по-видимому, представляют собой эумеланины, но доводы в пользу этого пред­
положения носят лишь косвенный характер,
поскольку в основе их лежат данные об
одновременном присутствии субстрата,
фермента и меланина в затронутых повре­
ждением частях растения. В отличие от
катехоламинов молекулы эумеланинов со­
держат азот.
О. РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ФЕНОЛОВ
Биохимические исследования по регуля­
ции любой клеточной активности могут
быть выполнены только при условии, что
энзимология данной системы точно устано­
влена. Между тем определение ферментов
синтеза фенольных соединений у интактных
высших растений не проводилось, хотя
в случае культуры растительных тканей
в этот вопрос внесена некоторая ясность.
Ключевым ферментом в этих исследова­
ниях является фенилаланин—аммиак-лиаза5 (ФАЛ), под действием которого, как
III. Биосинтез
указывалось ранее, образуется коричная
О
реакциях, происходящих при биосин­кислота-предшественник лигнина (гл. 4,
тезе таннинов, неизвестно никаких подроб­ разд. Г. II), некоторых алкалоидов (гл. 13,
ностей.
разд. B.VI.2,6) и растительных фенолов.
Установлено, что активность фенилала­
Н. МЕЛАНИНЫ
нин— аммиак-лиазы контролируется фито­
Термин меланин часто используют в об­ хромом (гл. 12). Активность этого фермента
щем смысле для обозначения темно-корич­ в бутонах этиолированных проростков го­
невых или черных природных пигментов. роха значительно увеличивается после их
Однако это понятие включает много раз­ экспонирования на красном свету; однако
личных структур. Характерные для расте­ если после обработки красным светом сле­
ний меланины называют катехолмеланина- дует освещение дальним красным светом,
ми, поскольку они при сплавлении со то повышение активности не наблюдается.
щелочами дают катехол. Такого типа соеди­ Было показано, что этот эффект направлен
нения обнаружены в семенах Helianthus на мРНК для фенилаланин—аммиакannuus и Citrullus vulgaris, в спорах Ustilago лиазы.
maydis, а также в аскомицете Daldinia
Проблема, которую следует обсудить
concentrica. Возможная структура меланина для интактного растения, состоит в том, что
чается по субстратной специфичности, и, хо­
тя его непосредственное участие в биосинте­
зе флавоноидов пока еще не нашло подтвер­
ждения, оно все же кажется весьма ве­
роятным, поскольку единственная 4-кумарат : СоА—лигаза, присутствующая в куль­
туре клеток петрушки и специфичная для
биосинтеза флавоноидов, по свойствам бы­
ла сходна со вторым ферментом из культур
соевых бобов.
Изомеразы в значительной степени ин­
гибируются АМР, причем степень ингиби­
рования зависит также от количества при­
сутствующей АТР; из этого следует, что оба
пути могут контролироваться энергетиче­
ским зарядом клетки.
П. ФУНКЦИИ ФЕНОЛОВ
I. Биохимические функции
Пока еще нет оснований утверждать, что
фенолам принадлежит ключевая биохими­
ческая роль в росте и развитии растений, хо­
тя некоторые данные в пользу этого предпо­
ложения все же имеются. Кроме лунуларовой кислоты (табл. 14.1), которая, очевидно,
в роли фитогормона заменяет абсцизовую
кислоту у печеночников (гл. 15, разд. Д), не­
известно ни одного фенола, в отношении ко­
торого было бы точно установлено, что он
оказывает первичное гормональное дей­
ствие. Однако имеется много данных об их
действии in vitro на некоторые гормоны или
ферментные системы, связанные с синтезом
гормонов или их действием. Проявляется ли
такое их действие in vivo, пока неизвестно.
Возможно, наиболее очевидная функция фе­
нолов это образование этилена из метиони­
на (гл. 15, разд. E.IV )-процесс, в котором
эфир и-кумаровой кислоты играет роль не­
обходимого кофактора.
II. Экологические функции
Сейчас хорошо известно, что флавоноидные пигменты играют важную роль
в опылении цветков и рассеивании семян,
поскольку своей окраской они привлекают
птиц и насекомых. Однако и бесцветные
флавоны, и флавонолы, которые повсемест­
но присутствуют в цветках, также играют
важную роль в привлечении насекомых, так
как они поглощают ближний ультрафиолет,
который могут воспринимать насекомые.
В черноглазой рудбеккии (Rudbeckia hirta),
например, такие флавоноиды локализованы
только у основания лепестков. Однако ха­
рактерное для них сильное поглощение
в области 240-380 нм помогает насекомымопылителям, например пчелам, находить
центр цветка, где содержится пыльца
и нектар.
Флавоноидам присущи и другие виды
активности. Так, в частности, они могут дей­
ствовать в качестве аллелопатических аген­
тов (экскреторных продуктов, которые мо­
гут быть аутотоксичны или воздействовать
на соседние растения), например салицило­
вая кислота (14.84) у Quercus falcata. Флаво­
ноиды могут играть роль пищевого детер­
гента, например таннины. Они могут вы­
полнять функцию антимикробных агентов,
как, например, лютеон (14.85) в люпине, или
выступать в роли фитотоксинов, например
орхинол (14.86) у Orchia militaris.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Общие вопросы
Нагborne J. В. (1980). In Encyclopaedia of Plant
Physiology, vol. 8, p. 329, Springer, Heidelberg.
Swain T. (1976). In Chemistry and Biochemistry of
Plant Pigments (Goodwin T. W., ed.), vol. t,
Academic Press, p. 425.
Harborne J.B., Mabry T.J., Mabry H. (eds.) (1975).
The Flavonoids, Chapman and Hall, London.
Биосинтез
Wong E. (1976). In Chemistry and Biochemistry of
Plant Pigments (Goodwin T. W., ed.), vol. 1,
Academic Press, p. 464.
Hahlbrock K., Grisebach H. (1979). Ann. Rev. Plant
Physiol., 30, 105.
Функция
Harborne J. В. (1976). In Chemistry and Bio­
chemistry of Plant Pigments (Goodwin T. W., ed.),
vol. 1, Academic Press, p. 736.
ФЕРМЕНТЫ
1. Шикимат: NADP + —3-оксидоредуктаза,
КФ 1.1.1.25.
2. Флаванон-лиаза (дециклизующая), КФ
5.5.1.6.
3. Бензолдиол : кислород—оксидоредуктаза, КФ 1.10.3.2.
4. UDP-апиоза: 7-0-Р*0-глюкозил-5,7,4'тригидроксифлавон—апиофуранозилтрансфераза, КФ 2.4.2.25.
5. L-фенилаланин—аммиак-лиаза, КФ
4.3.1.5.
Ф итогормоны и родственные соединения
А. ВВЕДЕНИЕ
Термин гормон был введев 1902 г. Байлиссом и Старлингом (Bayliss, Starling) для опи­
сания вещества, образующегося у высших
животных, которое в настоящее время назы­
вается секретином. Секретин - это низкомо­
лекулярный
белок,
синтезирующийся
в клетках слизистой оболочки двенадцати­
перстной кишки. Когда кислое содержимое
желудка изливается в двенадцатиперстную
кишку, эти клетки стимулируются и на­
чинают выделять секретин в кровь близко­
расположенных капилляров. Попав в крово­
ток, секретин разносится с кровью по всему
организму. Достигнув поджелудочной же­
лезы, он стимулирует ацинарные клетки, ко­
торые начинают обильно выделять подже­
лудочный сок. По протокам поджелудочной
железы поджелудочный сок попадает в по­
лость тонкого кишечника, где участвует
в переваривании пищи.
Слово «гормон» происходит от грече­
ского корня, означающего «возбуждать»
или «вызывать». Первоначально считалось,
что гормон «возбуждает» поджелудочную
железу, стимулируя ее секретировать подже­
лудочный сок. Однако, как сейчас известно,
не все гормоны «возбуждают»; некоторые
из них оказывают противоположное дей­
ствие-они обладают не стимуляторным
действием, а ингибиторным. В частности,
и сам секретин помимо когда-то установ­
ленного стимулирующего действия обла­
дает еще и ингибиторной активностью. Он
подавляет выделение соляной кислоты обкладочными клетками слизистой оболочки
желудка. Этот пример служит иллюстра­
цией гому, как данный гормон, будучи спо­
собным стимулировать определенный про­
цесс в клетках одного типа, может наряду
с этим подавлять другой процесс (а в неко­
торых случаях тот же самый процесс) в клет­
ках другого типа.
Термин «гормон» в своем первоначаль­
ном значении относится к химическому ве­
ществу животного происхождения, которое
синтезируется в ничтожно малом количе­
стве и затем секретируется в таком же нич­
тожно малом количестве в поток крови
и разносится кровью в клетки удаленных
органов или тканей, вызывая изменения в их
структуре и (или) функции. Ткань, произво­
дящая гормон, называется «эндокринной»тканью, а ткань, на которую воздействует
гормон, называется тканью-мишенью.
По своему строению гормоны высших
животных подразеделяются на три класса:
1) производные аминокислот, например гор­
моны щитовидной железы (тироидные гор­
моны) и катехоламины; 2) пептиды, напри­
мер гормоны гипоталамуса и гипофиза и 3)
стероидные гормоны, например гормоны
коры надпочечника (кортикостероиды), ан­
дрогены и эстрогены. Однако, исходя из
действия на молекулярном уровне, все гор­
моны можно подразделить на два класса.
Гормоны первого класса, к которым от­
носятся катехоламины и пептидные гор­
моны, действуют на наружную поверхность
плазматической мембраны клеток тканимишени : они не проходят через плазматиче­
скую мембрану и не попадают в клетку,
а обратимо связываются с рецепторной мо­
лекулой, обычно с белком, расположенным
на наружной поверхности плазматической
мембраны. Рецепторные молекулы находят­
ся только в мембранах клеток-мишеней;
каждый гормон имеет свой специфический
рецептор. Образующийся комплекс гор­
мон—рецептор затем активирует нуклеотидил-циклазу, локализованную во внутрен­
ней поверхности плазматической мем­
браны. Активированная нуклеотидил-циклаза катализирует образование 3': 5'-циклического нуклеотида (т.е. 3',5'-циклический АМР) в цитоплазме. Это в свою
очередь запускает каскад событий, которые,
усиливая возникший гормональный сигнал,
приводят к активации одних ферментов
и инактивации других; ферменты, испыты­
вающие на себе воздействие гормона, специ­
фичны как в отношении гормона, так и в от­
ношении клетки-мишени. Ферменты, ко­
торые активированы (т. е. включены)
и инактивированы (т. е. выключены), катали­
зируют скорость-лимитирующие этапы
важных метаболических процессов. Таким
образом этот класс гормонов оказывает
влияние на клетки-мишени путем включе­
ния одних процессов метаболизма и выклю­
чения других. Поскольку рассмотренный
механизм регуляции включает в себя акти­
вацию или инактивацию ферментных моле­
кул, уже присутствующих в клетках, и не
требует синтеза новых ферментных моле­
кул, реакция на гормоны этого типа бывает
быстрой.
Второй класс гормонов высших жи­
вотных, включающий в себя стероидные
гормоны и гормоны щитовидной железы,
способен проникать в клетки-мишени.
В действительности они могут проникать
внутрь всех клеток и выходить из них, по­
скольку их липофильная природа позволяет
им проходить через липидный бислой плаз­
матической мембраны. Однако только в со­
ответствующих
им
клетках-мишенях
имеются связывающие их рецепторные мо­
лекулы-условие, необходимое для проявле­
ния биологического действия гормонов.
Роль таких рецепторных молекул играют
белки, которые в большинстве случаев рас­
положены в цитозоле. Каждый гормон
имеет свой собственный специфический ре­
цептор. Гормоно-рецепторный комплекс
перемещается в ядро обычно после незначи­
тельной модификации его белковой части.
Оказавшись в ядре, он включает специфиче­
ские гены. Эти включенные гены затем
транскрибируются в соответствующие
мРНК, которые переходят в цитозоль, где
они транслируются с образованием специ­
фических белков. Это могут быть струк­
турные белки или ферментные. В послед­
нем случае образовавшиеся белки (фермен­
ты) катализируют скорость-лимитирующие
этапы в цепи важных метаболических реак­
ций, но в обоих случаях они часто связаны
с ростом (одна из характерных реакций на
андрогены и эстрогены). Поскольку этот
класс гормонов осуществляет регуляцию
путем синтеза новых ферментных молекул,
то ответная реакция при этом является от­
носительно медленной.
По мере того как наши представления
о регуляторном воздействии гормонов на
различные функции организма высших жи­
вотных расширяются, становится все более
очевидным, что между гормонами суще­
ствует тесная взаимосвязь; действие одних
гормонов антагонистично действию других.
Например, нормальное содержание глю­
козы в крови (80 мг/100 мл крови) поддер­
живается действием нескольких гормонов,
одни из которых (т. е. глюкагон и глюкокортикоиды) повышают содержание глюкозы
в крови, а другие (т.е. инсулин) понижают
содержание глюкозы. Сходный по тонкой
организации баланс поддерживается между
отложением кальция в костях и его резорб­
цией под действием кальцитонина и паратгормона, которые обладают антагонистиче­
ским действием.
Поскольку существует первоначальное
значение термина «гормон», то примени­
тельно к растениям его следует использо­
вать с осторожностью. Очевидно, что пер­
воначальное определение термина «гор­
мон» не может относиться к веществам,
которые известны как растительные гор­
моны (или фитогормоны), поскольку расте­
ния не имеют системы кровообращения.
Тем не менее, исходя из этого определения,
можно поставить ряд вопросов о данном
фитогормоне, на которые физиологам
и биохимикам следует ответить, а именно:
1) какой внутренний или внешний стимуля­
тор вызывает их синтез и (или) секрецию, 2)
в какой внутриклеточной органелле, в каком
типе клетки, в какой части растений он син­
тезируется, 3) какова его ткань-мишень; 4)
как он перемещается - из клетки в клетку
или по сосудистым тканям, 5) в чем состоит
его физиологическое действие и 6) каким
образом его физиологическое действие осу­
ществляется на молекулярном уровне?
У растений различают пять основных
гормонов (или групп гормонов): 1) ауксины,
2) гиббереллины, 3) цитокинины, 4) абсцизовая кислота и 5) этилен. В общем смысле
ауксины,
гиббереллины,
цитокинины
являются стимуляторами роста растений,
тогда как абсцизовая кислота и этилен-ин­
гибиторы роста растений.
Было постулировано существование
и других фитогормонов. И действительно,
наличие некоторых из них доказано доволь­
но убедительно, но пока они еще не выде­
лены и не идентифицированы. Вероятно, на-
иболее удачный прим ер-это флориген,
гормон, который предположительно обра­
зуется в листьях при благоприятной длине
дня и перемещается в меристему стебля, где
и вызывает цветение.
Кроме того, у высших и низших расте­
ний образуется много различных веществ,
которые обладают выраженным стимуляторным или ингибиторным действием на
рост высших растений, когда их вводят эк­
зогенно в очень низких концентрациях. Хотя
сомнительно, чтобы эти соединения регули­
ровали бы рост растения in vivo, все же неко­
торые из них вкратце описаны в разд. Ж.
Низшие растения также продуцируют гор­
моны, большинство из которых, по-видимому, связано с регуляцией их полового вос­
произведения; некоторые из этих гормонов
также кратко описаны в разделе Ж.
Б. АУКСИНЫ
I. Открытие и характеристика
Первые из гормонов растений, которые
были исследованы-это ауксины. История
их открытия восходит к 1880 г., когда
Чарльз Дарвин и его сын Фрэнсис изучали
фототропизм, изгиб растений по отноше­
нию к источнику света. В этой работе они
использовали проростки декоративного
растения канареечника канарского (Phalaris
canariensis), колеоптили которого строго
фототропичны. К олеоптиль-это защитный
чехол, покрывающий первые листья про­
ростков злаковых; он обычно имеет кониче­
скую форму с порой на вершине, через кото­
рую выходит лист, но у некоторых прими­
тивных злаков это открытий лист. Он
растет в основном за счет клеточного растя­
жения и является строго фототропичным.
С помощью экспериментов, отобра­
женных на рис. 15.1 .>4, отец и сын Дарвины
показали, что свет воспринимался только
верхушкой колеоптиля и что изгиб наблю­
дается в низшей части колеоптиля. Они сде­
лали вывод, что при воздействии света «не­
который стимул перемещается из верхней
части в нижнюю, заставляя нижнюю часть
изгибаться».
В 1913 г. Бойсен-Иенсен (Boysen-Jensen)
продемонстрировал с помощью экспери­
ментов, показанных на рис. 15.1.£, что это
влияние, постулированное Дарвинами, бы­
ло больше похоже на химическое, чем на фи­
зическое (т.е. электрическое). Он отделил
верхушку у колеоптиля овса, положил по­
верх срезанного конца пенька тонкий слой
желатина и затем положил на этот желатин
срезанную верхушку. Колеоптиль возобно­
вил свой рост, и когда верхушку освещали
светом с одной стороны, то пенек изгибался
к источнику света. Из этого можно было за­
ключить, что «стимул» был способен прой­
ти из верхушки через слой желатина в пенек
и, следовательно, представляет собой, повидимому, диффундирующее химическое
соединение.
Пааль
(Paal)
в
1919 г.
показал
(рис. 15.1.В), что это диффундирующее хи­
мическое соединение оказывало стимули­
рующее действие на рост в той части ко­
леоптиля, которая находилась непосред­
ственно под верхушкой. Он удалил верхуш­
ку колеоптиля (не повредив при этом
свернутого в трубку листа, находящегося
внутри него), затем поместил его асимме­
трично на пенек и удалил какой бы то ни бы­
ло источник света. Он обнаружил, что если
верхушку помещали слева, то пенек колеоп­
тиля изгибался вправо, и наоборот. Это по­
казывает, что химическое соединение из
верхушки диффундирует преимущественно
в ту часть колеоптиля, которая находится
непосредственно на ней, и побуждает его
расти быстрее, чем растет та часть колеоп­
тиля, которая не находится под верхушкой.
Этот асимметричный рост заставляет ко­
леоптиль изгибаться.
В 1926-1928 гг. Вент (Went) доказал, что
стимулятором роста является химическое
соединение, способное диффундировать. Ре­
шающий эксперимент проиллюстрирован
на рис. 15.1.Г. Вент поместил верхушки колеоптилей (сразу после удаления их) на слой
агара и оставил их там примерно на час. Он
затем снял верхушки и разрезал агар на ма­
ленькие блоки, которые расположил асим­
метрично на свежесрезанные колеоптильные пеньки и оставил их в темноте. Он
обнаружил, что колеоптильные пеньки изги­
бались влево, если агаровые блоки были
расположены вправо от центра, и наоборот.
Блоки чистого агара такого изгиба не вызы­
вали. Из этого можно было сделать вывод,
что рост-стимулирующее влияние прошло
из верхушки колеоптиля в агар и затем из
агаровых блоков в колеоптильные пеньки.
Опыт отчетливо показал, что «стимул»
имел химическую, а не физическую природу.
А. Опыты Ларвина и его сына по фототропизму(/8вО)
колеоптиль
(злака
изолированная Темный, непроз- прозрачный
(вер хуш ка
Мрачный ко л п а -S 'колпачок
ь
чок
д
>?■-~A/Vb
♦
—ЛЛЛ
—W
$
-~А/\Г
—АЛЛ/
I-
Непрозрач­
н а я пленка
6. Зксперементы байсен-Йенсена ( Boysen-Jensen, 19J3)
—. изолированная,_ слой желат ины
/
верхушка
Л
{
А
”
/^5^—ЛАД
Верхушка
В. Экстременты Пааля (Роае,1919) { колеоптиля
Скрученная
Л
без света
П
А
листовая ОД
пластинка
$
без света
изгиба (LB)
Г. Зксперементы Вента ( Went,1928)
Без
света
Рис. 15.1. Некоторые из основных экспериментов
по открытию ауксинов, f w v - свет.
поскольку физический стимул (т. е. электри­
ческий) не мог бы сохраниться в агаре.
Вент назвал это диффундирующее хими­
ческое соединение «ауксином» (от греч.
auxem - расти). Его эксперимент имел не­
сомненно очень важное значение, так как
впервые доказал наличие у высших расте­
ний аналогов гормонам животных. Более
того, на основе этого эксперимента был раз­
работан ауксиновый биотест (рис. 15.1.Г).
Следующим этапом было выделение
ауксина и его идентификация. Однако, не­
смотря на то что был разработан биотест
и что был известен источник ауксина, выде­
ё"
В основу биотеста
положен угол и зги­
ба, который возрос т ает с увеличением
количества ауксина
ление ауксина оказалось довольно трудной
задачей. Это объяснялось главным образом
следующими причинами: 1) не имелось ни­
каких сведений о химической структуре
ауксина, 2) его содержание в растительных
тканях было крайне низким и 3) в гомогенатах он разрушался под действием окисли­
тельных ферментов. Последнюю трудность
удалось преодолеть растиранием ткани
в хлороформе с добавлением 0,2 объема
1 М НС1. Конечный хлороформный эк­
стракт после упаривания содержит липоидный остаток, обладающий ауксиновой
активностью. Последняя затем экстрагиро­
валась водой. Идентификация ауксина зна­
чительно облегчилась, когда были обнару­
жены три соединения с ауксиновой актив­
ностью в моче человека. Один из них,
названны й гетероауксином , бы л в 1934 г.
идентифицирован как индолил-3-уксусная
ки сло та (рис. 15.4,IV). Т о обстоятельство,
что по своим свой ствам гетероауксин бы л
подобен ауксинам , экстрагированны м из
растительны х тканей, дало основание ду­
м а ть, что эти д ва соединения бы ли иден­
тичны . О днако то лько в 1972 г. с п ом ощ ью
масс-спектроскопии бы ло окончательно до­
казано, что диф фундирую щ ий ауксин (т.е.
ауксин,
дифф ундирующ ий
из
колеопти льн ы х верхуш ек в агар) б ы л индолил-3уксусной кислотой (И У К ). Д о этого, однако,
И У К бы ла идентифицирована с пом ощ ью
менее надежных м етодов во всех видах тк а ­
ней (например, в стеблях, корнях, почках,
листьях, сем ядолях и плодах). К о л и чество
И У К в растениях по р езультатам определе­
ния с пом ощ ью биотеста хроматограф иче­
ски очищ енных экстр актов колеблется в ин­
тервале 1-100 м г/кг сы рого веса ткани.
Х о т я И У К является, вероятно, основны м
ауксином , она, конечно, не единственное ве­
щ ество у растений, обладаю щ ее ауксиновой
активн остью . М н оги е из других ауксинов
п р ед ставляю т
собой
индольные
про­
изводные, близкие к И У К (например, индолил-3-ацетонитрил,
ИАН,
рис. 15.4,V II),
другие ж е-н еи н д ольн ы е (например, фенилуксусн ая кислота). И м енно из-за того, что
у растений обнаружено более чем одно со­
единение с ауксиновой акти вн остью , ф изио­
логи растений го во р ят об ауксинах (во м н о­
ж ественном числе) чащ е, чем об ауксине (в
единственном числе).
Аукси н ы , по-видимому, синтезирую тся
в основном в м еристем ны х тканях, таких,
как верхуш ки стебля и корня, развиваю щ ие­
ся л и стья, ц веты и плоды. О д нако ауксины
бы ли обнаруж ены в больш ей части расте­
н и я: это обусловлено тем , ч то они переме­
щ аю тся о т м еста своего синтеза к м есту
воздействия.
II. Движение ауксина в растении
1. Латеральный транспорт
И м е ю тся данные о латеральн ом пере­
движении ауксина в стебле и корне.
Л атеральное передвижение ауксина про­
исходит в верхуш ках колеоптилей (стебле­
вая тка н ь) в о тве т на свет. Э т о бы ло
установлено с п ом ощ ью экспериментов,
схематически показанны х н а рис. 15.2.А
Верхуш ки двух колеоптилей располагались
на агаровы х блоках, разделенных барьером,
непроницаемым д ля ауксина. В одной вер­
хуш ке (а) барьер частично делил верхуш ку,
тогда как в другой (б) барьер делил ее пол­
ностью на две части. Верхуш ки освещ али
то лько с одной стороны. К о л и чество при­
сутствую щ его ауксина в двух полублоках (а
и б) последовательно определяли с по­
м ощ ью биотеста по Вен ту. В двух п олубло­
ках из (б) количество ауксина бы ло одина­
ковы м . О днако полублок из (а), удаленный
от светового источника, содержал в три раза
больш е ауксина, чем то т полублок, которы й
бы л расположен ряд ом с источником света
и которы й в свою очередь содержал полови­
ну того, ч то содержали полублоки из (б).
Э т о показы вает, что свет вы зы вает лате­
ральное передвижение ауксина из освещ ен­
ной части верхуш ки колео птал я в затенен­
н ую часть. К а ки м образом это происходит,
неясно, хотя очевидно, это т процесс должен
вкл ю ча ть восприятие светового сти м ула
пигм ентам и верхуш ки (предположительно
картиноидам и и ф лавинами) и затем сопря­
жение этого процесса с транспортом аук­
сина.
Л атеральное
передвижение
ауксина
в стебле происходит такж е в ответ на дей­
ствие силы тяж ести . Есл и растение поло­
ж и ть на бок, то стебель изгибается вверх;
это отрицательная геотропическая реакция,
п оскольку побег отклон яется в сторону от
направления действия силы тяж ести. О бн а­
ружено, что у растений, располож енных го­
ризонтально, концентрация ауксина увели­
чи вается в нижней части стебля и ум ен ь­
ш ается в верхней части. Э т о заставл яет
н иж ню ю часть расти быстрее, чем верхню ю ,
и в результате стебель поворачивается
вверх. М еханизм этого процесса такж е не
изучен. Я сн о , что м еристем атические клетки
в верхушке стебля каким-то образом «чув­
ствую т» гравитацию , возм ож но, благодаря
ее действию на распределение внутрикле­
точн ы х включений; что приводит к избира­
тельн о м у передвижению ауксинов.
Л атеральное передвижение ауксина в о т­
вет на гравитацию происходит такж е и
в корне. К о р н и горизонтально располо­
женных растений и зги баю тся вн и з; это по­
лож и тельн ая геотропическая реакция, по-
А.Латеральное перемещение а упси на в верхушке колеоптиля
верхушка
колеоптиля
-Л Л /'
барьер
Агаровый
блок
W
LB = 16°
Ь
Z.0
= 6°
LB = 12°
L£ = 12°
6. Полярное перемещение ауксина бколеоптиле
' \
Агаробыи\
блок
Рис.. 15.2. Передвижение ауксина по колеоптилю ♦т/w - -свет, В-верхушка, О-основание;
большее число точек на единицу площади озна­
чает более высокую концентрацию ауксина.
скольку корни изгибаются в направлении
действия силы тяжести. Обнаружено, что
в таком растении концентрация ауксина уве­
личивается в нижней части корня и умень­
шается в верхней части, что полностью со­
ответствует распределению в побеге. Одна­
ко реакция корня на это асимметричное
распределение ауксина противоположна ре­
акции стебля; сторона, содержащая больше
всего ауксина, растет медленнее, чем сторо­
на с наименьшим содержанием его; это за­
ставляет корень изгибаться вниз. Было вы­
сказано предположение, что такое специфи­
ческое действие ауксина в корне объясняется
индукцией синтеза ингибитора роста этиле­
на (разд.Б.1У), однако, как показали недав­
ние исследования, абсцизовая кислота мо­
жет играть более важную роль, чем ауксин
в геотропизме корня (разд. Д -V. 1). По-види­
мому, крахмальные зерна амилопластов, со­
держащиеся в верхушке корня и подвергаю­
щиеся перераспределению под действием
силы тяжести, определяют геотропизм кор­
ня.
2. Движение ауксина в стебле и кор­
не в продольном направлении
Передвижение ауксина в стебле и корне
поляризовано. Термин «поляризованный»
означает, что ауксины обычно быстрее пере­
мещаются по продольным осям растения
в одном направлении, чем в другом.
Однако это направление различно в раз­
ных частях растения. В стеблевых тканях
(например, в колеоптиле) ауксины в своем
передвижении более базипетальны (т. е.
перемещаются в направлении от верхушки
к основанию). В корнях ситуация более
сложная; через большую часть длины корня
передвижение ауксинов акропетальное (т.е.
от основания к верхушке), но вблизи от кор­
невого апекса оно становится базипетальным.
Эти полярные потоки ауксина-след­
ствие двух противоположных, но неравных
потоков. Так, в стебле базипетальный поток,
упомянутый выше, является результатом
метаболически запускаемых базипетального потока и акропитального потока, что, ве­
роятно, обусловлено пассивной обратной
диффузией, протекающей в соотношении
примерно 10:1.
Скорость полярного передвижения аук­
синов в стеблях и корнях одинаковая1 см ч ' 1. Как в стеблях, так и в корнях
ауксины транспортируются в основном
по сосудистым тканям, в частности по
камбию и по вновь сформировавшейся
флоэме.
Полярное движение ауксинов в колеоп­
тиле, стеблевой ткани, определено с по­
мощью эксперимента, показанного на
рис. 15.2.Б. Отрезки колеоптиля были взяты
из участков, находящихся непосредственно
под верхушкой. Верхушка (В) и основание
(О) каждого отрезка отмечены. Два отрезка
(а и б) расположены вертикально в напра­
влении, соответствующем нормальному,
т.е. верхушка (В) у них находится наверху,
а основание (О)-внизу. Два же других от­
резка (б и г) расположены вертикально
в противоположном направлении. Агаровые
блоки, содержащие ауксин (много черных
точек), наложены на те поверхности срезов
(а и в), которые стали теперь самыми верх­
ними, и на те поверхности срезов (б и г \ ко­
торые теперь самые низкие. Агаровые бло­
ки, не содержащие ауксины (без точек), были
затем заново наложены на вторую поверх­
ность каждого отрезка. Через несколько ча­
сов во всех агаровых блоках определяли ко­
личество ауксина, используя биотест. Оба
блока из а и г содержали примерно одина­
ковые количества ауксина. Следовательно,
ауксин переместился через отрезок колеоп­
тиля в направлении В -* О, хотя в случае ва­
рианта (г) это было и против направления
силы тяжести. Только в случае агаровых
блоков, содержащих ауксин в начале опыта
и приложенных к одному из концов отрез­
ков (б) и (в), не наблюдалось перемещения.
Только в отрезках колеоптиля б и в не про­
исходило перемещения ауксина в направле­
нии О -* В, несмотря на действие силы
тяжести.
3. Механизм полярного транспорта
ауксинов
Полярный транспорт ауксинов включает
как активные, так и пассивные компоненты.
Об участии активного транспорта свиде­
тельствует ингибирование полярного транс­
порта анаэробиозом, цианидом, азидом,
2,4-динитрофенолом и другими ингибитора­
ми дыхания. Об участии пассивного транс­
порта путем диффузии свидетельстует тот
факт, что ингибиторы дыхания не пол­
ностью подавляют выход ауксина из инди­
видуальных клеток.
Механизм полярного транспорта аукси­
нов до конца не изучен. Теория, которая су­
ществовала вплоть до начала 70-х годов, по­
стулировала, что ауксин диффундирует
пассивно в цитоплазму данной клетки (и
возможно, также в вакуоль) и активно выво­
дится из нее с помощью энергозависимого
носителя, расположенного в плазмалемме
в одном конце клетки (т. е. в конце, удален­
ном от апекса, в случае клетки стебля).
Сравнительно недавно была выдвинута
в качестве альтернативного механизма хемиосмотическая теория полярного транс­
порта ауксинов; (рис. 15.3). В основе этой
теории лежат следующие факты: а) pH вне
протопласта клетки растения примерно на
1 единицу ниже, чем в цитозоле; б) суще­
ствует градиент электрического потенциала
около 0,058 В в плазмалемме, так что на­
ружная сторона имеет более положи­
тельный заряд, чем внутренняя; в) неионизированная форма ИУК (ИУК-Н), будучи
менее полярной, может пройти через ли­
пидный бислой плазмалеммы значительно
легче, чем ионизированная форма (ИУК 7).
Эти факты были дополнены следующими
положениями: а) энергия дыхания исполь­
зуется для генерирования и поддержания
градиентов pH и электрического потенциа­
ла с помощью активного выведения
L _ J
Клеточная
~оболочка
Плазмалемма
pH = 5-8
ИЗ/К-н * — иук~
+ н* —^
р и ук-н
Пцук~
-
1000
pH = 7 1
Направление
основною по
тока ауксина
m -н —*иж+н*
метаболичес/гая
знергия
Hi,
н*
/
pH = 5-8
"И УК
,00
>—ИУЛ-Н*— НУ/Г + н ’ -
Рис. 15.3. Хемиоосмотическая теория полярного
транспорта ауксина. П-проницаемость плазмалеммы для ионизированной (ИУК ~) и неионизированной (ИУК-Н) форм ИУК, т. е. индолил-3-уксусной кислоты.
Н + -ионов из клетки; б) форма ИУК-Н диф­
фундируют пассивно в клетку по градиенту
концентрации ИУК-Н, в) ИУК~ выталки­
ваются из клетки пассивно под действием
градиента pH и электропотенциала; прохо­
ждение через плазмалемму, вероятно,
облегчается с помощью специфической си­
стемы переносчика и г) соотношение, выра­
жающее проницаемость плазмалеммы для
ИУК-Н относительно проницаемости для
И У К - (т.е. Р иу к-н/Р и у к “)» в Ю раз выше
на одном конце клетки (т. е. в апикальной ее
части, если это клетка стебля), чем в другом.
Это убедительно показывает, что И У К в одном конце клетки перемещается бы­
стрее, чем в другом.
Принимая, что pH в клеточной стенке
и цитозоле составляет 5,8 и 7,0 соответ­
ственно, и учитывая, что рК а ИУК состав­
ляет 4,7, можно подсчитать, что соотноше­
ние И У К - /ИУК-Н в клеточной стенке
и цитоплазме равно примерно 12,6 и 200 со­
ответственно. Таким образом, в клеточной
стенке большая часть ИУК находится в ви­
де ИУК-Н, чем в цитозоле. ИУК-Н в кле­
точной стенке диффундирует пассивно вниз
вдоль по градиенту концентрации ИУК-Н
в цитозоль, где большинство ее ионизирова­
но из-за более высокого значения pH. Обра­
зующаяся в результате ИУК П затем вытал­
кивается пассивно из клетки в клеточную
стенку под действием градиентов pH и элек­
трического потенциала. Однако больше
ИУК “ будет диффундировать из клетки
в одном ее конце, чем в другом (базальный
конец в клетке стебля). В клеточной стенке
часть ИУК при более низком значении pH
протонируется, давая ИУК-Н. ИУК-Н мо­
жет затем диффундировать по градиенту
концентрации ИУК-Н в следующую клетку,
и весь процесс повторится.
Ряд соединений с различным строением
(т.е. нафтилфталамовая кислота; 2,3,5-трийодобензойная кислота; 3,За-дигидро-2-(р—
метоксифенил)-8Н-пиразоло-[5,1 - а]-изоиндол-8-он и морфактины) являются ингиби­
торами транспорта ауксинов. Они, по-види­
мому, блокируют выход ауксинов из клеток,
но не влияют на поступление ауксина; это
ведет к накоплению ауксинов в клетке. Если
хемиосмотическая теория верна, эти соеди­
нения должны блокировать направленную
наружу и опосредованную переносчиками
диффузию ИУК - через плазмалемму, про­
исходящую под действием градиента pH
и электрического потенциала; вполне воз­
можно, что они действуют, связываясь
с переносчиком. Действительно, получены
данные, свидетельствующие о том, что они,
по-видимому, способны конкурировать
с ауксином за участки связывания в мембра­
нах.
III. М етаболизм ауксина
1. Биосинтез ауксина
Главный эндогенный ауксин, ИУК, син­
тезируется в растении из аминокислоты Lтриптофана (рис. 15.4.1), который содержит­
ся в растениях как в свободном виде, так и
в связанной с белками форме. Количество
свободного триптофана в листьях в тысячи
раз превышает количество ИУК. Его содер­
жание достигает 20-40 мкг •г ~ 1 сырого ве­
са. У большинства растений превращение Lтриптофана в ИУК осуществляется по пути,
идущему через индолил-3-пировиноградную кислоту (рис. 15.4: I -* II -» III -*■IV).
Превращение L-триптофана в индолил-3пировиноградную кислоту (И; очень неста­
бильное соединение, особенно в щелочной
среде) катализируется триптофан-аминотрансферазой1. У растений этот фермент
Н
R -C H -С-СООН
R-CH j —СН ОН
ОН
(XI)
(X)
л
III
\\
yS(*-01)G lc
R —СН2 —C ^
^ S(<- 01 )Glc
-----R -C H a—С
^ N -O H
^ N - O S O ,-
VIII
IX
Рис. 15.4. Биосинтез ауксина (индолил-3-уксусной кислоты; ИУК). I - L-триптофан; П-индолил-3-пировиноградная кислота; III- индолил-3ацетальдегвд; IV -индолил-3-уксусная кислота
(ИУК), V-триптамин; VI - индолил-3-ацетальдоксим; VII - индолил-3-ацетонитрил (ИАН),
VIII - десульфоглюкобрассицин, IX - ппокобрассицин, Х-триптофол, XI - индолил-3-молочная
кислота; а-триптофан—аминотрансфераза, КФ
б - индол ил ииру ват-декарбоксилаза;
2.6.1.27;
в - индолилацетальдегид-оксидоредуктаза; г - де­
карбоксилаза ароматических L-аминокислот, КФ
41.1.28; д -триптамин-оксидоредуктаза (дезами­
нирующая); е - индолилацетальдоксим-дегидратаза, КФ 42.1.29; ж-нитрилаза КФ 3.5.5.1;
з - тиоглюкозидаза КФ 3.23.1; и-триптофол-оксидоредуктаза; *-см. рис. 7.5; Glc-D-глюкоза.
имеет достаточно широкую специфичность;
он может катализировать трансаминирование всех ароматических аминокислот, обна­
руженных в белках, а также L-аспарагиновую и L-глутаминовую кислоты. Он широко
распространен у растений и требует для
проявления своей активности присутствия
пиридоксальфосфата. Превращение индолил-3-пировиноградной кислоты в индолил-3-ацетальдегид (III) катализируется под
действием индолилпируват-декарбоксилазы, которая отличается от классической
пируват-декарбоксилазы2.
Превращение
индолил-3-ацетальдегида в ИУК катали­
зируется либо НАД-зависимой индолилацетоальдегид-дегидрогеназой (обнаружен­
ной в проростках маша), либо кислородзависимой индолилацетоальдегид-оксидазой (обнаруженной в колеоптилях овса).
Оба фермента находятся в цитозоле.
Стебли растений табака, томатов, ячме­
ня и колеоп гили проростков овса способны
превращать L-триптофан в ИУК через
триптамин
(рис. 15.4: I —*•V —*•III —*■IV).
Первый этап этого пути катализируется пиридоксальфосфат-зависимой декарбоксила­
зой L-ароматических аминокислот, которая
особенно активна в отношении L-триптофана. Полученный триптамин (V) затем окис­
лительно дезаминируется в индолил-3-ацетальдегид под каталитическим влиянием
медь-зависимой оксидоредуктазы (дезами­
нирующей).
Члены семейства крестоцветных спо­
собны образовывать ИУК из индолил-3ацегонитрила (VII), который образуется не­
посредственно из индол-3-ацетальдоксима
(рис. 15.4: I -» VI -» VII -*■IV) или более
сложным путем через глюкобрассицин
(рис. 15.4:
I - VI - VIII -» IX -> VII -> IV).
Было показано, что индолил-3-ацетальдоксим (VI) способен стимулировать рост ко­
леоптиля и тканей гипоктиля всех растений,
способных превращать его в индолил-3-ацетонитрил (ИАН). В биотесте с колеоптилем
глюкобрассицин проявлял себя как стиму­
лятор роста. Фермент тиоглюкозидаза4 (из­
вестный также как мирозиназа), катализи­
рующий превращение глюкобрассицина
в ИАН, обнаружен в основном у растений
семейства Crudferae. Фермент нитрилаза5,
катализирующий
превращение
ИАН
в ИУК, присутствует в растениях семейства
Gramineae, Musaceae, а также Cruciferae.
Индолил-З-молочная
кислота
(XI)
и триптофол (X) являются природными ве­
ществами некоторых растений и способны
проявлять соответственно слабую и силь­
ную активность в биотесте с колеоптилем.
Установлено, что триптофол превращается
в ИУК в стеблях томата, но превращение
индолил-3-молочной кислоты в ИУК менее
доказано. Возможные метаболические взаи­
мосвязи этих соединений с ИУК представ­
лены на рис. 15.4.
На растениях обитает много видов бак­
терий, которые способны превращать L-
,соон
но^
н н
\ \ .с о о н
с^
(XIII)
(XIV)
V
=о
11
Нн
\ ‘_ / он
н .с
------
—C jl)= о
(XVI)
Н
(XV)
Рис. 15.5. Катаболизм индолил-3-уксусной кис­
лоты (Hinman, Lang, 1965). I -индолил-З-уксусная
кислота, ХП-иидоленингидропероксид, XIIIиндоленинэпоксид, XIV -индолилальдегид, XVоксииндол-3-ка рбинол,
XVI - 3-метиленоксииндол.
триптофан и триптамин в ИУК. Когда
в конце 60-х годов было установлено, что
содержание ИУК в нестерильных растениях
выше, чем в стерильных, было высказано
предположение, что вся ИУК, присутствую­
щая в растениях, сиинтезируется эпифитными бактериями. Однако позднее было дока­
зано, что это не так: стерильные растения
содержат ИУК и способны синтезировать ее
из L-триптофана.
2. Катаболизм ауксина
ИУК достаточно легко разрушается
в растительных тканях. Это в основном осу­
ществляется под действием оксидаз, ко­
торые бывают двух типов: а) пероксидазы
с ИУК-оксидазной активностью и б) ИУКоксидазы без пероксидазной активности.
Внутриклеточная локализация этих фермен­
тов еще не установлена. Хинман и Ланг
(Hinnman, Lang) в 1965 г. высказали предпо­
ложение, что И У К катаболизируется по пу­
ти, показанному на рис. 15.5.
В водных растворах ИУ К легко разру­
ш ается под действием света. Поскольку
этот процесс ускоряется с помощью синте­
тических и природных пигментов, было сде­
лано предположение, что в растениях проис­
ходит фотоокисление ИУК.
н Д - соон
(X V II)
3. Другие метаболиты ауксинов
После введения в растения меченой ИУК
можно обнаружить значительно больше ме­
ченых продуктов, чем этого следует ожи­
дать, исходя из метаболических путей, пока­
занных на рис. 15.4 и 15.5. Некоторые из
этих соединений приведены на рис. 15.6;
1'-индолил-З-ацетил-Р-О-глюкоза
(XVII)
образуется в листьях Colchicum и овса, а так­
же в стеблях гороха и фасоли, а индолилацетил-Ь-аспарагиновая кислота (X V III)-у
множества видов растений (рис. 15.6).
Другие производные И У К были най­
дены в семенах. Незрелые семена гороха со­
держат интересный набор хлорпроизводных
И У К : 4-хлориндолил-З-уксусную кислоту
(XIX),
ее
метиловый
эфир
(XX)
и монометил-4-хлориндолил-3-ацетил^-аспарагиновую кислоту (XXI). Семена куку­
рузы содержат набор производных И У Км и ои нози тола: ИУК-миоинозитоларабинозиды,
ИУК-миоинозитолгалактозиды.
В них обнаружен также ряд соединений,
в которых И У К связана эфирной связью
с молекулами р*1,4 глюкана, имеющего це­
пи различной длины.
IV. Физиологическое действие аук­
синов
Физиологическое действие ауксинов
сложно. Различные ткани отвечают на воз­
действие ауксина по-разному; причина это­
го явления пока еще совершенно непонятна.
Более того, часто бывает сложно отделить
первичное воздействие от вторичного.
Классическое воздействие аукси на-это
усиление роста, обусловленное стимуляцией
растяжения клеток, составляющих данную
ткань. Однако первичность этого действия
вскоре была поставлена под сомнение в ре-
R = H = XIX
R = СИ, = XX
R 'u R" = Н и CHjMwCH, и Н
(XXI)
Рис. 15.6. Некоторые метаболиты ауксина.
XVII - 1'-(индолил-3-ацетил)-р-0-глю коза;
XVIII - индолилацетил^-аспарагиновая кислота;
XIX-хлориндолил-З-уксусная кислота; XX-метил-4-хлориндолил-З-ацетат; XXI - монометил-4хлориндолил-З-ацетил^-аспарагиновая кислота.
зультате опытов, посвященных выяснению
зависимости доза-эф ф ек т (рис. 15.7, не­
прерывные линии). Кривые д оза-эф ф ект
для различных тканей свидетельствует
о том, что 1) при увеличении концентрации
ИУ К выше определенного уровня его стимуляторное действие на рост обращается,
а затем и совсем перерождается в ингиби­
торное, 2) концентрация ИУК, при которой
наблюдается максимальная стимуляция ро­
ста, была различна для разных тканей: на­
пример, она составила ж 5 • 10“ 10 М для
корней, х 10-9 М для почек и л 10_б М для
стеблей.
Тот факт, что ткани растений прямо про­
тивоположно реагировали на ауксин в зави­
симости от его концентрации, в свое время
озадачил физиологов растений. Д а и теперь
причина этого явления неясна в случае опре­
деленных тканей. Некоторый свет пролили
на эту проблему в середине 60-х годов Бург
(Burg) и др., показавшие, что в ряде тканей,
в таких, как стебли двудольных растений
(например, гороха, подсолнечника), а также
корни и, по-видимому, почки, прямой эф­
Стебли
Стебли
'I
§
0 .^ 5 —100
IO-i* 10-'°
10**
lO-4
W
lO'1
Концентрация пук, м
Рис. 15.7. Действие экзогенной индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) на рост (сплошные линии)
и образование этилена (прерывистые линии)
у корней, почек и стеблей.
фект ауксина при всех испытанных концен­
трациях состоит в стимулировании и никог­
да не в ингибировании роста. Однако, когда
концентрация ауксина достигает критиче­
ского уровня, который различен для каждой
ткани, наблюдается выделение этилена
(рис. 15.7, прерывистые линии, и разд.
E.IV.1), который и является непосред­
ственным ингибитором роста. Таким обра­
зом, подавление роста, имеющее место
в данных тканях при достижении ауксином
определенного уровня, зависит от ингиби­
торного действия этилена, превосходящего
стимуляторное действие ауксина. В других
тканях, а именно в колеоптиле проростков
однодольных, ингибирование роста не зави­
сит от этилена, несмотря на то что ауксин
индуцирует его образование. Об этом свиде­
тельствует следующее наблюдение: рост
и образование этилена достигают макси­
мального уровня при одной и той же кон­
центрации ауксина и затем понижаются
одновременно, если концентрация ауксина
в дальнейшем возрастает.
До недавнего времени полагали, что
именно индуцируемый ауксином этилен от­
ветствен за геотропизм корня (т. е. за
направленный вниз рост корней у горизон­
тально ориентированных растений). Счита­
лось, что более высокая концентрация аукс­
ина в нижней части корня, обусловленная
гравитацией, индуцирует образование эти­
лена, который затем ингибирует рост в этой
зоне корня. Неингибированный рост верх­
ней части затем заставляет корень повора­
чиваться вниз. Однако сейчас получены
данные, свидетельствующие о том, что ос­
новным медиатором геотропизма в корнях
служит, очевидно, абсцизовая кислота (разд.
Д -V.l).
Считается также, что ауксин играет опре­
деленную роль в опадении листьев и цветов.
Наблюдаемая последовательность собы­
тий, ведущих к опадению листьев, начинает­
ся с того, что образование ауксина в листьях
заметно снижается. Это приводит к прогрес­
сивному старению листьев. Стареющие тка­
ни продуцируют этилен (разд. E.II и E.IV),
который действует на отделительную зону
(зону опадения), расположенную в основа­
нии листового черешка. Отделительная зо­
на представляет собой тонкий слой клеток,
который проходит через сосудистые ткани
черешка. Этилен действует в основном
в проксимальном слое клеток внутри отде­
лительной зоны (т.е. в слое, удаленном от
листовой пластинки). Это заставляет клетки
увеличиваться в размерах, синтезировать
и секретировать ферменты, разрушающие
клеточную стенку, такие, как целлюлаза15
и пектиназа16. Эти ферменты атакуют стен­
ки оставшихся клеток в отделительной зоне,
размягчают их, причем этот процесс на­
чинается с тех клеток, которые находятся
ближе всего к месту образования ферментов
черешка, где находится отделительная зона.
Это ведет к тому, что в черешке образуется
механически ослабленный участок. В этом
месте под действием стресса происходит его
надлом (например, при движении листа на
ветру), и в результате лист отрывается от
растения. Ауксин между тем задерживает
процесс опадения листа, замедляя его старе­
ние. Аналогичную роль он играет и при опа­
дении цветка. После опыления цветка плод
развивается из семяпочки, а в некоторых
случаях из цветоложа. Если опыления цвет­
ка не произошло, цветок стареет, при этом
образуется этилен, который и вызывает опа­
дение цветоножки. Если же процесс опыле­
ния цветка произошел, то старение и после­
дующее образование этилена подавляется
ауксином. Последний в некоторых случаях,
например у орхидных, вначале образуется
в пыльцевых зернах, осуществляющих опы­
ление, а затем возникает в развивающихся
семенах.
Имеются данные о том, что ауксины
кроме участия в растяжении и опадении
листьев участвуют также и в процессе кле­
точного деления. Вероятно, они стимули­
руют камбиальную активность. Полагают,
что ауксины участвуют в дифференциации
сосудистой ткани в зоне верхушки стебля
и способствуют образованию новой прово­
дящей ткани в период начала ростового
процесса, который у растений умеренного
климата происходит весной. Ауксин, оче­
видно, принимает участие в образовании бо­
ковых корней, которые возникают из не­
больших групп камбиальных клеток
и клеток перицикла. Ауксины можно нане­
сти на корень и вызвать боковое ветвление.
Однако доза ауксина, способная вызвать
этот эффект, так высока, что при этом по­
давляется рост главного корня и в результа­
те формируется кустистая корневая система.
Ауксин находит также и практическое при­
менение в связи со своей способностью сти­
мулировать образование придаточных кор­
ней у стеблевых и листовых черенков.
Кроме того, следует отметить, что два
широко
распространенных
гербицида
2 ,4 -Д и 2,4,5- Т (рис. 15.8) обладают очень
многими, хотя и не всеми свойствами аукс­
ина. Если их используют в соответствую­
щих дозах, они убивают широколиственные
растения, но не злаковые или сходные узко­
листные однодольные растения. Гибель
этих растений происходит в результате не­
координированного и нарушенного роста.
Механизм избирательного действия этих
соединений еще не раскрыт.
V. Биохимические аспекты
механизма действия ауксина
Основные группы клеток-мишеней, вос­
принимающих действие ауксина,-это, повидимому, клетки, дифференцирующиеся
вблизи различных меристем. Растяжение
клеток - основная реакция на ауксин. В связи
с этим возникает вопрос, как реализуется
эта реакция.
Вне сомнения, ауксин проникает в клетки-мишени. Исходя из того, что известно
о гормонах животных, можно думать, что
внутри клетки-мишени ауксин может связы­
ваться с молекулой специфического рецеп­
тора, возможно с белком, и что этот ком­
плекс может включать специфические гены.
Они транскрибируются в мРНК, которые
в свою очередь транслируются в специфиче­
ские белки, т. е. в специфические ферменты,
О
СООН
X
н
н
R
Рис. 15.8. Избирательно действующие герби­
циды, обладающие многими, но не всеми свой­
ствами ауксинов. 2,4-дихлорфеноксиуксусная кис­
лота (2,4-D), если R-атом Н, или 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислота (2,4,5-Т), если R-атом
ш
которые будут усиливать физиологическую
реакцию клеток при растяжении. Данные,
которыми мы располагаем, лишь частично
соответствуют предполагаемой последова­
тельности событий.
Однако установлены два факта, которые
не укладываются в рамки рассмотренного
механизма: 1) первичная реакция на ИУК
осуществляется за 10-15 мин, что слишком
быстро для того, чтобы ее объяснить синте­
зом нового белка, 2) до сих пор не идентифи­
цирован ни белковый, ни какой другой ре­
цептор ауксина. С другой стороны, Ки (Key)
и его сотрудники показали, что, во-первых,
ИУК стимулирует синтез всех типов РНК
(мРНК, тРНК и рРНК) в растягивающихся
и созревающих отрезках гипокотилей про­
ростков сои, во-вторых, способность ИУК
стимулировать растяжение клеток зависит
от синтеза новых РНК и белка. Некоторые
из этих несоответствий можно объяснить,
если принять, что ауксин стимулирует и бы­
струю реакцию, которая не зависит от син­
теза РНК и белка, и более медленную реак­
цию, которая зависит от этого синтеза. При
последующем обсуждении мы попытаемся
обрисовать эти две реакции.
Для растяжения необходимо удлинение
клеток в продольном направлении. Это мо­
жет осуществляться в результате движущих
сил тургорного давления, ведущих к тому,
что продольные стенки становятся более
пластичными. Такое возрастание пластич­
ности предполагает разрушение одних свя­
зей между полисахаридами клеточной стен­
ки и воссоздание других. Эти связи
представлены двумя типами: 1) водородные
связи, соединяющие микрофибриллы цел­
люлозы с гемицеллюлозными ксилоглюканами, которые как бы покрывают их, и 2)
гликозидные связи, которые связывают кси-
логлюканы с арабиногалактанами и послед­
ние с рамногалактуронанами (гл. 4,
разд. Б.1.3 и B.I). Разрыв водородных связей
осуществляется в результате повышения
концентрации иона Н + , а восстановление
связей-в результате снижения концентра­
ции. Разрыв и восстановление гликозидных
связей осуществляется при участии фермен­
тов.
ИУК, как известно, усиливает пластич­
ность клеточных стенок. Но каким образом
это осуществляется, неясно. Однако Рэйл
и Клилэнд (Rayle, Cleland) в 1970 г. постули­
ровали, что первичное действие происходит
в результате снижения pH в водной фазе
клеточной стенки, возможно в результате
стимулирования мембранного насоса, пере­
качивающего ионы Н +. Как указывалось
выше, это повышение концентрации иона
Н + ведет затем к ослаблению водородных
связей между микрофибриллами целлю­
лозы и ксилоглюканов, что позволяет им
скользить относительно друг друга в ре­
зультате повышения тургорного давления.
Более того, в дальнейшем это может спо­
собствовать пластичности клеточных сте­
нок путем активирования связанных с кле­
точной стенкой гликозидаз, о которых
известно, что некоторые из них обладают
низким оптимумом pH.
В пользу этой гипотезы свидетельствует
следующее: 1) отрезки колеоптилей овса,
стеблей гороха и сои удлиняются быстрее,
если их инкубируют при низких значениях
pH ,-это удлинение не блокируется ингиби­
торами дыхания или анаэробными условия­
ми; 2) вызываемое ИУК удлинение клеток
овса, гороха и кукурузы осуществляется
в результате транспорта ионов Н + из кле­
ток в окружающую среду; 3) вызываемое
ИУК растяжение и индуцируемый ИУК вы­
брос ионов Н + подавляются ингибиторами
дыхания и анаэробными условиями; 4) уд­
линение клеточных стенок - вызвано ли оно
непосредственно ионами Н + или ИУК —
происходит только тогда, когда тургорное
давление клеток достигает максимального
уровня или приближается к нему. Из этого
ясно, что растяжение компонентов клеточ­
ной стенки, индуцируемое ионами водоро­
да, и представляет собой рассмотренную
выше быструю реакцию на ауксин.
Однако удлинение клетки - это не просто
растяжение клеточной стенки. Об этом сви­
детельствует тот факт, что при своем растя­
жении удлиняющиеся клетки не становятся
более тонкими, как это можно было бы
предположить в случае, если бы в основе уд­
линения клетки лежало бы только растяже­
ние клеточной стенки. Отсюда следует, что
растяжение клеточной стенки сопрово­
ждается включением в нее вновь синтезиро­
ванного материала-компонента клеточной
стенки. Это в свою очередь дает основание
думать, что ауксин стимулирует синтез
и транспорт новых клеточных полисахари­
дов, одновременно повышая пластичность
клеточных стенок. В пользу этого предполо­
жения свидетельствуют имеющиеся данные.
Синтез новых полисахаридов клеточных
стенок может быть обусловлен либо стиму­
ляцией синтеза большого числа ферментов,
синтезирующих полисахариды, либо акти­
вацией уже существующих ферментов.
В первом случае потребовалось бы включе­
ние соответствующих генов, а во втором
в этом не было бы необходимости. Вполне
возможно, что имеют место оба процесса,
поскольку 1) активация гена делает по­
нятным наблюдаемый под действием ИУК
синтез РНК и зависимость индуцированно­
го ИУК удлинения от синтеза новых РНК
и белка и 2) активация ферментов доказана;
Рэй (Ray) в 1973 г. установил, что обработка
стеблей гороха с помощью ИУК вызывает
значительное (в 2-4 раза) увеличение целлюлозо-синтазы (образующей UDP-произ­
водные) в тканевых гомогенатах. По-види­
мому, эти процессы составляют по крайней
мере часть общей медленной реакции на
ауксин, о которой говорилось выше.
В. ГИББЕРЕЛЛИНЫ
I. Открытие и характеристика
Г ибберелл ины представляют собой
большую группу соединений класса тетрациклических дитерпеноидов. Они были
открыты как метаболиты аскомицета
Gibberella fujikuroi (несовершенной стадии
Fusarium moniliforme). В 20-х годах япон­
ские исследователи установили, что этот
гриб вызывает болезнь «баканаэ», пора­
жающую проростки риса. Для этой болез­
ни характерно интенсивное удлинение стеб­
лей и листьев. Пораженные проростки ста­
новились необычайно высокими, тонкими
и, как правило, полегали, откуда и назва­
ние болезни: «баканаэ»-это «бешеные по­
беги».
В 1926 г. Куросава показал, что если про­
ростки риса обрабатывали стерилизо­
ванным фильтратом культуральной среды,
на которой рос гриб Gibberella fujikuroi, то
у них развивались типичные симптомы бо­
лезни «баканаэ». Из этого следовало, что
гриб выделял в культуральную среду какоето вещество, вызывавшее интенсивное рас­
тяжение у риса. Более того, можно было ду­
мать, что, когда гриб растет на проростках
риса, это же самое вещество выделяется
в ткани и вызывает симптомы болезни
«баканаэ».
Следующей задачей было выделить из
среды, на которой рос гриб Gibberella fiijikuroi, это вещество и идентифицировать его.
Ябута (Yabuta) и сотрудники получили
в 1939 г. активное начало и кристаллизова­
ли его. Они назвали это вещество гиббереллином, но не идентифицировали его. Не бы­
ло получено никаких новых данных вплоть
до 1954 г., когда, наконец, было показано,
что «гиббереллин» представляет собой
смесь, из которой Кросс (Cross) выделил
первое чистое соединение-гибберелловую
кислоту (известную теперь как ГА3).
В 1959 г. Кросс и его сотрудники установи­
ли ее строение. Это помогло выяснить
строение некоторых других гиббереллинов,
содержащихся в значительно меньших ко­
личествах в культуральной среде G. fujikuroi.
Затем гиббереллины были обнаружены
и у высших растений. Хорошим источником
этих соединений оказались незрелые семена.
И действительно, первый гиббереллин выс­
шего растения был выделен из незрелых се­
мян фасоли, и как показал Мак-Миллан
(MacMilan) в 1960 г. он оказался иден­
тичным гиббереллину ГАг, выделенному
ранее из G. fujikuroi.
С тех пор было идентифицировано 53
гиббереллина; среди них 8 были обнару­
жены только у G. fujikuroi, 32-только у выс­
ших растений и 13- у G. fujikuroi и у высших
растений (табл. 15.1). Однако не более 15
гиббереллинов было найдено у одного вида
высшего растения.
Все гиббереллины-карбоновые кис­
лоты, поэтому их и называют гибберелловыми кислотами, или ГА. Чтобы разли­
чить их, им присвоили номенклатурные
номера: ГА,, ГА2 ........ ГА„.
Биосинтетическим
предшественником
гиббереллинов (разд. B.111) служит э нткаурен, называемый иногда ( —)-кауреном,
родоначальным углеводородом которого
является
энт-кауран
(рис. 15.9,XXIII).
В процессе биосинтеза углеродный скелет
этого тетрациклического дитерпена моди­
фицируется в результате сужения кольца В,
что ведет к формированию примерно 23
С20-гиббереллинов, молекулой-родоначальником которых является энт-гиббереллан
(рис. 15.9,XXV).
Вторая
группаС ,9-гиббереллины-образуется в результате
дальнейших модификаций основного скеле­
та, потери атома С-20; родоначальным
углеводородом С19-гиббереллинов является
энт-20-норгиббереллин (рис. 15.9, XXV),
у которого при С-10 вместо группы СН3 на­
ходится Н. Приставка «нор» указывает на
отсутствие одного из атомов углерода,
а число 20 показывает, какой именно это
углерод.
Приставка энт- в энт-каурене и энт-гиббереллане представляет собой сокращение
термина «энантиомер» и указывает, что
данные
вещества-энантиомеры
нор­
мальных тетрациклических дитерпенов:
каурана (рис. 15.9,XXII) и гиббереллана
(рис. 15.9, XXIV).
Энантиомеры-это оптические изомеры,
т. е. соединения, являющиеся зеркальным
отражением один другого. Как связаны ме­
жду собой два оптических изомера, можно
увидеть на рис. 15.9 на примере таких энантиомерных пар, как кауран/энт-кауран
и гиббереллан/энт-гиббереллан; пунк­
тирными линиями показано воображаемое
зеркало.
На пространственных формулах, изобра­
женных на рис. 15.9, показано, что замести­
тели у углеродных атомов скелета коль­
цевых систем ориентированы вверх или
вниз от основной плоскости кольцевых си­
стем. Ориентированные вверх заместители
обозначены в проекционных формулах на
рис. 15.9 черными клиновидными линиями;
предполагается, что они находятся над пло­
скостью бумаги. Заместители же, ориенти­
рованные вниз от плоскости бумаги, изо­
бражены прерывистыми линиями; предпо­
лагается, что они находятся под плоскостью
бумаги.
Согласно правилу, существующему в си­
стематической номенклатуре этих соедине­
ний, заместители, ориентированные вверх
по отношению к общей плоскости системы
колец нормального изомера называются |$заместителями, тогда как заместители,
Таблица 15.1. Структуры природных гиббереллииов
Гиббередлин
Гх
ГА, г, р
ГА2 г
ГА3 г, р
ГА4 г , р
ГА5 г
ГА6 г
ГА7 г, р
га8 р
ГА, г, р
ГА,0 г
ГАП г
ГА12 г
ГА13 г
ГА14 г
ГА15 г
ГА16 г
г а 17 р
г а 18 р
г а 19 р
г а 20 р
ГА21 р
ГА22 р
ГА23 р
ГА24 г, р
ГА25 г, р
Г А 26 Р
ГА27 р
Г А 28 Р
ГА29 р
ГА30 р
ГА31 р
ГА32 р
ГА33 р
ГАз4 р
г а 35 р
ГА36 г
ГА37 г , р
г а 38 р
ГА39 р
ГА40 г
ГА41 г
ГА42 г
г а 43 р
ГА44 р
ГА45 р
ГА46 р
ГА47 г
г а 48 р
ГА49 р
ГА50 р
ГАМ р
r A S2 Р
ГА53 р
Число
атомов
угле­
рода
А
В
С+ D
19
2
1
1
19
19
19
19
19
19
19
19
19
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
20
20
20
20
Типы колец
см. ниже
4
1
1
1
19
3
2
20
20
20
1
1
1
19
19
19
2
2
2
20
20
20
1
1
19
20
20
1
2
3
1
19
19
19
19
19
19
19
2
2
2
2
2
2
2
20
20
20
20
3
3
19
2
20
20
20
20
1
1
1
19
1
1
3
2
20
1
19
19
19
19
19
2
2
2
2
2
3
20
20
1
Замечающие
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1,
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
группы (нумерацию атомов я циклической
системе см. на рис. 15.9, XXV)
з р н о 4рМе 13НО
ЗРНО 4рМе
Д‘-ен ЗРНО 4рМе 13Н20
ЗРНО 4рМе
Д2-ен 4рМе 13НО
2рзр-эпокси 4рМе 13НО
Д^ен ЗРНО 4рМе
2рНО ЗрНО 4рМе 13НО
4рМе
4рМе
4рМе
ЮаМе
ЗРНО ЮаСООН
ЗрНО ЮаМе
4рМе
1аНО ЗРНО 4рМе
ЮаСООН 13НО
ЗРНО ЮаМе 13НО
ЮаСНО 13НО
4рМе 13НО
4РСООН 13НО
Д2-ен 4рСН2ОН 13НО
ЗРНО ЮаСНО 13НО
ЮаСНО
ЮаСООН
2РНО ЗрНО 4рМе 12оксо
2РНО ЗрНО 4рМе
ЗРНО ЮаСООН 13НО
2РНО 4рМе 13НО
Д^ен ЗРНО 4рМе 12аНО
Д2-ен 4рМе 12аНО
Д^ен ЗРНО 4рМе 12аНО 13НО 15РНО
1РНО Зоксо 4рМе 12аНО
2рНО ЗРНО 4рМе
ЗРНО 4рМе lipHO
ЗРНО ЮаСНО
ЗрНО 4рМе
ЗРНО 4рМе 13НО
ЗРНО ЮаСООН 12аНО
2аНО 4рМе
ЗРНО ЮаСООН
ЗрНО ЮаМе
2рНО ЗРНО ЮаСООН
4рМе 13НО
4рМе 15РНО
2РНО ЮаСООН
2аНО ЗРНО 4рМе
2рНО ЗрНО 4рМе 12рНО
2рНО ЗРНО 4рМе 12аНО
2РНО ЗРНО 4рМе ИрНО
2РНО 4рМе
2РНО ЗРНО 4рМе 12аНО
ЮаМе 13НО
ориентированные вниз, называются а-заместителями. Главное в этой системе обозна­
чений состоит в том, что буква р означает
«вверх», а буква а-«вн и з», причем это пра­
вило приложимо только к нормальному изо­
меру. а- и P-обозначения используются
в номенклатуре и энт-изомеров, но при
этом рассматриваемый энт-изомер следует
соотносить с соответствующим
нор­
мальным изомером. Для этого необходимо
помнить следующее. Поскольку энт-изомер
- э т о зеркальное отражение нормального
изомера, то заместители, ориентированные
у нормального изомера вверх и являющие­
ся, таким образом, P-заместителями, у энтизомера будут ориентированы вниз, но тем
не менее будут по-прежнему обозначаться
буквой р.
Иными словами для описания энт - изо­
меров используются те же символы а и р ,
что и для описания нормальных изомеров,
но только в противоположном значении.
Так, по систематической номенклатуре со­
единение XXVI (рис. 15.10) будет называть­
ся энт-7-а-гидроксикауреновой кислотой,
несмотря на то что ее 7-гидроксигруппа
Кольцо типа В
ориентирована вверх. Это объясняется тем,
что 1) название энт-7а-гидроксикауреновая
кислота означает «энантиомер 7а-гидроксикауреновой кислоты», а 2) у 7а-гидроксикауреновой кислоты (XXVII) 7-гидроксигруппа
ориентирована вниз, что обозначается сим­
волом а, поскольку 7а-гидроксикауреновая
кислота формально происходит от нор­
мального изомера каурана.
Путаница возникает из-за того, что си­
стематическая номенклатура в строгом
смысле не приложима для обозначения
гиббереллинов. В общем она приложима
для предшественников гиббереллинов (на­
пример, энт-7-а-гидроксикауреновой кис­
л о т ы -с м . рис. 15.12), но не для самих гиб­
береллинов. Как указывалось выше, для
обозначения гиббереллинов обычно ис­
пользуют тривиальную систему номенкла­
туры (ГА15 ГА2...... Г Ал), а не систематиче­
скую. Согласно тривиальной системе, сим­
волы а и р указывают ориентацию заме­
стителей относительно общей плоскости
циклической системы, но обозначения
а -« в н и з» и р~«вверх» используются, не-
кольцо типов C+D
* Буквами «г» я «р» указана локализация гиббереллинов: г-обнаружено у гриба Gibberella fujikuroi; р - обнаружено у высших растений.
М е-метильная группа; НО - гидроксильная группа; СН О -формнльная группа; C H jO H - гид рокси мети льна я группа; А‘-ей -двойная
связь между атомами С-I и С-2; Д2-ен - двойная связь между атомами С-2 и С-3.
Для каждого из приведенных в таблице гиббереллинов можно построить проекционные формулы. Для этого следует соединить со­
ответствующие кольца А, В и С + D в гетрациклическую систему колец и затем добавить к этой системе необходимые заместители, аЗаместители, ориентированные вниз относительно плоскости бумаги, показаны вертикальными черточками
, тогда как рзаместители, ориентированные вверх относительно плоскости бумаги, показаны черными клиновидными стрелками
Проекционная формула
Пространственная формула
Кауран
(XXII)
1Э
7
/
'/ \
20 X
1a i
н
С
14J
sJ/ T v,
|10
8р
16К
Iм /
Р 417с н .*
L— is
3Чл, sL В JА
н .с
IS
6
сн ,
19 18
энт-кауран
12
(X X III)
Гиббвреллан
(X X IV )
12
энт- Гиббервллан
(X X V )
н ,с
сн,
18 19
Рис. 15.9. Пространственные и проекционные
ф орм улы энантиомеров каурана и гиббелеллана.
Представив, что на месте прерывистых линий на­
ходится воображ аемое зеркало, нетрудно просле­
дить, как связаны между собой энантиомерные
пары (т.е. соединения, представляющ ие собой
зеркальные отражения др уг друга). Обратите
внимание, что у одного энантиомера замещенные
группы обращены вверх, а у д р угого энантиомера
проецируются вниз.
СООН
(XXVI)
энт-7ог~ гидрокси каурвноВая
кислота
НООС
(XXVII)
7ес - гидроксикауреновая кислота
ОН
= сн 2
НООС
НООС
GAW (XXVIII)
Зит-Зое, 12fi - диеидроксиеибберелл16-ен - 40, юр - диодая кислота
Рис. 15.10. Примеры, иллюстрирующие слож­
ность номенклатуры гиббереллинов (см. текст).
смотря на тот факт, что молекулой-родоначальником гиббереллинов является энтгиббереллан. В частности, говорят, что
ГА39 (рис. 15.10,XXVIII) имеет 3(3- и 12агидроксильные группы и 4а- и 10а-карбоксильные группы, хотя систематическое на­
звание этого соединения энт-За, 120-дигидроксигибберелл-16-ен-4р, ЮР-диоевая кис­
лота (т. е. это энантиомер За, 12р-гидроксигибберелл-16-ен-4р, 10р-диоевой кислоты;
рис. 15.10,XXIX). В табл. 15.1 использована
тривиальная система номенклатуры. В по­
следующем тексте для описания предшест­
венников гиббереллина (т.е. энт-каурен-»
энт-7а-гидроксикауреновая кислота; см.
рис. 15.12) используется систематическая
номенклатура, а для описания самих гиб­
береллинов - тривиальная.
Принятое обозначение гиббереллинов
ведет также к отказу от общего правила
номенклатуры ГА, а именно: то или иное
соединение можно включить в список гиб­
береллинов и присвоить ему номер при ус­
ловии, что оно должно не только 1) иметь
соответствующий углеродный скелет и 2)
быть природным соединением, но оно дол­
жно также проявлять активность в специ­
СООН
(XXIX)
Зое, 12J3- диеидроксигибберелл16-ен-4/i, юр -диодая кислота
фических биотестах на гиббереллины. Не­
которые из гиббереллинов, приведенных
в табл. 15.1, имеют низкую биологическую
активность или даже совсем лишены ак­
тивности. В частности, это относится к тем
гиббереллинам, у которых имеется 2р-гидроксильная группа, поскольку 2р-гидроксилирование является, по-видимому, спосо­
бом инактивации гиббереллинов у высших
растений и, возможно, участвует в меха­
низмах, регулирующих содержание гиббереллинов. У G. Jujikuroi не обнаружено
2-Р-гидроксигиббереллинов.
К настоящему времени уже идентифи­
цирован ряд производных гиббереллинов.
Первый из обнаруженных-это З-О-Р-ацетилгибберелловая кислота у G. fujikuroi;
в семенах Cacumus sativus были найдены
н-пропиловые эфиры ГА, и ГА3. Наиболее
распространенными производными гиббе­
реллинов высших растений являются, од­
нако, P-D-глюкозильные эфиры (назы­
ваемые также ГА-глюкозидами), у которых
D-глюкозный остаток часто соединен глюкозидной связью с 2р-гидроксильной груп­
пой (например, ГА8-0-(2) P-D-глюкозид;
XXX на рис. 15.11), а изредка с 3-гидрокси-Р-группой (например, ГА3-0(3)-P-Dглюкозид) и с 11-Р-гидрокси-группой (на­
пример, ГА35-0(11)-Р-0-глюкозид). У Pha-
r A g -0 (2 ) -fi-D -глЮКОЗид ( XXX)
н
он
он
ГА, -fi-D-глюкозный эсрир (ххх!)
Гибберетион (ста р о е название:
срарбитиевая кислота, ххх/1)
Рис. 15.11. Примеры некоторых природных про­
изводных гиббереллинов.
seolus vulgaris содержится ряд P-D-глюко-
зильных эфиров (например, rAj-P-D-глюкозильный эфир; XXXI на рис. 15.11). Не­
зрелые семена Pharbitis nil содержат более
сложные производные гиббереллина-гиб­
беретион (ранее называемый фарбитовой
кислотой; XXXII на рис. 15.11).
ГА-активность была обнаружена в эк­
страктах из всех частей высших растений,
включая побеги, корни, листья, бутоны, пе­
стики, тычинки и семена; ГА-активностью
обладают также пластиды. В общем веге­
тативные части растений содержат меньше
гиббереллинов, чем репродуктивные ор­
ганы. Незрелые семена особенно богаты
гиббереллинами (10-100 мкг/г сырого веса)
и представляют собой излюбленный
объект для выделения гиббереллинов и для
изучения их биосинтеза. По мере созрева­
ния семян образуются производные гиббе­
реллинов.
Активность гиббереллинов измеряется
с помощью специальных биотестов, боль­
шинство из которых основано на 1) стиму­
ляции роста проростков, генетически кар-
ликовых сортов гороха (мультигенные му­
танты), кукурузы (моногенные мутанты
d-1, d-2, d-3, d-5 и an,) и риса под дей­
ствием гиббереллинов, 2) стимуляции под
действием гиббереллинов роста салата
и огурцов, 3) повышении а-амилазной ак­
тивности в эндосперме семян злаковых (на­
пример, риса и ячменя) в ответ на воздей­
ствие гиббереллинов.
Биологическая активность гибберелли­
нов представляет собой функцию от их
структуры. При этом можно сделать сле­
дующие общие выводы: 1) для активности
необходимо наличие в молекуле 7а-карбоксильной группы, 2) С19-гиббереллины бо­
лее активны, чем Сго'Гиббереллины,
3) ЗР-гидроксилирование, Зр,13-дигидроксилирование или введение А‘-двойной связи
повышают активность С19-гиббереллинов,
4) окисление 10а-метильной группы в 10аальдегидную (формильную) группу или 5лактонизация кольца А (например, ГА15)
повышает активность С20-гиббереллинов
и 5) в результате 2р-гидроксилирования
С19- и С20-гиббереллины теряют актив­
ность.
II. Метаболизм гиббереллинов
1. Биосинтез гиббереллинов
Первый этап биосинтеза гиббереллинов
(ацетил-СоА —» ГА12-альдегид) у G. fujikuroi и высших растений идентичен. Этот
этап в свою очередь можно подразделить
на два этапа: первый (ацетил-СоА
-* ГМГ-СоА —> Мевалонат -» Мевалонилфосфат
—>
Мевалонилпирофосфат
-» ИПФ -*■ ДМАПФ -» ГПФ -+ ФПФ
-* ГГПФ) включает в себя начальные реак­
ции биосинтеза полиизопреноидов, описан­
ного в гл. 11, тогда как второй (ГГПФ-»
-*■ ГА! 2 -альдегид) представляет собой со­
бственно биосинтез гиббереллинов.
Этапы биосинтетического пути от
ГГПФ до ГА ^-альдегида показаны на
рис. 15.12. Первые два этапа (ГГПФ-»
-» Копалилпирофосфат -*■энт-Каурен) ка­
тализируются растворимым ферментным
комплексом, известным как энт-каурен—
синтаза. Этот ферментный комплекс про­
являет два типа каталитических активно­
стей, известных как А (активность,
обусловливающая превращение ГГПФ ->
-» Копалилпирофосфат) и В (активность,
обусловливающая превращение копалил­
пирофосфат —* энт-каурен). Механизм этих
этапов показан на рис. 15.13. Циклиза­
ция ГГПФ в копалилпирофосфат на­
чинается с электрофильной атаки ионом
Н + Д14-двойной связи и заканчивается
оттягиванием Н + от С-7 метильной груп­
пы, которая становится таким образом
метиленовой группой. Дальнейшая цикли­
зация копалилпирофосфата в энт-кау­
рен начинается с удаления пирофосфатной
группы в форме неорганического пирофосфатного иона, что сопровождается цикли­
зацией, перестройкой углеродного скелета
и в конце концов стабилизацией (в резуль­
тате потери Н + у С-17) конечного иона
карбония. Следующие три этапа состоят из
последовательного окисления С-19-метильной группы с образованием энт-кауренола,
энт-кауреналя и энт-кауреновой кислоты.
Это сопровождается гидроксилированием
при С-7, что ведет к образованию энт-1агидроксикауреновой кислоты. Ферменты,
катализирующие этапы от энт-каурена до
энт-7а-гидроксикауреновой кислоты, повидимому, представляют собой связанную
с мембраной цитохром Р450-оксигеназу со
смешанной функцией и, следовательно,
проявляют свою активность только в при­
сутствии О 2 и NADPH. Превращение
энт-7а-гидроксикауреновой
кислоты
в
ГА, 2 -альдегид связано с редукцией кольца
В от шестичленного к пятичленному циклу
с отщеплением С-7 в виде альдегидного
радикала и с образованием новой связи
между С-6 и С-8. Использование энт-7агидроксикауреновой кислоты, меченной
стереоспецифически тритием по С-6, пока­
зало, что при протекании вышеописанного
процесса ба-водород теряется (Нь на
рис. 15.14). Схематически механизм этой
реакции показан на рис. 15.14. Фермент,
катализирующий этот процесс, по-видимо­
му, связан с мембраной.
Путь от ГА , 2 -альдегида к гиббереллинам у G. fujikuroi исследован лучше, чем
у высших растений (рис. 15.15). G. fujikuroi
представляет собой очень удобный объект
для исследования биосинтеза, поскольку: 1)
он легче растет на синтетической среде, 2)
он поглощает 3Н и (или) 14С-предшественники гиббереллинов из среды, 3) он синте­
зирует в течение 4-6 дней большие количе­
ства гиббереллинов и 4) он выделяет эти
гиббереллины в культуральную среду, что
в значительной мере облегчает их после­
дующую экстракцию и очистку перед иден­
тификацией методами комбинации газо­
жидкостной хроматографии и масс-спетрометрии или изотопным методом. Значи­
тельное количество сведений о биосинтезе
гиббереллинов было получено в опытах
с G. fujikuroi с использованием В1-41а-мутанта этого гриба, который не синтезирует
гиббереллинов, поскольку соответствую­
щий биосинтетический путь блокирован
у него на этапе превращения энт-каурена­
ля в энт-кауреновую кислоту (рис. 15.12).
Однако у этого мутанта имеются все фер­
менты последующих стадий биосинтеза
гиббереллинов, поскольку он превращает
пост-энт-кауреновую кислоту (предше­
ственник гиббереллинов) в те же гибберел­
лины, что и исходный штамм G. fujikuroi,
продуцирующий гиббереллины.
Большое преимущество мутанта В1-41а
перед штаммами, продуцирующими гиббе­
реллины, при исследовании биосинтеза
гиббереллинов состоит в том, что его мож­
но использовать для введения в гриб 3Ни (или) 14С-гиббереллинов, не опасаясь, что
Геранилгеранилпирофохфат СГГПФ)
Копалил пирофосфат
а. б
Энт-Каурен
энт-кауреновая кислот а
г
СООН
ГА ,2 -а льдеги д
СООН
э н т -7 а - гидропсикауреновая
кислота
Рис. 15.12. Превращение геранилгеранилпирофосфата в ГА12-альдегид у Gibberella fujikuroi и
у высших растений, а - о деталях механизма см.
рис. 15.13; б-блокируется у мутанта кукурузы
dwarf-5; e-блокируется у мутанта В1-41а G. fuji­
kuroi; г - о деталях механизма см. рис. 15.14.
конечные метаболиты будут разбавлены
продуктами эндогенного биосинтеза (т.е.
синтеза метаболитов из немеченых источ­
ников углерода через ацетил-СоА и мевалонат).
Такие исследования отчетливо показа­
ли, что на этапе ГА12-альдегида путь био­
синтеза гиббереллинов разветвляется на
два п ути -п уть так называемого раннего
/\
ГГПФ
Н Н
/fо п а л и л пироф осф ат
б
\~
Энт - Каурен
Рис. 15.13. Постулированный механизм циклиза­
ции геранилгеранилпирофосфата (ГГПФ) в энткаурен через копалилпирофосфат. а -«Aw-актив­
ность энш-каурен-синтазы; б-«В»-активность
энт-каурен-синтазы.
энт - 7ос- гидроксикауреновая
ки с ло т а
Рис. 15.14. Схема механизма превращения энт-1а-гидроксикауреновой кислоты в ГА12-альдегид.
ОРР
Путь без 3fi гидроксилиро вониа
[ ГА^-альдегид] ГА,в ГАА7 ГА,
Путь раннего
Зр - гидроксилирования
ГА ,4 - альдегид
Г^42
Г А Зв
Рис. 15.15. Путь биосинтеза гиббереллинов после
ГА12-альдегида у Gibberella fujikuroi.
этапы, связывающие основные метаболиты;
-* этапы, связывающие минорные метаболиты;
— If» этапы, которые не удается продемонстри­
ровать; [
] - гипотетические промежуточные
продукты.
а-7р-СНО-»7р-СООН; б-потеря С-20 и стан­
дартная циклизация кольца А; в-10а-СН3
(С-20)-> Юа-СН2ОН с последующей лактонизацией с 4а-СООН; г-10а-СН3 (С-20)-» Юа-СНО;
д — 10а-СН3 (С-20)- * 1Оа-СООН; е - гидратация
Д,б-двойной связи дает 16а-НО и 16р-СН3;
ж -потеря С-20, образование ip, Юр-эпоксида
и лактонного кольца между 4а-СООН и 2а-ОН;
з -1 ,3-гидроксилирование; и - 2а-гидроксилирование; к-ЗР-гидроксилирование; л - 1а-гидроксилирование; .м-образование Д1-двойной связи.
З-Р-гидроксилирования и путь, минующий
3- Р-гидроксилирование.
Первый из названных путей ведет, оче­
видно, к синтезу всех хорошо изученных
известных гиббереллинов, ГА3 и ряда ЗРгидроксигиббереллинов. Этот путь на­
чинается с ЗР-гидроксилирования ГА12альдегида.
Конечный
продукт,
т. е.
ГА 14-альдегид, затем превращается в ГА4.
Это превращение нуждается 1) в окислении
формильной группы 7р-альдегида в 7р-карбоксильную группу и 2) в потере 10а-метильной группы с образованием лактоно­
вого кольца между С -19 и С-10; этот этап
называется стандартной лактонизацией
кольца А (рис. 15.15). Пока еще не устано­
влено, какой из двух процессов осущест­
*
вляется первым. Если имеет место после­
довательность 1 -*■2, то промежуточным
метаболитом между ГА14-альдегидом и
ГА4 должен быть ГА14. Если же действует
последовательность 2 —> 1, то в качестве
промежуточного
продукта
образуется
ГА4-альдегид. С первого взгляда ответ ка­
жется достаточно однозначным, поскольку
в опытах с введением ГА14-альдегида ГА 14
является основным метаболитом, тогда
как ГА4-альдегид при этом совсем не об­
наруживается. Однако необходимо при­
знать возможность участия последнего ме­
таболита в этих превращениях, поскольку
опыты с введением ГА14 показали, что он
превращается в ГА4 и другие С 19гиббереллины
более
медленно,
чем
ГА14-альдегид. Н а уровне ГА4 основной
путь метаболизма разветвляется на не­
сколько путей. Три из этих путей связаны
с гидроксилированием: 1а-гидроксилирование ведет к образованию ГА16, 2ос-гидроксилирование-к образованию ГА47, а гидроксилирование по С -1 3 -к образованию
основного метаболита ГА ,, тогда как гидроксилирование по С-4 приводит к введе­
нию Д^двойной связи с образованием
ГА7-д ругого основного метаболита. Гидроксилирование последнего по С -13 ведет
к образованию основного метаболита ГА3.
ГА 14 превращается также и в другие
С20-гиббереллины. Он гидратируется по
Д1б-двойной связи с образованием ГА42
и подвергается различной степени окисле­
ния по С-20 с образованием ГА36
(ЮаСНО) и ГА13 (ЮаСООН); опыты
с изотопами показывают, что ГА36 не
окисляется до ГА13 и что ГА13 не декарбоксилируется с образованием С ^-соеди­
нений, лактонного кольца А молекулы
ГА3.
Путь, минующий Зр-гидроксилирование, ведет к образованию ГА12 и ГА9 в ка­
честве основных продуктов. На первом
этапе происходит окисление 7|3-альдегидной (формильной) группы ГА12-альдегида
до 7 Р-карбоксильной группы, приводящее
к образованию ГА12. Опыты с введением
радиоактивно меченного ГА12 показы­
вают, что, хотя его основной метабо­
л и т -это ГА9, в результате различных
степеней окисления 1Оа-метильной группы
(С-20) из него образуются и минорные ме­
таболиты-такие, как ГА15 (ЮаСН2ОН,
с последующей лактонизацией), Г А24
(ЮаСНО) и ГА25 (ЮаСООН). ГА9 метаболизируется далее до четырех минорных ме­
таболитов ГА10, ГАП и ГА 40.
Превращение ГА12 в ГА9 (путь, миную­
щий Зр-гидроксилирование) и превращение
ГА14в ГА4 (путь раннего ЗР-гидроксилирования) приводят к одному и тому же ре­
зультату-удалению 1Oa-метильной группы
(С-20) и образованию лактонного кольца
между С-19 и С-10 с помощью, по-видимо­
му, одного и того же механизма. Однако
природа этого механизма не ясна. На
первый взгляд казалось, что наиболее ве­
роятный механизм должен включать в се­
бя окисление 1Oa-метильной группы с по­
следующим ее удалением в виде СНО или
С 0 2, сопровождающимся образованием
Д1(10)-, Д5(10)- или Д9-двойных связей, ко­
торые затем
могут
гидратироваться
с образованием С-10-гидроксильной груп­
пы; последняя затем может образовывать
лактоновое кольцо с 4а-карбоксильной
группой (С-19) путем отщепления Н20 .
Этот механизм был опровергнут в резуль­
тате опытов с изотопами, которые показа­
ли, что 1) в процессе превращения
С20-гиббереллинов в С 19-гиббереллины не
происходит отщепления атомов водорода
от С-1, С-5 из С-9; это в свою очередь ис­
ключает возможность участия Д1<10)-,
д 5 ( 1 ° ) . и д^.двойных связей; 2) оба атома
кислорода С4 a-19-карбоксильной группы
присутствуют в лактоне; на основе этого
можно исключить возможность образова­
ния лактона в результате отщепления эле­
ментов молекулы воды в результате реак­
ции между 4а-карбоксильной и С-10-гидроксильной группами, поскольку один
кислородный атом лактона происходил бы
тогда от С-10-гидроксильной группы. По­
ложение 2 исключает также биологиче­
ский
тип
реакции
Байер-Виллигера
(Baeyer-Villiger) и участие С-19-надкислот.
Очевидно, превращение С20-ГА -» С 19ГА включает в себя промежуточный метабо­
лит с электрофильным центром при С-10,
который атакуется С-19-карбоксилатным
ионом. Более того, вполне возможно, этот
ион принимает участие в отщеплении С-20;
однако не ясно, на каком этапе окисления
отщепляется С-20, поскольку результаты
экспериментов с радиоактивными соедине­
ниями оказались неубедительными.
Путь
превращений,
начиная
от
ГА12-альдегида у высших растений, изучен
хуже. Имеющиеся данные фрагментарны и
к тому же получены на разных расти­
тельных видах, а именно на тыкве (Cucurbita
maxima), фасоли (Phaseolus vulgaris) и горохе
(Piston sativum). Большинство экспериментов
с мечеными метаболитами было проведено
с развивающимися семенами, поскольку
в них содержание гиббереллинов выше, чем
в вегетативных тканях.
По-видимому, у некоторых высших рас­
тений функционируют оба пути, обнару­
женные у G .fujikuroi (т.е. «раннее ЗР-гидроксилирование» и путь, минующий Зр-гидроксилирование), но, кроме того, существует
еще и третий путь-путь «раннего С-13 гидроксилирования», которого нет у G. fujikuroi. В настоящее время установлено, что
«путь раннего ЗР-гидроксилирования» дей­
ствует у фасоли и тыквы, а путь, минующий
ЗР-гидроксилирование,-у гороха и тыквы,
тогда как путь раннего 13-гидроксилирования - у фасоли, гороха и кукурузы (Zea mays).
Кроме того, у G.fujikuroi не функционирует
путь раннего 13-гидроксилирования; между
этим грибом и высшими растениями суще­
ствуют различия в деталях раннего Зр-гидроксилирования и пути, минующего ЗР-гидроксилирование. В частности, 2Р-гидроксилирование, обычное у высших растений, не
обнаружено у G.fujikuroi ; это ведет к потере
биологической активности. Более того, ме­
таболизм гиббереллинов по пути образова-
А. Бесклетачная ферментная система из эндосперма
ты квы (С и с и гШ а m a x im a )
-СГА,,-20* СН.0Н1-2— *-
чг
°/Путь без Зр -гидроксилиро­
вания
ГА 25
Г
ГА 1S
I'
ГА и ~ альдегид
к ^путь раннего Зр-гидраксилирования
ГА]у
II
ГА ^-альдегид— s—^ ГАМ — — ^СГАЦ - 20ос СНг ОН] ° - ГА}в
п ■ ГА,3
V
ГААЗ
В. Интактные развивающиеся семена
фасоли (Phaseotus vutgarLs)
Глюкозный эфир ГА/
\
в
Путь раннего Зр - гидрокеи
ГлюкозныйэфирГа4
лирования
s 4v
Предполагаемый
'л глюкозный ЭфирГА^/к
Путь раннего 13 -гидроксилиро*
да ни я
Ж ,
1
ГА
Предполагаемый глюкоз­
ный эфир ГА §
В. И нтактны е проростки и развивающиеся
семена гороха (Pisum sativum)
р
ГА 51
^ Г А , ---------Путь без ЗР-гидроксилирования
ГА/f- альдегид
Путь раннего 13- гидроксилирования
'ГАго
Рис. 15.16. Путь биосинтеза гиббереллинов после
ГА12-альдегида у высших растений согласно со­
временным представлениям. Значения буквенных
обозначений от а до м, [
| и стрелки различ­
ной формы те же, что и на рис. 15.15;
ния p-D-глюкозильных и сложных эфиров
происходит у высших растений, но не у G.
fujikuroi.
Эти пути представлены на
рис. 15.16. Где именно у высших растений
ГА'29
н - 20а-СН 3-* 20а-СН2С)Н;
- 20а-СНО; и - 20а-СНО - 20а-СООН; р - 2Р-гидроксилирование;
с -л а к т о н и за ц и я
между
локализован биосинтез гиббереллинов, точ­
но не установлено. Похоже, что в основном
гиббереллины синтезируются в верхушках
побегов и корней, молодых листьях, частях
цветка, незрелых семенах и прорастающих
зародышах. Однако вполне возможно, что
почти все ткани способны до некоторой
степени синтезировать гиббереллины. Суб­
клеточными центрами синтеза гибберелли­
нов являются, по-видимому, пластиды.
Данные в пользу того, что синтез гибберел­
линов происходит внутри пластид, доволь­
но убедительны. Очень четко это показано
для участка биосинтеза мевалонат -*•
- * энт-каурен, достаточно четко (но только
в случае ячменя)-для участка кауренол -*•
-* энт-7а-гидроксикауреновая кислота, бо­
лее или менее четко-для конечных этапов
биосинтеза. Однако в настоящее время
еще нельзя сказать, протекают ли эти
реакции только в пластидах.
Было показано, что ряд соединений по­
давляет биосинтез гиббереллинов. Наибо­
лее известный из них-это АМО-1618 [(2изопропил-4'-триметиламмонийхлорид)-5'метилпиперидинкарбоксилат], ССС (Рхлорэтилтриметиламмонийхлорид) и фосфон-0(трибутил-2,4-дихлорбензилфосфонийхлорид), которые подавляют А-активность энт-каурен—синтазы (рис. 15.13). Анцимидол (а-4-метоксифенил)-циклопропил5-пиримидинметанол EL531 и сходный
с ним триаримол а-2,4-дихлорфенил-афенил-5-пиримидинметанол EL 273 по­
давляют все этапы биосинтеза в та­
кой последовательности: энт-каурен —» экткауранол -» энт-кауреналь - » энт-кауреновая кислота. Это все реакции окисления, катализуемые цитохром Р450-оксигеназами
со смешанной функцией, и можно думать,
что указанные ингибиторы взаимодейству­
ют с цитохромом Р450; это взаимодействие
может включать в себя связывание одного
из атомов азота пиримидинового кольца
с протогемом Fe цитохрома Р450, предот­
вращая таким образом связывание с ним
кислорода. Данные соединения подавляют
рост многих высших растений и исполь­
зуются для задержания роста; вполне воз­
можно, что это тормозящее действие обус­
ловлено блокированием образования гиббе­
реллинов.
2. Инактивация гиббереллинов
Введение 2р-оксигруппы в гиббереллин
заметно подавляет его биологическую ак­
тивность. Полагают, что 3Р-гидроксилирование гиббереллинов-необратимый про­
цесс, широко распространенный у высших
растений, и что оно может служить одним
из механизмов регуляции содержания био­
логически активных гиббереллинов в тка­
нях, хотя до сих пор никаких прямых
данных в пользу этого предположения не
получено. Существуют однако данные
о том, что 2р-гидроксилирование ГА20
с образованием ГА29 происходит только на
определенной стадии развития семян гороха
и, по-видимому, связано с определенной ре­
гуляторной функцией.
P-D-глюкозильные и сложные эфиры
гиббереллинов либо совсем лишены биоло­
гической активности, либо эта активность
находится на очень низком уровне. Их фи­
зиологическая роль у растений не ясна, но
их образование в растениях может выпол­
нять функцию другого механизма инактива­
ции. Они образуются из свободных гиббе­
реллинов при созревании семян. При прора­
стании семян ГА-P-D-глюкозильные эфиры,
по-видимому, подвергаются гидролизу
с образованием свободных гиббереллинов;
с возрастом эта способность у проростков
утрачивается.
Гибберетион (XXXII на рис. 15.11) обра­
зуется в незрелых семенах Pharbitis nil в ре­
зультате
окисления
ЗР-гидроксильной
группы ГА3 с последующим присоедине­
нием меркаптопировиноградной кислоты
или L-цистеина, приводящим к образова­
нию ос, p-ненасыщенного кетона. Он не
обладает ГА-активностью и рассматривает­
ся так же, как продукт инактивации ГА.
III. Передвижение гиббереллинов
в растениях
В наших представлениях о передвижении
эндогенных гиббереллинов у высших расте­
ний на различных фазах их роста нет полной
ясности. Для изучения этой проблемы был
использован ряд экспериментальных подхо­
дов. Они включали в себя: 1) опыты, в ко­
торых радиоактивно меченные ГА, часто
ГК (гибберелловую кислоту, ГА3) наносили
на какой-то участок поверхности одной ча­
сти растения и затем через несколько часов
прослеживали распределение радиоактив­
ности у всего растения; 2) опыты, в которых
изолированные побеги погружали в рас­
творы с радиоактивными гиббереллинами
(ГА) и затем прослеживали их распределе­
ние методом радиоавтографии, 3) опыты.
в которых радиоактивный агаровый блок,
содержащий радиоактивный или немеченый
гиббереллин, помещали на срез отрезка сте­
бля или черешка с одной стороны и затем
путем измерения радиоактивности или с по­
мощью биотеста определяли, какое количе­
ство ГК достигло агарового блока, поме­
щенного на срезе с другой стороны отрезка,
4) опыты, в которых определяли содержание
гиббереллинов в соке из ситовидных трубок
(флоэмном соке) и в ксилемном соке (пасо­
ке). Хотя эти опыты в ряде случаев подвер­
гались критике, они все-таки показали, что
1) гиббереллины могут передвигаться по
флоэме и ксилеме, 2) гиббереллины в общем
передвигаются по молодым, растущим тка­
ням, таким, как верхушки побегов и корней
и незрелые листья и 3) гиббереллины не про­
являют полярности транспорта, характер­
ной для ауксина.
Латеральный транспорт или перераспре­
деление гиббереллинов в результате фотои геотропической стимуляции исследова­
лись в различных тканях, но четких резуль­
татов не получили.
В одном случае передвижение гибберел­
линов в растении установлено точно. Оно
происходит в прорастающем семени злаков,
где гиббереллины перемещаются из щитка
в клетки алейронового слоя (разд. В IV и
В V).
ГУ. Физиологическое действие
гиббереллинов
Наиболее выраженное действие гиббе­
реллинов-это их способность стимулиро­
вать рост стебля 1) у карликовых сортов
растений (например, у карликового гороха,
Pisum sativum, сорт Метеор), 2) у некоторых
мутантов по одному единственному гену
(например, у карликовой кукурузы Zea mays,
мутант d-5) и 3) у розеточных растений (на­
пример, у капусты Brassica oleracea, салата
Lactuca sativa), у которых листья собирают­
ся в плотную группу вокруг стебля и послед­
ний несколько вытягивается. Удлинение сте­
бля высокорослых растений при экзогенном
введении гиббереллина происходит слабо.
Растяжение стебля под действием гиббе­
реллина обусловлено растяжением клеток,
а не делением клеток. Об этом свидетель­
ствует тот факт, что проростки пшеницы
и ячменя, полностью утратившие способ­
ность к клеточному размножению в резуль­
тате а-облучения, продолжали растягивать­
ся под действием гиббереллина. В этом
случае гиббереллины действовали подобно
ауксинам.
Хотя существует много примеров нали­
чия положительной корреляции между дей­
ствием гиббереллина и растяжением стебля,
все они были получены в опытах с экзо­
генным воздействием гиббереллина. Более
убедительно участие гиббереллина в про­
цессе растяжения стебля было бы доказано
в том случае, если бы удалось установить
наличие положительной корреляции между
эндогенным содержанием идентифициро­
ванных гиббереллинов и растяжением стеб­
ля. Те немногочисленные данные о наличии
такой корреляции, которыми мы в настоя­
щее время располагаем, были получены
в опытах с экстрагируемым гиббереллиноподобным материалом, точное содержание ко­
торого неизвестно, причем наблюдаемая
корреляция между «кажущимся» содержа­
нием этого материала и ростом в одних слу­
чаях была положительной, в других - отри­
цательной. Примером положительной кор­
реляции может служить мутант d-5. Этот
мутант в пять раз ниже, чем нормальная ку­
куруза. Из него не удавалось экстрагиро­
вать веществ с гиббереллиновой актив­
ностью. Этим он отличается от нормальной
кукурузы, из которой были экстрагированы
гиббереллиноподобные вещества. Посколь­
ку экзогенная обработка мутанта рядом
предшественников гиббереллинов, включая
энт-каурен и продукты его окисления, при­
водила к тому, что мутант начинал расти
и достигал высоты нормальной кукурузы,
можно было прийти к выводу, что моногенная мутация оказывала неблагоприятное
воздействие на один из тех ферментов, ко­
торые катализируют этап, предшествую­
щий образованию энт-каурена в пути био­
синтеза гиббереллинов. Опыты с бесклеточными системами показали, что это
действительно так; P-активность энт-кау­
рен—синтазы (рис. 15.12) мутанта d-5 со­
ставляет одну пятую этой активности в нор­
мальной кукурузе. Растение куколя посевно­
го (Agrostemma githago) представляет собой
пример негативной корреляции между со­
держанием экстрагируемых гиббереллиноподобных веществ и растяжением стебля.
Это растение растет на коротком дне в фору­
ме розетки и стрелкуется (т.е. переходит
к удлинению стебля) .при экспозиции на
длинном дне. Экзогенная обработка розеточных растений куколя при коротком дне
растворами гиббереллина также вызывает
стрелкование. Поскольку ГК воспроизводит
действие длинного дня на розеточное расте­
ние куколя, вызывая его стрелкование, мож­
но думать, что под действием длинного дня
у растений повышается эндогенное содер­
жание гиббереллинов. Однако в данном слу­
чае этого не происходит; содержание эк­
страгируемых гиббереллиноподобных ве­
ществ в розеточных растениях либо равно
этому содержанию в стрелкующихся расте­
ниях, подвергнутых фотопериодическому
воздействию, либо выше этого уровня. Не­
гативная корреляция между гиббереллиноподобными веществами и удлинением сте­
бля еще не дает основания делать вывод
о том, что гиббереллины не влияют на рост
стебля, поскольку нетрудно привести до­
воды в пользу такого влияния. Негативную
корреляцию в случае куколя можно, по-ви­
димому, объяснить тем, что в условиях ко­
роткого светового дня гиббереллины компартментализуются в клетках и поэтому не
могут стимулировать рост стебля, пока под
действием длинного светового дня не на­
чнется их высвобождение; если дело об­
стоит таким образом, то количество экстра­
гируемых гиббереллинов в розеточных
и стрелкующихся растениях должно быть
одинаковым.
Большинство данных о других эффектах
гиббереллинов также было получено в опы­
тах с введением экзогенных гиббереллинов
в целое растение или в его часть. Гиббереллины стимулируют цветение у многих рас­
тительных видов; они представляют собой
единственную группу веществ, о которых
известно, что они обладают такой актив­
ностью. Этот эффект почти полностью
ограничивается растениями длинного дня,
которые в условиях короткого дня растут
в форме розетки и стрелкование которых
(удлинение стебля) в обычных условиях со­
провождается цветением. К таким расте­
ниям относятся упоминавшиеся выше ку­
коль, салат, шпинат Spinacia oleracea, плевел
Lolium ternulentum и прочие. Доза гибберел­
лина, необходимая для индукции цветения,
колеблется в интервале от 3 до 100 мкг
в расчете на одно растение в зависимости от
вида, причем ее можно повторно наносить
на растение через определенные промежут­
ки времени. Большинство исследований
в этой области проведено с использованием
ГА3, однако в опытах с Crepis parviflora ГА4
и ГА7 были более активны, чем ГА3.
Экзогенно введенный гиббереллин сни­
мает у двулетних растений потребность
в яровизации. В обычных условиях двулет­
ние растения в первый год прорастают
и растут вегетативно, но не цветут. Однако
после воздействия низких температур во
время зимнего периода они зацветают на
второй год. Для зацветания необходимо
продолжительное воздействие низких тем­
ператур в сочетании с последующим опти­
мальным фотопериодом; без этого вегета­
ционный период будет продолжаться не­
определенно долго. Если двулетник под­
вергнуть воздействию низких температур
в сочетании с соответствующим фотоперио­
дом в первый год, то он зацветет в этом же
году, т.е. будет вести себя как однолетнее
растение. Эта индукция или стимуляция за­
цветания вегетирующего растения под дей­
ствием низких температур получила назва­
ние яровизации. Центром восприятия яровизационного воздействия в растении мо­
жет быть или точка роста, или любая зона,
в которой есть делящиеся клетки. Возраст,
при котором растение чувствительно к яровизационному воздействию, различен у раз­
ных видов; например, зерновые могут яро­
визироваться при прорастании семян, тогда
как побеги брюссельской капусты (Brassica
oleracea var gemifera) должны достичь фазы
30 листьев. Нанесение на двулетники гиббе­
реллина способно заменить воздействие
низких температур и вызвать зацветание.
Однако гиббереллин не способен заменить
низкие температуры и вызвать зацветание
у тех двулетников, которые вегетируют не
в розеточном состоянии, а образуют сте­
бель уже на первом году.
Экзогенно введенный гиббереллин пре­
одолевает необходимость в стратификации
у тех семян, которые в ней нуждаются. Стра­
тификация нужна семенам тех растений (на­
пример, Pinus rigida), которые прорастают
только после того, как их выдерживают
в условиях низких температур на протяже­
нии длительного периода, предшествующе­
го прорастанию.
Гибберелловая кислота вызывает партенокарпию: для этого цветки надо опрыски­
вать раствором гибберелловой кислоты.
Партенокарпия представляет собой про­
цесс, при котором плоды развиваются без
завязывания семян (оплодотворения). Раз­
вившиеся из стенок семяпочки и плоды
имеют нормальный вид, но при этом не со­
держат семян. Ауксин также способен вы­
звать развитие партенокарпии, но гибберел­
лин более активен. Гиббереллин способен,
например, вызвать партенокарпию у ко­
сточковых, которые не чувствительны
к ауксину.
Нанесение экзогенного гиббереллина на
зрелые листья плюща (Hedera helix) индуци­
рует обратное развитие зрелых листьев
в ювенильную форму, обладающую харак­
терными морфологическими особенностя­
ми.
Установлен один хорошо доказанный
эффект эндогенного (но не нанесенного эк­
зогенно) гиббереллина. Он обнаружен
у прорастающих семян злаков (например,
у ячменя Hordeum vulgare). Вскоре пос­
ле того, как семя насосет воду через ми­
кропиле, т.е. завершится первый этап про­
растания, зародыш в зоне щитка синтези­
рует гиббереллины ГА3 и ГА4. Эти гиббе­
реллины перемещаются затем в алейро­
новый слой, который окружает крахмало­
носные клетки эндосперма. Гиббереллины
стимулируют синтез а-амилазы и других
ферментов в алейроновом слое (разд. B.V).
Затем эти ферменты выделяются в эндо­
сперм, где они участвуют в расщеплении
крахмала (гл. 7, разд. Г.1.1, и) до сахаров,
которые поглощаются зародышем и ис­
пользуются для поддержания роста.
V. Биохимический механизм
действия гиббереллинов
Как мы видели выше (разд. B.IV), гиббе­
реллины оказывают разнообразные воздей­
ствия на растения или принимают участие
в регуляции этих процессов. В настоящее
время ни одно из этих воздействий нельзя
еще объяснить на молекулярном уровне.
Действительно, даже наиболее успешное ис­
следование алейронового слоя ячменя на­
столько незавершено, что мы имеем не бо­
лее чем расплывчатую картину того, что
в действительности имеет место.
Общее представление о действии гиббе­
реллина на клетки алейронового слоя опи­
сано в разд. B.IV. Самое важное свойство
гиббереллинов-это способность стимули­
ровать выделение а-амилазы и других гидролаз в эндосперм, что ведет к распаду за­
пасного крахмала. Хотя алейроновые клет­
ки сухих, непроросших семян содержат
Р-амилазу7, запасенную, по-видимому, в
алейроновых зернах, они совсем не содер­
жат а-амилазы. Образование а-амилазы —
условие, необходимое для процесса прора­
стания, поскольку она одна из всех фермен­
тов, участвующих в расщеплении крахмала,
способна расщеплять крахмал, заклю­
ченный в крахмальных зернах и находящий­
ся в таком виде в клетках эндосперма. Экс­
периментально было показано, что ГК
(ГА3) стимулирует синтез de novo четырех
изоферментов а-амилазы в алейроновых
клетках. Существует, однако, 8-10-часовой
лаг-период между введением ГК и первым
появлением а-амилазы. В тот же период, как
появляется а-амилаза, синтезируются и по­
являются новые гидролазы, в том числе
протеиназа, рибонуклеаза8 и в меньшей сте­
пени эндо-1,3-Р-О-глюканаза9. Эти фермен­
ты наряду с другими ферментами в алейро­
новых зернах, которые вроде (i-амилазы бы­
ли ранее запасены в алейроновых зернах,
выделяются затем из алейроновых клеток
в ткань окружающего эндосперма. Неко­
торые из гидролаз воздействуют на кле­
точные стенки эндосперма, облегчая про­
никновение ферментов, расщепляющих
крахмал.
Синтез и выделение а-амилазы и других
гидролаз-наиболее типичная, но отнюдь не
единственная, реакция клеток на гибберел­
лин. Ей предшествует пролиферация мем­
бран эндоплазматического ретикулума, на­
чинающаяся через 2-4 ч после введения
гиббереллина. Об этом свидетельствует
наблюдаемое под электронным микроско­
пом интенсивное увеличение шероховатого
эндоплазматического ретикулума, повы­
шенное включение предшественников липи­
дов мембран (например, Р320 |~ , 14С-холина) в мембранную функцию и усиление
активности ключевых ферментов биосинте­
за мембранных липидов, например, холинфосфат-цитидилтрансферазы10 и холинфосфатацилглицерол-трансферазы11.
Такой повышенный синтез мембран
вполне можно было предсказать, исходя из
необходимости в интенсивной секреции
ферментов. Белки, предназначенные для се­
креции из клеток, изолированы от несекре-
тируемых белков с помощью процесса, опи­
санного в гл. 4, разд. Г.Ш. Они синтези­
руются на рибосомах, локализованных на
мембранах эндоплазматического ретикулума, и затем проникают в просвет канальцев
эндоплазматического ретикулума, где пре­
терпевают структурную модификацию под
каталитическим воздействием «портняжни­
чающих» ферментов. Затем они включают­
ся в цистерны Гольджи, где могут подвер­
гаться дальнейшим структурным превраще­
ниям. В конце концов они попадают
в пузырьки Гольджи, которые перемещают­
ся к плазмалемме, сливаются с ней и вы­
деляют свое содержимое-ферменты-во
внешнюю для клетки среду. Таким образом,
процесс секреции ферментов ведет к транс­
порту мембранного материала из эндоплаз­
матического ретикулума к плазмалемме.
Эта потеря эндоплазматического ретикулу­
ма должна быть замещена синтезом новой
мембраны эндоплазматического ретикулу­
ма. Таким образом, усиление синтеза эндо­
плазматического ретикулума, начинающее­
ся через 2-4 ч после обработки гиббереллином, можно объяснить тем, что клетка
готовится к массированному переносу эндо­
плазматического ретикулума к плазмалем­
ме, что сопровождается секрецией а-амилазы и других гидролаз. Тот факт, что во
время индуцированной гиббереллином про­
лиферации, которая предшествует синтезу
а-амилазы, эндоплазматический ретикулум
обильно покрыт рибосомами (т. е. шерохо­
ватый эндоплазматический ретикулум пре­
обладает), свидетельствует, очевидно, о том,
что имеет место синтез белковых компонен­
тов мембран, а не синтез ферментов, пред­
назначенных для секреции.
Из вышесказанного следует, что гиббе­
реллин проявляет два типа воздействия
в алейроновых клетках, которые разделены
во времени. П ервое-это включение синтеза
эндоплазматических ретикулярных мем­
бран, а второе-включение синтеза а-амилаз
и других гидролаз. Каким точно образом
гиббереллин осуществляет первую реакцию,
до сих пор не известно. Однако было выска­
зано предположение, что он прямо или кос­
венно (т.е. через специфический рецептор)
активирует ключевые ферменты в мембран­
ном синтезе. Существует несколько больше
информации о втором типе действия гиббе­
реллинов. Актиномицин D-антибиотик, про­
дуцируемый Streptomyces spp., блокирует
транскрипцию мРНК на ДНК, интеркалируя (вставляя) феноксазольную кольцевую
систему между парами оснований двойной
спирали ДНК в областях, содержащих гуа­
нин, что ведет к торможению синтеза а-ами­
лазы, индуцированной гиббереллином. Чем
раньше во время лаг-фазы введут этот анти­
биотик, тем выше будет его эффективность.
Из этого следует, что гиббереллин стимули­
рует синтез мРНК, специфичных для а-ами­
лаз. Эта мРНК, по-видимому, является
долгоживущей, поскольку актиномицин
D все слабее и слабее подавляет синтез аамилазы, индуцированный гиббереллином,
если его вводят в разные периоды лаг-фазы,
и теряет свое действие, если его вводят по­
сле окончания лаг-фазы. Каков точный ме­
ханизм, с помощью которого гиббереллин
стимулирует синтез мРНК, специфичных
для а-амилазы, не ясно. Возможно, что он
непосредственно или опосредованно (т. е. че­
рез специфический рецептор, возможно, от­
личный от того, который употреблялся ра­
нее), вызывает депрессию гена а-амилазы.
Имеются веские доводы в пользу того, что
синтез de novo других гидролаз стимули­
руется тем же самым путем.
Гиббереллин-не единственный гормон
растений, участвующий в секреции а-амилазы из алейроновых клеток. Абсцизовая
кислота (разд. Д) подавляет выделение аамилазы, индуцированное гиббереллином,
вне зависимости от того, вводится ли она до
или после лаг-фазы. При этом она не оказы­
вает влияния на общую скорость синтеза
белка. Ингибиторное действие абсцизовой
кислоты может быть преодолено цитокининами (разд. Г), которые, однако, сами по се­
бе не оказывают действия на образование
а-амилазы. Этилен (разд. Е) не влияет на
синтез а-амилазы, но стимулирует ее выде­
ление из алейроновых клеток.
Из данных, приведенных в разд. B.IV,
очевидно, что наиболее сильно гиббереллин
действует на клеточное растяжение. Как
функционирует при этом гиббереллин,
остается не ясным. Однако основные меха­
низмы
растяжения,
обсуждающиеся
в разд. B.V, приложимы и в этом случае.
Поэтому вполне возможно, что гибберел­
лин, так же как и ауксин, участвует какимто образом в развитии клеточной пластич­
ности.
Г. ЦИТОКИНИНЫ
I. Открытие и характеристика
Цитокинины были открыты в результате
интенсивной работы с культурой тканей,
проведенной Скугом (Skoog) в 45-55-х го­
дах. Скуг обнаружил, что если отрезки
стебля табака, состоящие из тканей коры,
проводящих пучков и сердцевины, культи­
вировать в среде, содержащей ауксин, то
клетки сердцевины начинают размножать­
ся. Если же в той же среде культивировать
одну ткань сердцевины, то клетки будут рас­
ти, но не делиться. Деление клеток, находя­
щихся в этой среде, будет индуцировано
в том случае, если ткань сердцевины поме­
стить в контакте с проводящей (сосудистой)
тканью или если экстракт из последней тка­
ни добавить в питательную среду. Очевид­
но, что проводящая ткань содержит веще­
ство, стимулирующее клеточное деление
в сердцевине табака. Вещества, стимули­
рующие клеточное деление, были также об­
наружены в кокосовом молоке (жидкий эн­
досперм), солоде и в автоклавированном
препарате ДНК, выделенном из спермы
сельди. Последний источник оказался на­
иболее богатым, и из него в 1956 г. выдели­
ли активное вещество, названное кинетином
и идентифицированное как 6-(фурфуриламино)пурин (XXXIII, табл. 15.2). Кинетин
в концентрации 1 мкг/мл вызывает клеточ­
ное деление в сердцевине табака. Однако
было установлено, что кинетин-это не при­
родное соединение. Он возникает при автоклавировании ДНК как артефакт, обусло­
вленный дегидратацией остатка дезоксирибозы и его перемещения из С-9 аденина
к С-6 аминного азота (М6-положение).
Хотя кинетин не обнаружен в расти­
тельных тканях, установлено, что вещества
со сходной биологической активностью ши­
роко распространены у растений. Эти веще­
ства вначале называли кининами, однако
в настоящее время это название заменили
на широко принятый термин «цитокинины».
Этот термин имеет физиологический, а не
химический смысл. Цитокинин представ­
ляет собой вещество, стимулирующее кле­
точное деление в культуре каллусной ткани
растений, которая растет на питательной
среде известного состава, содержащей необ­
ходимые вещества органического и мине­
рального происхождения и ростовые фак­
торы, в том числе экзогенный ауксин
в оптимальной концентрации.
Несмотря на то что наличие цитокининов в растительных тканях было установле­
но, выделение и идентификация природного
продукта была осуществлена только 9 лет
спустя после открытия кинетина, в 1963 г.
Это объясняется в основном методическими
трудностями, связанными с очисткой ми­
кроколичеств биологически активных со­
единений, выделенных из большого количе­
ства растительного материала, а также
необходимостью определять структуру гиб­
береллинов с помощью физических методов
с низкой чувствительностью. Однако
в 1963 г. Летам (Letham) идентифицировал
цитокинин, известный в настоящее время
как зеатин (XXXIV), выделенный из не­
зрелых семян кукурузы; по своему строе­
нию - это 6-(4-гидрокси-3-метил-транс-2-бутениламино)пурин. В 1966 г. был также
идентифицирован зеатинрибозид (9-P-D-pnбофуранозилзеатин, XXXV) и в 1973 г.-зеатинрибозид-5'-монофосфат (XXXVI), а так­
же ряд других цитокининов из этого же
источника. В табл. 15.2 показаны структура
и источник выделения некоторых известных
к настоящему времени природных цитоки­
нинов.
Идентификация первого цитокинина
в 1956 г. как 6-замещенного аминопурина
привела к синтезу большого количества ана­
логов. Эта работа обеспечивает проведение
исследований по взаимосвязи структуры
и функции цитокининов. В общем виде
их можно представить следующим обра­
зом: 1) замена ^-зам ести тел я кинетина ря­
дом различных функциональных групп дает
набор соединений, обладающих значи­
тельным спектром стимулирующей актив­
ности в отношении клеточного деления,
2) большинство из этих соединений было
менее активно, чем кинетин, но некоторые,
а именно 6-(3-метил-3-бутениламино)пурин
(и6-Ад; XXXVII), были более активны, 3) в
общем наиболее активными были те соеди­
нения, которые содержали 4-6 атомов в N 6боковой цепи, 4) изменения в структуре
пуринового кольца приводили к значитель­
ному снижению или полной потере активно­
сти и, что удивительно, такие соединения
приобретали свойства антицитокининов.
Примером такого соединения является
З-метил-7-м-пентиламинопиразоло [4,3 d]-
о
(XL V) 3~метил - 7п- пентиламинопиразоло[4,3 -d ]
пиримидин (антицитокинин лсевдопуринового
типа)
tXLVi) n - З - хлорфенил - N - фенилмочевина;И’С1
(XLvii) n - з - нитрофенс л - N'- фенил -
мочевина; R-NO} ( два непуриновых цитокинина)
CHjOH
|
Л— -о
он н
о
It-D-глюкопиранозил (см. структуры
IXLV11I | N -бензил - N'- фенил мочевина; R =<?=//
IXLIX) N-бензил - N ‘- 3.* - дигл opфенилмо чевина;
L Llv ниже)
Я-Я-Се (два непсевдопуриновых антицитокинина)
Н
н, с
Н
,с .
.с н ,о
11Я
I
-СН2— R
X
Н ,С'
HN
I
сн
R'
I
N
гчми
(■!_) r = p-D- глюкопиранозил} #• Н
NH,
Т
(L i)R =H ; r '= fl-D- глюкопиранозил
(Lli) R = OH: V
глюкопиранозил
кем.рис. 15.21)
(L11I, R = Н; R ' = — С Н а, , , | С " и СООН
к
Н
(LIV) R = H ; R'=/I-D -
(см.рис 1527)
глюкопиранозил
Рис. 15.17. Некоторые цитокинины, антицитокинины и метаболиты цитокининов.
пиримидин (XLV, рис. 15.17).
Несмотря на данные, упомянутые в п. 4,
наличие пуринового кольца не имеет суще­
ственного значения для проявления цитокининовой активности. Значительное количе­
ство соединений, не содержащих пуриново­
го кольца, является цитокининами. Наибо­
лее активные среди н и х -э т о производные
фенилмочевины, среди которых выделяются
>}-3-хлорфенил-1Ч'-фенилмочевина и N -3-нитрофенил-М'-фенилмочевина (XLVI и XLVII
соответственно, рис. 15.17). Слабой цитокининовой активностью обладали некоторые
производные ароматических аминов, азаидена и азанафталена, 4- и 5-замещенные бензимидазолов, системные бензимидазольные
фунгициды, такие, как метилбензимидазол-3-илкарбамат и 6-замещенный амино-8азапурин. Некоторые производные фенил­
мочевины, а именно N -бензил-М'-фенилмочевина и Ы-бензил-Ы'-3,4-дихлорфенилмочевина (XLVIII и XLIX, рис. 15.17), являют­
ся антицитокининами; оба этих веще­
ства выступают в качестве антагонис­
тов цитокининов - как производных пури­
на, так и производных фенилмочевины.
Следовательно, можно думать, что пури-
5-/kw« (( p )—
IV
I Тf С-петля
Дигидроуридило Ваяпетля
Последовательность А -и6-Ад (или произ­
водное)-А* присутствует во всея
цитокининсодерясащих тРНК
\1
ПиримидинАво всех тРНК—^ с
вариабельная
петля
I
- Цитокинин
Ад^>
U в большинстве ^ V. И J J
тРНК
| |—1
Антикодон
Q д А
первая буква
Кодон
с и и- кодона
I
5-конец
З'-конецс
Информационная РНК
Направление считывания
Рис. 15.18. Строение дрожжевой тРНКРЬе. Пока­
зано положение цитокинина.
новые цитокинины и производные фенилмочевины действуют в клетке на один и тот
же участок.
Исследования по цитокининам сделали
интересный поворот, когда в 1966 году Захау (Zachau) и сотрудники идентифицирова­
ли иб-Ад как компоненты двух тРНК (серинового типа), выделенных из дрожжей.
Затем было показано, что и6-Ад встречают­
ся только один раз в молекулах сериновой
тРНК в положении З'-конца антикодона. За­
тем Скуг (Skoog) идентифицировал четыре
цитокинина, а именно и6-Ад-рибозид
(XXXVIII), зеатинрибозид (XXXV), метил82-и6-аденинрибозид (XLIII) и метилзеатинрибозид (XLIV), во множестве различных
тРНК. Впоследствии было показано, что ци­
токинины присутствуют во всех видах
тРНК. Они, по-видимому, ограниченно рас­
пространены лишь в тех видах тРНК, ко­
торые соответствуют кодонам мРНК с на­
чальной буквой U (урацил) (рис. 15.18).
Интересно распределение цитокининов
в видах тРНК, выделенных из различных ис­
точников: в тРНК у животных присутствует
только и6-аденинрибозид (АР). В бакте­
риальных тРНК присутствуют АР и его ме­
тилы-производное ; гидроксилированные
производные АР, по-видимому, присущи
тРНК растений и имеют исключительно
цис-конфигу рацию.
Некоторые цитокинины функционируют
в клетках животных. Например, было пока­
зано, что они 1) подавляют агрегацию тром­
боцитов, 2) рост клеток некоторых опухо­
лей, 3) стимулируют удлинение фибробластов в культуре, 4) ведут себя как иммуносупрессанты и вызывают ремиссию у пациен­
тов, больных лейкемией.
II. Биотесты и распределение цито­
кининов
Разработано довольно много цитокининовых биотестов. „Они подразделяются на
шесть основных классов: 1) биотесты, осно­
ванные на способности цитокининов стиму­
лировать растяжение тканей у изолиро­
ванных листьев или семядолей-по-видимо­
му, лучше всего использовать семядоли
редиса, с помощью которых можно опреде­
лять кинетин в таких низких концентрациях,
как 10 нг/мл, 2) биотесты, основанные на
стимуляции роста водных растений, напри­
мер Lemna minor, Spirodela; они позволяют
определять кинетин в концентрациях от 10
до 60 нг/мл, 3) биотесты, основанные на сти­
муляции роста отрезков стеблей или колеоптилей; они очень быстро воспроизво­
димы-требуется только один день для
получения результатов, но при этом отсут­
ствует специфичность, 4) биотесты, осно­
ванные на способности цитокининов инду­
цировать клеточное деление в культуре
тканей; они имеют один недостаток-тре­
буется 3 и более недель для получения ре­
зультата, но они чувствительны и способны
обнаруживать кинетин в концентрациях
0,5-3 нг/мл, 5) биотесты, основанные на спо­
собности цитокининов задерживать старе­
ние листьев-этот процесс занимает около
6 дней; тесты достаточно специфичны и по­
зволяют обнаруживать кинетин в концен­
трациях 3-10 нг/мл, 6) биотесты, осно­
ванные на способности цитокининов стиму­
лировать образование пигментов, например
хлорофилла в семядолях огурцов и бетацианина у ширицы Amaranthus- ъ этом слу­
чае результаты получают через 1-3 дня; эти
биотесты высоко специфичны и позволяют
обнаруживать кинетин в концентрации
1-2 нг/мл.
Цитокинины обнаружены в самых раз­
личных растительных тканях; особенно их
много в верхушках корней, ксилемном соке,
созревающих плодах, опухолевых тканях и
в прорастающих семенах.
К цитокининам корней относятся зеатин,
зеатинрибозид и возможно зеатинрибозилфосфат (табл. 15.2). Они локализованы
главным образом в верхушке корней. Не­
обычайно много цитокининов содержится
в корневых клубеньках. Основным цитокинином клубеньков Исеа faba является зеа­
тин, тогда как в клубеньках Pisum sativum
кроме зеатина обнаружен еще и зеатинрибо­
зид. Не ясно, какая часть из цитокининов,
обнаруживаемых в корневых клубеньках,
синтезируется симбиотическими бактерия­
ми. Цитокинины содержатся в перифериче­
ских зонах и «глазках» (т. е. почках) клубней
картофеля; их содержание повышается
главным образом в конце периода по­
коя.
Основным цитокинином ксилемного со­
ка является зеатинрибозид, хотя на опреде­
ленных этапах роста обнаруживается также
и зеатин. Флоэмный сок некоторых расте­
ний, например, Xanthium, Salix babylonica,
также содержит цитокинин-по-видимому,
зеатинрибозид.
В почках в период покоя не удается обна­
ружить цитокининов, однако весной, по ме­
ре того, как приближается период распуска­
ния почек, цитокинины начинают появлять­
ся, и вскоре их содержание достигает макси­
мума.
С возрастом листа концентрация цито­
кининов в листьях изменяется. Общая ак­
тивность цитокининов и разнообразие их
структурных вариантов достигают макси­
мального уровня в молодых листьях, увели­
чивающихся в размерах, и снижаются до
минимума в зрелых и стареющих листьях.
Основные цитокинины листьев-это зеатин
и зеатинрибозид.
Ткани, автотрофные по цитокинину, т.е.
такие ткани, которые можно культиви1 )вать in vitro в отсутствие экзогенно вво­
димых цитокининов, по-видимому, сами
способны синтезировать цитокинины. Пока­
зано, что автотрофный по цитокинину
штамм каллусных клеток семядолей сои
синтезирует три цитокинина: зеатин, зеа­
тинрибозид и зеатинрибозилфосфат.
Цитокинины обнаружены также в опухо­
левой ткани корончатых галлов, возникаю­
щих при заражении растительной клетки
бактерией Agrobacterium tumefaciens. Если
получить клетки опухоли корончатых гал­
лов, не содержащие бактерий, а затем куль­
тивировать их на синтетической среде, со­
держащей ауксин и цитокинин, то оказы­
вается, что экстракты из клеток, культиви­
руемых таким образом, содержат вещества
с цитокининовой активностью, следователь­
но, можно думать, что они сами способны
синтезировать цитокинины. Цитокинин из
культуры тканей корончатых галлов
Parthenocissus tricuspidata и Vinca rosea пред­
ставляет собой, по-видимому, зеатинрибо­
зид.
Цитокинины были обнаружены у неко­
торых морских водорослей (например,
Gymnodinium splendens, Cricosphaera spp.,
Laminaria digitata, Hypnea musciformis) и у не-
Таблица 15.2. Структура некоторых цитокининов
■
б
химическое название
сокращение
XXXIII
6-(фурфуриламино}-пурин
Кинетин
XXXIV
6-(4-гидроксиЗеатин
3-метил-транс- р )
2-бутениламино)
пурин
XXXV
6-(4-гидрокси-3Зеатинрибометл-транс-2зид (ЗР)
бутениламино)
9-Р-О-рибофуранозилпурин
XXXVI
6-(4-гидрокси-3Зеатинрибометил-транс-2зидфосбутениламино)фат (ЗРФ)
9-(Р-0-рибофуранозил-5-монофосфат)-пурин
XXXVII
6-(3-метил-2-буте- Изопентениламино)пурин
ниладенин
ИАд
XXXVIII
6-(3-метил-2-буте- ибАдР
ниламино)-9-рD-рибофуранозилпурин
Происхождение
Замещающие" группы молекулы аденина
N6 в
XI
II 1
н
C-2
N-9
H
H
Артефакт авто кла­
вированной ДНК
H
H
Незрелые семена
кукурузы, семя­
почки хлопчатни­
ка, кокосовое мо­
локо, пасока явора
H
P -D -R f
Семена кукурузы,
семяпочки хлоп­
чатника, кокосо­
вое молоко, па­
сока явора
H
p -D -R f
Семена кукурузы
СНЭ
н
H
,c - V
C H ,0 H
£
1
н
JL
СН2ОН
5 '- ®
*
CHj
н
X
H
H
Corynebacterium fa s c i e n s , семяпочки
хлопчатника
p -D -R /
Ткани табака, за­
вязи хлопчатника
снаон
СНэ
H
1
L ,
<и я
3
р.
X
р
Р)
ы
зСХ
3
а,
3 I
2со
>•*
а
>»
ы
►
м*
св
ев
« 3
со
4
S
а>
2а>
U
аз
н
&8
2<и
и
5 в
X
£ 1
.И
асо.
X
о
х
оГ9
3-
Sfc
LS? _Х
и
£
х■“
CJ
wГ4—
|Э| Sрh ­
is S 3
vO
i
CO
X
<D
X
01
(N
X
о
Я
0«
р*
о.
tt V>,§.
D£
з «, sт гч1 д
^
‘г в о
во *О §*
5 g1
S ч с
1 *5
с S5
А
, сп ев
I
VO
I •?
X
X
X
'о 7
О Ж
s s z
a ^ i
S
s
9 s s 35 £
С fi S н а
fS
2§
VO
I
X
О
■
i
*
i ев
?S iев
о с;
§22QL CO
©
2 со. x
к
2Й
£ ь>* s®
<U ON Q*
'g A S
go-e-s
&нfиl
о s § a
к E о s
» 2 s >»
о a ac
которых пресноводных водорослей (напри­
мер, Volvox carteri). Они образуются также
у
некоторых
бактерий
(например,
Corynebacterium fascians, A. tumefaciens,
Rhizobium japonicum) и у некоторых грибов
(например, у микоризных грибов Rhizopogon
roseolus и Suillus pinetipes) и у фитопатогена
Monilia.
Цитокинины были найдены в ла­
биальных железах личинки Stigmella. Гусе­
ницы этого вида поражают листопадные де­
ревья. Осенью, в период старения листьев,
приобретающих желто-коричневый цвет,
локализация гусениц обнаруживается по
«зеленым островкам», которые очень насы­
щены цитокининами, главным образом зеатином.
III. Передвижение
в растении
цитокининов
Картина транспорта цитокининов в рас­
тении не ясна. Имеющиеся данные свиде­
тельствуют о том, что цитокинин, синтези­
рующийся в верхушках корней, транспорти­
руется в листья и, по-видимому, в другие
части растения с ксилемным соком. Что же
касается цитокинина, синтезирующегося
в других частях растения, таких, как разви­
вающиеся семена, то он, по-видимому, не
транслоцируется. Многочисленные исследо­
вания, в которых цитокинины наносят на на­
ружную поверхность листа или другого ор­
гана, или вводят через срез стеблей
и черешков, или инъецируют в различные
части растения, дают неудовлетвори­
тельные и часто противоречивые резуль­
таты.
Согласно некоторым данным, конъюги­
рованные типы цитокининов (например рибозиды, такие, как зеатинрибозид) переме­
щаются интенсивнее, чем свободные цито­
кинины пуринового типа, например зеатин.
IV. Метаболизм цитокининов
1. Биосинтез цитокининов
В растении цитокинины обнаруживают­
ся как в свободной форме, так и в составе
тРНК. В связи с этим возникает следующий
вопрос: эти две формы синтезируются по
независимым путям или образуются один
от другого? Несмотря на фрагментарность
сведений о биосинтезе цитокинина, в общем
ответ на этот вопрос сейчас ясен-в расту­
щих растениях две формы возникают неза­
висимыми путями.
Исследование бесклеточных систем рас­
тений показало, что Д2-изопентенильная бо­
ковая группа переносится на остаток аденина, примыкающий к З'-концу антикодона
в тРНК, причем перенос этот осуществляет­
ся на уровне макромолекулы (рис. 15.18).
Эти данные получены в опытах с тРНК,
которую обрабатывали перманганатом в
мягких условиях; такая обработка при­
водила к специфическому отщеплению
Д2-изопентенильного остатка от изопентениладенина с высвобождением аденина. Ес­
ли тРНК, подвергнутую такой обработке,
инкубировали с бесклеточным препаратом
из сердцевины табака или из дрожжей в при­
сутствии 2-14С-мевалоната, то в тРНК по­
являлся и6-Ад. Очистка фермента из дрож­
жей показала, что непосредственным доно­
ром
изопентильной
группы
служит
Д2-изопентенилпирофосфат, т. е. диметилаллилпирофосфат, а не Д3-изопентенилпирофосфат. По-видимому, другие цитоки­
нины из тРНК, например метил-изопентениладенилрибозид, метил-2-зеатинрибозид
(табл. 15.2), также образуются на уровне ма­
кромолекулы путем модификации адениновой и (или) Д2-изопентенильной части моле­
кулы изопентениладенина.
Данные, свидетельствующие о том, что
цитокинины в растениях возникают не пу­
тем гидролиза тРНК до мононуклеотидов,
весьма убедительны. Рассмотрим два на­
иболее веских довода: 1) тРНК из тканей,
автотрофных по цитокинину (раздел Г.И),
содержат цитокинины и тем не менее растут
на среде, лишенной цитокининов. Следова­
тельно, образования физиологически ощу­
тимых количеств цитокининов путем разру­
шения тРНК в этих тканях не происходит;
2) цитокинины тРНК, такие, как мети­
ловый эфир изопентениладенилрибозоида,
метил-82-зеатинрибозид и цис-изомер зеатинрибозоида, никогда не были обнару­
жены в растениях в свободной форме. Одна­
ко вполне возможно, что цитокинины
высвобождаются из тРНК в умирающих,
автолизирующих растительных клетках. Бо­
лее того, высвобождение цитокининов из
тРНК, возможно, происходит у бактерий,
у которых обновление тРНК происходит
быстрее.
биосинтез нуклеотидов
[см. рис. 10.1 и 10.3)
биосинтез терпеноидов
[см.рис. 11.1и уравнением 1)]
н,о
Н.О
Ад-Риб - ©
Ад
Ад-Риб •
I
I
I
I
£?-ИПФ
I
I
t
и*-АдРФ
мвк
Рибоза
: и-АдРиб
VI
i
— А3-ИПф
лЗ-
I
t
и 6-Ад
транс - Гидроксилиро- транс - Гидроксилирование
вание Ne- изопреново- N в-изопренового радикала
го радикала
ЗР
Рис. 15.19. Гипотетический путь биосинтеза ци­
токининов у растений. а-5'-нуклеотидаза, КФ
3.1.3.6; б-аденозиннуклеозидаза, КФ 3.2.2.7;
Ад-адение, R -D -рибоза; Р и (р) -ортофос­
фат; Д2-ИПФ (или Д2-изопентилпирофосфат) —
диметилаллилпирофосфат; МВК - мевалоновая
кислота; Сокращения и6-Ад, и6-АдР, и6-АдРФ,
3 и ЗР имеют такое же значение, как и
в табл. 15.2; ->известные реакции;------- ►посту­
лированные реакции.
Путь, по которому происходит синтез
свободных цитокининов у растений, факти­
чески не известен. Вполне возможно, что
Д2-изопентенильный остаток, возникающий
из мевалоновой кислоты, переносится на
Мб-аденин, аденозин или аденозин-5'-монофосфат, и затем эта молекула модифици­
руется путем транс-гидроксилирования
С3-метильной группы и (или) восстановле­
ния Д2-двойной связи (рис. 15.19).
В вегетирующих растениях биосинтез
свободных
цитокининов
происходит
главным образом в- верхушке корня. Отсю­
да цитокинины, возможно, переносятся во
все остальные части растения с ксилемным
соком. Свободные цитокинины образуются
также в развивающихся почках, развиваю­
щихся семенах и в зародышевой оси прора­
стающих семян.
Более чем вероятно, что цитокинины, ко­
торые присутствуют в тРНК, образуются во
всех живых клетках растения. Внутри живой
клетки, они, как известно, образуются в двух
определенных компартментах: цитоплазме
и хлоропласте; вероятно, они синтезируют­
ся также и в митохондриях, хотя это пока
еще не доказано. Тогда как цитоплазматиче­
ские тРНК (рис. 15.20) образуются путем
транскрипции ядерных генов, хлоропластные и митохондриальные тРНК обра­
зуются путем транскрипции генов, содержа­
щихся соответственно в хлоропластной
и митохондриальной ДНК. Изопентенилизация и другие модификации аденина, при­
мыкающего к 3-концу антикодона, которые
приводят к генерированию цитокинина
в тРНК, происходят в цитоплазме в случае
цитоплазматических тРНК и в строме со­
ответствующей органеллы в случае хлоро­
пластной и митохондриальной тРНК. Ци­
токинины цитоплазматических тРНК отли­
чаются от хлоропластных тРНК. Цитоки­
нины цитоплазматических тРНК, сходны со
свободными цитокининами, тогда как в хло­
ропласте цитокинины подобны цитокининам бактериальных тРНК. Это свиде­
тельствует в пользу гипотезы эндосимбиотического происхождения хлоропластов
(гл. 3, разд. Б.VI,8).
2. Конъюгация и разрушение цито­
кининов
Было показано, что цитокинины конъю­
гируются с D-глюкозой, образуя О-, 7и 90-О-гликозиды в ряде растительных тка­
ней (рис. 15.21). Это глюкозилирование ве­
дет к инактивации цитокининов; однако фи­
зиологическое значение данного явления,
происходящего в растительных тканях, еще
не установлено. Проростки lupinus luteus
также способны конъюгировать зеатин с L-
Ацетил-СоА
Транскрипция в ядре под действием
РНК-полимеразы (Кф:2.7. 7.6)
t
\
Предшественник
МВК
\
\
ТРНК (120-130 нуклеотидных остатков)
I
Перемещение в цитоплазму
I
Iе
Удаление избыточных нуклеотидных последовательностей под действием специфических Рн/саз
l f -ИПФ
'I
А*-ИПФ-
а Модификация пуриновых и пиримидиновых осно­
ваний и остатков рибозы путем метилирова ни я и т. д.
N в- изопентенилизация аденина на
а 3 '- конце антикодона
g Дальнейшая модификация Аг- изопен т е­
нил ьной боковой цепи и е-авенина
тРНК(минус 3 '- концевая -ССА -последовательность **)
ЛЬ------2СТР.АТР
Функциональная
г РНК(содержащая цитокинин)
Рис. 15.20. Возможный путь биосинтеза цито­
плазматических тРНК-цитокининов в расти­
тельных клетках. Сходный путь, по-видимому,
функционирует в строме хлоропластов и в мито­
хондриях при биосинтезе хлоройластных и мито­
хондриальных тРНК-цитокининов. /-изопентилдифосфат—Д-изомераза,
КФ
5.3.3.2;
2-тРНК-изопентилтрансфераза, КФ 2.5.1.8;
3-тРНК-цитидилтрансфераза,
КФ
2.7.7.21
и тРНК-аденилилтрансфераза, КФ 2.7.7.25. Суще­
ствует предположение, что эти два фермента
идентичны, а-данные этапы не обязательно про­
Зеатин-0-в-д-1люкозид(Ц .
и*, в-а д.
текают в указанной последовательности; 6-этот
этап не происходит при образовании и6-АдтРНК. * Некоторая «стрижка» тРНК может про­
исходить также и в нуклеоплазме; ** неясно,
транскрибировалась ли З'-концевая ССА-последовательность с гена тРНК или она присоедини­
лась после транскрипции; Вполне возможно, что
в некоторых тРНК она транскрибировалась, а
в других присоединилась позже. Однако извест­
но, что эта последовательность характеризуется
довольно высоким оборотом.
, Изопентил- в-аденил - 7-0D-глюкозид (LI)
Зеатин - 7-0 -D-глюкозид
(И!)
зеатин
9-0-аланилзеатин
(лупиновая кислота, LIU)
Рис. 15.21. Конъюгация цитокининов с D-глюко­
зой и L-аланином, а - в культуре клеток табака,
б -в культуре тканей сои, в листьях Populus alba
и в проростках Lupinus luteus, в - в листьях Raphanus sativus и как минорный метаболит в растениях
Зеатин - 9 -ft-О- елюкозид
(LJV)
Zea mays: г - в проростках Lupinus luteus,
д - главный компонент у растений Zea mays. Рим­
ские цифры отсылают к соединениям, пока­
занным на рис. 5.17.
аланином, образуя лупиновую кислоту
(рис. 15.21).
Растительные ткани способны также
расщеплять цитокинины, отщепляя боко­
вую изопентенильную группу; это приводит
к полной потере активности. Фермент, ката­
лизирующий это расщепление, был выделен
из семян кукурузы и частично очищен. Он
активен только в присутствии молекулярно­
го кислорода и обладает некоторыми свой­
ствами оксигеназы со смешанной функцией.
Он активен в отношении изопентениладенина и его рибозида и катализирует их раз­
рушение
соответственно
до
Д2-изопентенилальдегида
(З-метил-бут-2еналя), аденина или аденозина. Ему было
присвоено общее название цитокинин-оксидазы, хотя правильнее было бы назвать его
цитокинин-оксигеназой.
V. Физиологический эффект цитокининов
Известно множество физиологических
эффектов цитокининов. Однако их можно
подразделить на две большие категории:
1) стимуляция клеточного деления
и
дифференциации и 2) задержка процессов
старения.
Действие цитокининов как стимулято­
ров клеточного деления было впервые обна­
ружено в опытах с культурой растительных
тканей и на деле легло в основу определения
цитокининов (разд. Г.1). Специфичность их
действия не подлежит сомнению, и точно
установлено, что они действуют как специ­
фические стимуляторы митоза; возможно,
что они выполняют эту же функцию и в це­
лом растении. Цитокинины играют также
существенную роль в процессе клеточной
дифференциации и органогенеза в культуре
растительных тканей. В этом случае их дей­
ствие зависит от соотношения их концен­
трации с концентрацией ИУК и гиббереллина. В основу этого вывода легли следую­
щие результаты опытов с каллусами табака,
растущими на агаровой среде с различными
соотношениями цитокинина, ИУК и ГК:
1) нет гормонов-слабый рост, 2) только
ИУК - растяжение, но отсутствие клеточно­
го деления и дифференциации, 3) только цитокинин - рост без дифференциации, 4) цитокинин и И У К -р о ст и дифференциация,
5) низкое соотношение цитокинин: И У К рост и дифференциация с образованием кор­
ней, 6) высокое соотношение цитокинин:
И У К -р ост и дифференциация, с образова­
нием преимущественно почек и листьев,
7) низкое соотношение цитокинин : ГК рост и дифференциация в сторону образова­
ния тонких, этиолированных растений с уз­
кими листьями, 8) высокое соотношение
цитокинин : ГК - рост и дифференциация с
образованием коротких зеленых растений
с округлыми листьями.
Другие эффекты цитокининов, которые
могут быть отнесены к категории «стимуля­
ции клеточного деления и дифференциа­
ции»-это: 1) стимуляция прорастания неко­
торых семян, 2) индукция клубнеобразования у столонов картофеля и 3) стимуляция
развития почек. В последнем случае цитоки­
нины, по-видимому, играют роль в преодо­
лении апикального доминирования, т. е.
подавления роста боковых (латеральных)
почек под влиянием растущего стеблевого
апекса. Механизм этого явления изучен не­
достаточно полно, однако можно думать,
что в основе его лежит антагонизм между
цитокининами и ауксинами. Ауксины обра­
зуются в верхушке стебля и перемещаются
вниз по стеблю (разд. Б.П), подавляя разви­
тие боковых, придаточных почек. Чем бли­
же боковые почки расположены от верхуш­
ки, тем сильнее ингибирование, и наоборот.
Это ингибирование можно снять искус­
ственным путем-путем удаления верхушки
стебля или путем нанесения на боковые поч­
ки цитокинина. Боковые почки сами синте­
зируют цитокинин. Этого количества, оче­
видно, недостаточно для преодоления инги­
биторного действия ауксина в интактном
растении, но вполне достаточно, чтобы спо­
собствовать развитию почек в случае, когда
источник ауксина-верхушка стебля-будет
удален.
Способность цитокининов(задерживать
процесс старения, легче всего проследить на
листьях. Когда взрослый лист отделяют от
растения и черешок погружают в воду, ста­
рение наступает очень быстро. Наиболее на­
глядным признаком этого является пожел­
тение, связанное с разрушением хлорофил­
ла, чей зеленый цвет в обычных условиях
маскирует желтые каротиноиды. Лист одна­
ко не стареет, если на его черешке разви­
ваются придаточные корни. Исходя из это­
го, Чибнелл (Chibnall) высказал в конце 30-х
годов предположение, что старение предот­
вращается с помощью какого-то гормона,
который синтезируется в корнях. Идентифи­
кация этого гормона была осуществлена
около 1957 г., когда Ричмонд и Ланг
(Richmond, Lang) обнаружили, что старение
изолированных листьев дурнишника (Xanth ium pennsylvanicum) задерживается кинетином. Вскоре было показано, что это не слу­
чайный факт, а общая закономерность.
Кинетин и М6-бензиладенин (синтетический
кинетин) задерживают старение изолиро­
ванных листьев и их отрезков у многих ви­
дов. В 1959 г. Мотес (Mothes) поставил
опыт, в котором наносил на некоторые
участки листа раствор кинетина. Он обнару­
жил, что обработанная часть листа осталась
зеленой, тогда как другая часть, необрабо­
танная, пожелтела. Из этого можно сделать
вывод, что цитокинины, образующиеся
в корнях, перемещаются с ксилемным соком
в листья, где стимулируют метаболические
процессы и таким образом поддерживают
структурную и функциональную жизнедея­
тельность листьев. Отсюда следует, что ста­
рение может быть вызвано одной из сле­
дующих причин: либо ослабевает поступле­
ние в лист цитокинина, либо понижается
концентрация активного цитокинина. Одна­
ко экспериментальные данные в пользу это­
го предположения противоречивы.
VI. Биохимические аспекты меха­
низма действия цитокининов
В настоящее время не представляется
возможным объяснить физиологическое
действие цитокининов на молекулярном
уровне (разд. T.V). Ситуация осложняется
наличием двух определенных в метаболиче­
ском отношении типов цитокининов: сво­
бодных и связанных с тРНК. Это вызывает
целый ряд вопросов. Во-первых, активны
только цитокинины одного типа или же ци­
токинины обоих типов? Если активен толь­
ко один тип цитокинина, то какой? Если ак­
тивны оба типа цитокининов, то действуют
ли они по одному и тому же или по раз­
личным путям? Если они обладают раз­
личными типами физиологического воздей­
ствия, то какими? Согласно современным
данным, цитокинины обоих типов физиоло­
гически активны, причем они играют важ­
ную роль в механизмах метаболической ре­
гуляции. Справедливости ради следует
предположить, что каждый из двух типов
играет специфическую роль. Цитокинины,
содержащиеся в тРНК, по-видимому,
являются более примитивным в эволюцион­
ном отношении типом, поскольку они функ­
ционируют (может быть идентично) у бакте­
рий и высших растений, тогда как сво­
бодные цитокинины функционируют только
у высших растений. Свободные цитокинины
бактерий образуются скорее всего в резуль­
тате обновления тРНК и не выполняют ка­
ких-либо специальных функций. Таким
образом, логично предположить, что у бак­
терий и у высших растений (как впрочем и
у всех клеточных форм организмов) цитоки­
нины тРНК выполняют сходную функцию,
тогда как свободные цитокинины появились
значительно позже и составляют особен­
ность высших растений. Очевидно, что ци­
токинины, включенные в тРНК, не циркули­
руют по растению и относятся к фитогор­
монам ; свободные цитокинины транспорти­
руются по растению и являются фитогор­
монами.
Биохимический механизм действия ци­
токининов, содержащихся в тРНК, по-видимому, связан с биосинтезом белка на уровне
трансляции (гл. 10, разд. Д.1). Об этом сви­
детельствуют данные о том, что химическая
модификация пуринового компонента изопентениладенина в сериновой тРНК значи­
тельно снижает процесс связывания серино­
вой тРНК в комплексе тРНК—рибосома.
Однако это не влияет на способность сери­
новой тРНК образовывать комплекс се­
рии—тРНК. Сходные результаты были по­
лучены в опытах с Е. coli, в которых было
показано, что тирозиновая тРНК, содержа­
щая аденин, у З'-конца антикодона, связы­
вается в тРНК-рибосомный комплекс зна­
чительно слабее, чем тирозиновая тРНК,
содержащая изопентениладенин у З'-конца
антикодона, хотя оба вида тирозиновой
тРНК образуют комплекс с тирозином
одинаково хорошо.
Биохимический механизм действия сво­
бодных цитокининов у растений неизвестен.
Полагают, что они связываются с каким-то
рецептором в клетке-мишени. Рецептор
обычно рассмаривается как аллостерический белок, который не обладает физиоло­
гической активностью в отсутствие цито­
кинина, но который приобретает физиоло­
гически активную конформацию в том
случае, когда к нему присоединяется цито­
кинин. Предполагается, что комплекс цито­
кинин—рецептор включает или выключает
какой-то метаболически важный этап, обус­
ловливающий физиологический ответ (на­
пример, клеточное деление, задержка старе­
ния). Единственным доводом в пользу этого
предположения служит наблюдение Фокса
и Эриона (Fox, Erion), показавших в 75-77
годах, что цитокинины связываются с до­
статочно высокой специфичностью с рибо­
сомами высших растений. Они выделили
три цитокинин-связывающих белка из за­
родышей пшеницы, которые они обозначи­
ли как CBF-1 (мол. масса 93 000), CBF-2
(мол. масса 30000) и CBF-3 (мол. масса
250 000). У первых двух белков высокое, а
у последнего слабое сродство к цитокинину.
CBF-1 несомненно является рибосомным
белком, в отношении же двух других белков
это точно не установлено. На одну рибосо­
му приходится одна молекула CBF-1, она
активно связывает с большой специфич­
ностью широкий набор цитокининов и их
аналогов. Биологическая функция CBF-1 не
известна. Можно полагать, что он играет
роль в биосинтезе белка.
Механизм действия цитокининов на про­
цесс задержки старения привлекает внима­
ние исследователей. Было показано, что
в процессе старения листа в нем снижается
содержание белка и РНК. Экстраполируя
результаты опытов со старением высечек из
листьев, можно сделать заключение, что
РНК, содержание которых при старении
снижается,-это в основном хлоропластные
рибосомные РНК. Снижение содержания
белка и РНК прежде обусловлено в основ­
ном активацией процесса распада под дей­
ствием протеиназ и РНКаз, а не подавлени­
ем биосинтеза. При старении усиливается
синтез протеиназ и активность РНКазы.
Было показано, что цитокинины замедляют
скорость распада белка и РНК в изолиро­
ванных листьях. По-видимому, это происхо­
дит в результате ингибирования синтеза
протеиназ и блокирования какого-либо по­
вышения активности РНКазы.
Д. АБСЦИЗОВАЯ КИСЛОТА
I. Обнаружение и характеристика
Абсцизовая кислота была открыта в ре­
зультате двух независимых исследований,
одного,
выполненного
Эддикоттом
(Addicott) и его сотрудниками в Дэвисе, Ка­
лифорния, исследовавших соединения, ко­
торые усиливают опадение (abscission)
листьев, другое-Уорингом (Wareing) и его
сотрудниками в Аберистуите, изучавшими
природные соединения, стимулирующие по­
кой древесных растений.
В 1963 г. Эддикотт сообщил о выделении
из молодых плодов хлопчатника (Gossypium
hirsutum) вещества, которое усиливает опа­
дение черешков листьев с удаленными ли­
стовыми пластинками (в этом случае в каче­
стве биотеста были использованы черешки
семядольных листьев). Активность этого ве­
щества обнаруживалась, даже если на ка­
ждую отделительную зону наносили
0,01 мкг. Было показано, что вещество
имеет молекулярную формулу С15Н20О4;
оно было названо «абсцизином II» в отли­
чие от «абсцизина I»-другого вещества,
стимулирующего опадение, выделенного
два года перед тем Луи и Карнсом (Lui,
Cams) из кожуры зрелых плодов хлопчатни­
ка. Интерес к абсцизину I ослабел, и его
структура не была установлена. Было также
установлено, что абсцизин II подавляет
ИУК-индуцированный рост отрезков колеоптилей Avena, но не обладает гиббереллиновой активностью в биостесте с карли­
ковой кукурузой (разд. B.I).
В том же 1963 г. Уоринг и Иглес
(Wareing, Eagles) выделили из листьев бе­
резы (Betula pubescens) вещество, которое,
будучи нанесено на почки растущего расте­
ния, индуцировало у них состояние покоя.
Вещество это назвали «дормином». С тем
чтобы ускорить идентификацию химиче­
ской структуры дормина, Уоринг обратился
за помощью к Корнфорту (Comforth) и его
сотрудникам, работавшим в Шелл Ресерч
Лтд, Ситтингбоурн, которые в 1965 г. пока­
зали, что сравнение физических свойств под­
твердило идентичность дормина абсцизину
II. В этом же году Эддикотт предложил
структуру абсцизина II, а несколькими меся­
цами позднее Конфорт подтвердил ее с по­
мощью химического синтеза. Оказалось,
что абсцизин II является сесквитерпеноидом
(С, 5, состоящим из трех изопреновых еди­
ниц; см. гл. 11) с одиночными карбоксиль­
ной, гидрокси- и оксогруппами. У молекулы
имеется один хиральный центр (С-Г); это
соединение было синтезировано как раце­
мическая смесь (+ )- и ( —)-энантиоморфов,
которые имели S- и R-конфигурации при
С-Г соответственно. Энантиоморфы могут
быть идентифицированы с помощью мето­
да оптического вращения по диспер­
СООН
(L V)(+)-(S)-a6cu,u3oeaa кислота
Рис. 15.22. Строение абсцизовой кислоты и ее
возможного функционального эквивалента у ли­
шайников и водорослей -лунулариевой кислоты.
сионным кривым, который был развит
Милборроу (Milborrow) в чувствительную
тест-систему. В 1966 г. стало ясно, что при­
родный абсцизин II (дормин) является
(+ )-(5)-энантиоморфом
(рис. 15.22,LV).
Во избежание возможных недоразуме­
ний с названием открытого вещества
группы Эддикотта, Уоринга и Корнфорта
в 1967 г. встретились и решили дать этому
веществу название «абсцизовая кислота»
или сокращенно АБК.
II. Измерение количества и распре­
деление АБК
Содержание АБК определяют с по­
мощью биотестов и физическими методами.
В основе разработанных биотестов лежат
следующие процессы: 1) стимуляция опаде­
ния черешков семядольных листьев у экс­
плантатов из 14-дневных проростков хлоп­
чатника, 2) подавление ИУК-индуцированного роста колеоптилей овса (Avena), 3) по­
давление прорастания изолированных заро­
дышей пшеницы (7Hticum), 4) подавление
роста различных видов ряски (Lemna minor),
5) подавление индуцированного гиббереллином синтеза а-амилазы в алейроновом
слое ячменя (Hordeum) и 6) стимуляция
закрывания устьиц.
Физические методы включают поглоще­
ние в ультрафиолете, дисперсию оптическо­
го вращения и круговой дихроизм, газо­
жидкостную хроматографию метилового
эфира и реже триметилсилильного эфира
АБК на различных жидких силиконовых фа­
зах и сочетание газо-жидкостной хромато­
графии с масс-спектроскопией. Последний
прием позволяет наиболее надежно иденти­
фицировать АБК. Масс-спектр фрагментов
молекулы метилабсцизата установлен на­
дежно.
(LVI)-лунулариеОая кислота
АБК идентифицирована у такого боль­
шого количества ангиоспермовых, покрыто­
семенных, одно- и двудольных, что без опа­
сения можно признать, что она присуща
всем растительным видам. Она была также
идентифицирована у некоторых голосе­
менных (например, у тиса, пихты белой, со­
сны, ели ситхинской) и у некоторых папо­
ротникообразных (например, Anemia phylitidis, Equisetum arvense). Среди мохообразных
она была найдена во мхах, но не в печеноч­
никах. В водорослях она не обнаружена. Ме­
сто АБК как ингибитора роста у печеночни­
ков и водорослей занимает, скорее всего,
лунулариевая кислота (LVI, рис. 15.22).
АБК содержится во многих расти­
тельных тканях, а именно в корнях, стеблях,
почках, листьях, плодах и семенах. Она бы­
ла обнаружена также во флоэмном и ксилемном соке и нектаре. Ее концентрация
варьировала от ткани к ткани и даже
в одной ткани в процессе ее развития. Боль­
шинство тканей содержит от 20 до 100 нг на
1 г сырого веса, но в мякоти плода авокадо
концентрация АБК составляет 10, а в покоя­
щихся
почках
дурнишника
(Xanth шт) - 20 мкг на 1 г сырого веса.
III. Передвижение АБК в растении
Характер передвижения АБК в высших
растениях во время различных этапов роста
точно не установлен. Было использовано
множество различных подходов для выясне­
ния этой проблемы. Это были 1) опыты,
включающие локальное нанесение 14С-АБК
на наружную поверхность одной -из частей
растения с последующим определением рас­
пределения радиоактивности в других ча­
стях, 2) опыты, заключающиеся в нанесении
14С-АБК на срезы сегментов стеблей, че­
решков и корней с последующей оценкой
количества радиоактивности, достигшей
другого конца, и 3) изучение наличия АБК
во флоэмном и ксилемном соке различных
сосудистых органов.
На основе этих экспериментов возникло
представление о том, что 1) экзогенно вве­
денная АБК способна проникать быстро
в ткани и свободно распространяться по
растению во всех направлениях, 2) транс­
порт АБК от клетки к клетке протекает мед­
ленно, и он не полярен, 3) АБК присутствует
во флоэмном и ксилемном соке и, по-види­
мому, именно таким образом транспорти­
руется по растению, 4) АБК, синтезируемая
в корневом чехлике, базипетально переме­
щается по тканям стели (центральная сосу­
дистая зона). Имеются также данные о лате­
ральном перемещении АБК в корнях. Было
показано, что в верхушках корней кукурузы
(Zea mays) базипетально перемешающийся
ингибитор, по-видимому АБК, перераспре­
деляется латерально под влиянием силы тя­
жести и участвует в геотропической реак­
ции, вызывая асимметричное подавление
роста корня.
В каком виде АБК перемещается, пока
еще не ясно: большинство данных свиде­
тельствует о том, что это, очевидно, свобод­
ная форма АБК; но возможно также, что
это производное, такое, например, как АБКP-D-глюкопиранозид. Последнюю возмож­
ность не следует исключать.
IV. Метаболизм АБК
1. Биосинтез АБК
Большинство тканей высших растений
способно синтезировать АБК. Ее синтез из
мевалоновой кислоты (МВК) был обнару­
жен в тканях плодов, семян (зародышах и се­
мядолях авокадо, в эндосперме и зародыше
пшеницы), в корнях (подсолнечник), в стеб­
лях (авокадо) и в листьях (авокадо).
В клетках этих тканей наибольшее коли­
чество АБК синтезируется, по-видимому,
в пластидах.
Биосинтетический путь от МВК к АБК
еще не ясен. Сушествуют две возможности:
1)
АБК
образуется
на
уровне
С 15-производных путем циклизации и моди­
фикации фарнезилпирофосфата (ФПФ) и
2) АБК образуется в результате катабо­
лизма такого каротиноида, как виолаксантин.
Хотя МВК служит несомненным пред­
шественником АБК вне зависимости от то­
го, первым или вторым путем образуется
последняя, была предпринята попытка вы­
яснить, какой из этих путей функционирует
in vivo. Для этого сопоставляли включение
в АБК и в каротиноид типа виолаксантина
атома 3Н из шести стереоспецифических ме­
ченных тритием типов МВК. В качестве та­
ких тритированных соединений были ис­
пользованы: [2-14С, (2jR)-2-3H j] МВК,
[2-14C(2S)-2-2-3H 1]
МВК,
[2-14С,
(4Я)-4-3Нц] МВК, [2-14C-(4S)-4-3H 1] МВК,
[2-14С(5Я)-5-3Н 1] МВК и [2-14C(5S)-5-3H 1]
МВК. Полученные результаты показаны на
рис. 15.23. Хотя приведенные на этом рисун­
ке пути гипотетичны, локализация в АБК
прежних про-Я- и npo-S-атомов водорода
при С-2, С-4 и С-5 мевалоновой кислоты со­
ответствует экспериментальным данным.
К сожалению, эти результаты не позволяют
сделать выбор между двумя возможными
путями, поскольку распределение метки
в АБК соответствует обоим рассматри­
ваемым путям. Эти эксперименты, однако,
показывают, что образовавшаяся Д2-двойная связь АБК имеет транс-конфигурацию
и, следовательно, должна изомеризоваться
в цис-конфигурацию на каком-то последую­
щем этапе: об этом свидетельствует тот
факт, что С-2-водород молекулы АБК про­
исходит из 4-про-Л-атома водорода МВК,
а не из 4-про-5-атома водорода, как это име­
ло бы место в том случае, если бы Д2-связь
образовывалась сразу в уме-конфигурации
(гл. 11, разд. В.Х).
На рис. 15.23 представлен гипотетиче­
ский «некаротиноидный» путь биосинтеза
АБК. Согласно этой гипотезе, в фарнезол,
возникающий из ФПФ, вводится двойная
связь, что приводит к образованию трансД4-дегидрофарнезола (этап а); опыты
с МВК, стереоспецифически меченными 3Н
по С-2 и С-5, показывают, что эта реакция
ведет к стереоспецифической потере атомов
водорода, которая соответствует 2-npo-Sи 5-про-К-атомам водорода МВК.
Затем транс-А 2-двойная связь транс-Д4дегидрофарнезола изомеризуется в цис-А2двойную связь, которая появляется в АБК
(этап б); этот процесс должен сопрово­
ждаться задержкой упоминавшегося 4-проR-водорода мевалоновой кислоты на том
атоме углерода, который теперь становится
атомом С-2 у АБК.
Вслед за этим происходит реакция ци­
клизации (этап в), которая, как считают, по
своему механизму аналогична образованию
^-кольца у каротиноидов. Это ведет к обра-
г
3! 1
Hr Hr
СООН
Hr
СООН
LV1II
( + н$)-а6сцизовая кислот а (Абю
Рис. 15.23. Гипотетический «некаротиноидный»
путь биосинтеза абсцизовой кислоты. Цифры при
атомах углерода промежуточных продуктов,
образующихся из фарнезилпирофосфата, показы­
вают их происхождение из МВК. Обозначение
водорода как HR или Hs в промежуточных мета­
болитах, образующихся из ФПФ, означает, что
они происходят из про-R- и npo-S-атомов водо­
рода, находившихся в молекуле МВК при атоме
углерода
с
соответствующим
номером.
Нн2о _это атом водорода, происходящий из мо­
лекулы воды. Было показано, что соединения
LVII, LVIII и LIX превращаются в АБК у гриба
Cercospora rosicola. Соединение LIX обнаружено
у С. rosicola. В квадратных скобках показаны со­
единения, участие которых в биосинтезе АВК
в качестве промежуточных продуктов не доказа­
но. Авторы выражают благодарность д-ру R. Ногдап за помощь при подготовке этого рисунка.
Фитогормоны и родственные соединения
мвк
Геранилгеранилпироф осф ат
--------
Фитоен
Фотоокисление и л и
липоксигеназа
H .J
J j£ °
сно
нет
ци с- Д2- ксантоксин
Рис. 15.24. Постулированный каротиноидный
путь для биосинтеза абсцизовой кислоты.
зованию соединения LVII. Опыты с МВК,
стереоспецифически меченной 3Н при С-2,
указывают, что во время циклизации
упоминавшийся 2-про-5-водород МВК от­
щепляется от углерода, который становится
С-3' для АБК.
Далее, очевидно, должно происходить
постепенное окисление первичной спирто­
вой группы до карбоксильной через альде­
гидную группу (этапы г и д). Вероятно, это
происходит с участием пиридиннуклеотидзависимых оксидоредуктаз, что ведет к по­
тере упоминавшихся водородов, соответ­
ствующих 5-про-Я- и 5-про-5-атомам водо­
рода, от того атом а углерода, который
становится С-2 в АБК.
Образующееся в результате соединение
LVII1, по-видимому, затем гидроксилируется по положению, которое соответствует
С-4' положению АБК, очевидно, под дей­
ствием оксигеназы со смешанной функцией
(этап е). Введенная вновь гидроксильная
группа затем окисляется в оксигруппу, воз­
можно, с помощью пиридиннуклеотид-зависимой оксигеназы, что ведет к образова-
"
х тт
со° н
(+H-S)- абсцизовая кислота
нию соединения LIX (этап ж ), которое
затем гидроксилируется, по-видимому, с по­
мощ ью оксигеназ со смешанной функцией
по положению С-1', давая АБК (этап з). На
этом этапе происходит потеря упоминавше­
гося водорода 4-про-К- из МВК.
Следует подчеркнуть, что описанный
путь является всего лишь предположи­
тельным и не имеется никаких доводов
в пользу существования путей от ФПФ или
фарнезола у высших растений. Однако су­
ществуют данные о том, что подобный путь
возможен у гриба Cercospora rosicola, проду­
цирующего АБК. Хорган (Ногдап ) и его со­
трудники недавно показали в Абериствисе,
что соединение LIX образуется в грибе
и является предшественником АБК. Они по­
казали также, что соединения LVII, LV1II,
LIX активно превращаются в АБК грибом,
хотя и не доказано, что они являются эндо­
генными соединениями гриба.
Каротиноидный путь биосинтеза АБК
показан на рис. 15.24. Предполагается, что
каротиноид, такой, как виолаксантин, пре­
вращается в цыс-А2-ксантоксин, а последний
в свою очередь превращается в АБК. Этот
процесс включает в себя 1) окисление альде­
гидной группы в карбоксильную, 2) окисле­
ние гидроксильной группы в оксогруппы
и 3) восстановление эпоксида до гидро­
ксильной группы.
В пользу этого пути свидетельствуют
следующие данные: 1) виолаксантин пре­
вращается в уыс-Д2-ксантоксин под дей­
ствием света высокой интенсивности или
после инкубации с липоксигеназой (гл. 8,
разд. В.1.2,г), 2) г/«с-А2-ксантоксин быстро
превращается в АБК в побегах томатов,
3) цыс-А2-ксантоксин выделен из побегов
и листьев ряда высших растений и 4) цисД2-ксантоксин- мощный ингибитор роста
растений.
Хотя на первый взгляд эти доводы ка­
жутся убедительными, при более присталь­
ном анализе становится очевидной их сла­
бость. Во-первых, интенсивность света,
требующая превращения виолаксантина
или другого каротиноида в цмс-Д2-ксантоксин, так высока, что сомнительно, может ли
это происходить in vivo. Во-вторых, было
показано, что АБК синтезируется в ряде
тканей, которые лишены каротиноидов.
В-третьих, цыс-Д2-ксантоксин не был обна­
ружен в ряде тканей, способных синтезиро­
вать АБК. В-четвертых, цмс-Д2-ксантоксин
обладает более сильным ингибиторным
действием в ряде биотестов, чем можно бы­
ло бы ожидать от того количества АБК, ко­
торое могло бы возникнуть в результате по­
лного превращения его в АБК. В-пятых, как
показал Робинсон (Robinson), если 14С-фитоен и 2-3Н-МВК вводить одновременно
в плоды авокадо, образующаяся АБК будет
мечена только 3Н, несмотря на образование
14С-каротиноидов из 14С-фитоена.
Таким образом, хотя нельзя сказать, что
АБК никогда не образуется в тканях расте­
ний из каротиноидов, очевидно, что в обы­
чных условиях АБК образуется по С 15-путй.
И не имеет никакого значения, что цис-А2ксантоксин легко образуется по этому же
С, 5-пути и может тем не менее оказаться
естественным предшественником АБК в не­
которых тканях.
2. Конъюгация и последующий ме­
таболизм АБК
Основные метаболические превращения,
которые претерпевают АБК в растениях, по­
казаны на рис. 15.25. АБК может обратимо
превращаться в D-глюкозный эфир, АБКp-D-глюкопиранозид или может быть пре­
вращена в фазеевую кислоту и смесь эпи-
мерных дигидрофазеевых кислот, возмож­
но, через 6-гидроксиметил-АБК. Это можно
рассматривать как процесс инактивации, по­
скольку ни фазеевая, ни дигидрофазеевая
кислоты не обладают высокой актив­
ностью, присущей АБК. Взаимопревраще­
ний дигидрофазеевых кислот, по-видимому,
не происходит, что указывает на отсутствие
соответствующей эпимеразы.
Фазеевая и дигидрофазеевая кислоты
могут превращаться в полярные конъю­
гаты, которые, однако, еще не идентифици­
рованы. При гидролизе из этих коньюгатов
высвобождаются свободные кислоты.
Недавно было показано, что метильная
группа при С-6' молекулы МБК, которая
включена в фурановое кольцо фазеевой кис­
лоты, расположена на той же стороне циклогексинильного кольца, что и С-1'-ги­
дроксильная группа, и происходит из
З'-углерода мевалоната.
V. Физиологическое действие АБК
В свое время АБК была открыта как фак­
тор, способный 1) стимулировать опадение
у эксплантатов проростков хлопчатника
и 2) индуцировать период покоя почки.
Позднее была установлена ее способность
участвовать в ряде других процессов-та­
ких, как покой и прорастание семян, клубнеобразование, старение листьев и созрева­
ние плодов. Однако более убедительным
доводом в пользу ее гормональной активно­
сти являются: функция природного ингиби­
тора роста при геоположительном изгибе
корня и роль в закрывании устьиц при во­
дном стрессе.
1. АБК
и геотропизм
в корнях
Корни горизонтально расположенного
растения растут вниз под влиянием силы тя­
жести. Долгое время считалось, что это про­
исходит в результате асимметричного пере­
распределения ИУК в корне (разд. B.IV).
Однако работы, проведенные сравнительно
недавно на корнях кукурузы (Zea mays), по­
казали, что существующие представления
о механизме геотропизма следует пересмо­
треть и что в этом механизме, по-видимому,
участвует АБК. В настоящее время пола­
гают, что АБК синтезируется в корневом
чехлике и транспортируется обычным путем
по сосудистым тканям в базипетальном на-
СООН
конъюгат диеидро-
(+).(5> абсцизовая кислот а
сразеевой к и с ло ты
ОН
А БК -0-D - глюкоп ира нозид
соон
Дигидроф азеевая кислот а
СООН
СООН
6'- гидроокси м е ти л -АБК
(развевая кислота
СООН
Конъюгат
(развевай кислот ы
Рис. 15.25. Метаболизм ( + М^Ьабсцизовой кис­
лоты. Числа 2 и 3' в формулах абсцизовой и фазеевой кислот указывают, что данные атомы про­
исходят из атомов С-2 и С-3' МВК соответствен­
но. Строение конъюгатов фазеевой и дигидрофазеевой кислот еще не установлено.
правлении. Однако если корень располо­
жить в горизонтальном направлении, то
АБК транспортируется под действием силы
тяжести в нижнюю часть, где и подавляет
рост. Поскольку рост верхней части корня
при этом не подавляется, происходит искри­
вление корня вниз.
Об этом свидетельствуют следующие
данные: 1) нарушение геотропической чув­
ствительности при удалении корневого чехлика, 2) удаление половинки корневого чехлика, что ведет к изгибу корня в том
направлении, где оставлена половинка чехлика, 3) АБК была экстрагирована из кор­
невых чехликов, причем известно, что она
в них синтезируется, 4) при нанесении АБК
на поверхность корня в концентрации
10-8 -1 0 -4 рост подавляется и 5) асимме­
тричное нанесение АБК на поверхность кор­
ня вызывает изгиб в ту сторону, на которую
была нанесена АБК.
2. АБК и закрывание устьиц
Наземные растения защищают себя от
интенсивной потери воды, уменьшая размер
эпи - Дигидрофазеевая кислота
Конъюгат
э п и - дигидрофаэееВой кислоты
устьичнои щели до такой степени, что эго>
дермис оказывается фактически непрони­
цаемым. Защита осуществляется в двух на­
правлениях : немедленная реакция на компо­
ненты окружающего воздуха, такие, как
водяные пары и С 0 2. Если давление во­
дяных паров в атмосфере становится значи­
тельно ниже, чем в межклеточном простран­
стве листа, устьица закрываются. Подоб­
ным же образом повышение концентрации
С 0 2 вокруг замыкающих клеток приводит
к смыканию устьиц. Вторая линия защиты
вступает в действие, когда поглощение воды
корнями становится меньшим, чем потеря
воды при транспирации, несмотря на функ­
ционирование первой линии защиты. Во
второй линии защиты участвует абсцизовая
кислота.
Падение водного потенциала можно
определить с помощью хлоропластов кле­
ток мезофилла листа, чья фотосинтетическая активность, очевидно, более чувстви­
тельна к водному стрессу, чем все остальные
метаболические процессы. Было высказано
предположение, что падение величины во­
дного потенциала приводит к значительно-
му повышению проницаемости хлоропластной мембраны для АБК. Она синтезируется
и накапливается в хлоропластах, затем диф­
фундирует в цитоплазму мезофилла и пере­
мещается от клетки к клетке по плазмадесмам к замыкающим клеткам, где индуци­
рует закрывание устьиц. Уменьшение содер­
жания запасенной АБК в хлоропластах
мезофилла вызывает новый биосинтез АБК,
которая продолжает транслоцироваться
к замыкающим клеткам в течение всего то­
го времени, пока водный потенциал остает­
ся низким. Освобождение АБК из хлоропластов мезофилла останавливается, когда
уровень водного потенциала достигает
нормы, а уровень синтеза значительно сни­
жается.
В пользу этого предположения свиде­
тельствуют следующие факты : 1) при экзо­
генном введении в листья низких концентра­
ций АБК (например, 1 мМ) устьица закры­
ваются в течение 3-9 мин, 2) концентрация
АБК в листьях, подвергнутых водному
стрессу, резко возрастает, 3) хлоропласта
мезофилла способны синтезировать АБК,
но хлоропласта замыкающих клеток не
способны осуществлять этот процесс, 4) в
листьях шпината в условиях достаточного
увлажнения АБК локализуется в хлоропла­
стах, но после 4 ч водного стресса общее ко­
личество АБК увеличивается в 11 раз, тогда
как в самих хлоропластах-только в два
раза, свидетельствуя, очевидно, о существо­
вании быстрого экспорта АБК из хлоропластов.
экзогенном нанесении АБК на почки расту­
щих проростков почки переходили в состоя­
ние покоя. Обобщая эти факты, можно ска­
зать, что в ответ на определенное воздей­
ствие внешней среды в растении образовы­
валась АБК, которая перемещалась в почки
и индуцировала в них состояние покоя.
Это казалось справедливым в отноше­
нии почек, принадлежащих деревьям уме­
ренной зоны [например, береза (Betula
pubescens), клен (Acer pseudoplatanus)]. В этом
случае роль запускающего фактора (тригге­
ра) играли укороченные осенние дни. Было
показано, что при коротком дне (фотопе­
риоде) содержание АБК в листьях и почках
повышается. Листья, по-видимому, играют
главную роль в реализации этой реакции.
Было обнаружено, что короткие дни инду­
цируют в листьях способность синтезиро­
вать больше АБК и затем экспортировать
их в почки. Однако в этих ранних экспери­
ментах содержание АБК измеряли с по­
мощью биотестов. Когда появилась воз­
можность использовать физические методы,
то оказалось, что содержание АБК в листь­
ях, экспонированных на коротком дне, не
превышало уровня, сохраняющегося при
длинном дне. С другой стороны, с помощью
физических методов анализа было подтвер­
ждено высокое содержание АБК в покоя­
щихся почках некоторых видов и было уста­
новлено, что этот уровень в течение зимы
снижается. Итак, роль АБК в покое почек
в настоящее время остается неясной.
4. АБК и покой семян
3. АБК и покой почек
Глубокий, или истинный, покой (т. е. вре­
менное торможение роста под действием
внутренних факторов) обнаруживается у по­
чек деревьев умеренной зоны зимой, у клуб­
ней картофеля, у клубней георгин, у клубне­
луковиц, луковиц и корневищ. Хемберг
(Hemberg) в 1949 г. обнаружил, что покой
почек ясеня (Fraxinus ) и клубней картофеля
находится в положительной корреляции
с концентрацией присутствующих в них
природных ингибиторов неизвестной при­
роды.
Были предприняты попытки выяснить,
что представляют собой эти ингибиторы
роста. В итоге был выделен дормин, иден­
тифицированный как АБК (разд. Д.1). При
АБК, по-видимому, играет определен­
ную роль в покое таких семян, которые тре­
буют стратификации (т. е. семян, которые не
прорастают до тех пор, пока их не подверг­
нут в течение какого-то времени воздей­
ствию низких температур). Особенно это ка­
сается тех семян, которым присущ «вро­
жденный» покой, например семян Taxus
baccata, в отличие от тех, покой которых за­
висит от проницаемости кожуры.
Было показано, что в покоящихся не­
зрелых зародышах тиса (Taxus baccata )
можно вызвать прорастание без стратифи­
кации, если их поместить в питательный
раствор, который вызовет вымывание из се­
мян АБК-подобного вещества. Такой про­
мытый зародыш можно вновь ввести в со­
стояние покоя, если поместить его в раствор
АБК. Аналогичные результаты были полу­
чены с зародышами яблок.
Однако попытки установить корреля­
цию между содержанием эндогенной АБК
и состоянием покоя привели к противоре­
чивым результатам. В покоящихся семенах
некоторых видов содержание АБК находит­
ся на высоком уровне и снижается во время
стратификации, тогда как у других видов та­
кого снижения во время стратификации не
происходит. Несмотря на это, вполне ве­
роятно, что АБК имеет важное значение для
поддержания покоя семян. Недавние опыты,
проведенные с семенами, требующими стра­
тификации, показали, что их покой может
регулироваться антагонистическим взаимо­
действием между АБК (которая подавляет
рост и, следовательно, поддерживает со­
стояние покоя) и гиббереллинами и цитокининами (которые стимулируют рост и,
следовательно, прорастание). Роль гиббе­
реллинов и цитокининов в прорастании се­
мян была установлена на основании сле­
дующих фактов: 1) экзогенно введенные
гиббереллины и (или) цитокинины стимули­
руют прорастание у ряда типов покоящихся
семян и 2) такие виды обработки, как стра­
тификация, нарушающие покой, превы­
шают содержание гиббереллинов и цитоки­
нинов в семенах.
зал, что в листе, находящемся на стеблевом
черенке с одним междоузлием, срезанном
с растения короткого дня (дикие виды кар­
тофеля требуют около 20 коротких дней до
полной индукции клубнеобразования), обра­
зуется АБК, которая транспортируется к бо­
ковой почке и вызывает ее превращение
в маленький клубень. 5ыло показано, что
экзогенно введенная АБК также стимули­
рует образование клубней у георгин и
у топинамбура.
АБК может также участвовать в процес­
сах старения и созревания. Введенная извне
АБК стимулирует старение изолированных
листьев, однако она очень слабо влияет на
старение интактных листьев, находящихся
на здоровых растениях. Экзогенная АБК
усиливает созревание молодых плодов; бо­
лее того, во время созревания клубники
и винограда в них повышается содержание
эндогенной АБК.
АБК может также участвовать в повы­
шении устойчивости растений умеренного
пояса к морозам. Было показано, что введе­
ние экзогенной АБК повышает морозостой­
кость проростков яснелистного клена (Acer
negundo ), яблонь и люцерны (Medicago
sativa), а также снижает степень поврежде­
ний у проростков огурцов под действием
низких температур.
5. АБК и опадение
VI. Биохимические аспекты меха­
низмов действия АБК
В настоящее время признано, что АБК не
регулирует опадения листьев, но она может
оказывать регуляторное воздействие на
опадение цветов и плодов. В пользу этого
вывода
свидетельствуют
следующие
данные: 1) АБК, введенная в интактное рас­
тение извне, усиливает опадение зрелых
плодов у винограда, маслиновых, цитру­
совых и яблок, а также у цветков винограда,
однако опадение листьев происходит при
действии очень высоких концентраций АБК
(2-4 мМ), и 2) существуют два пика в содер­
жании эндогенной АБК у развивающихся
плодов хлопчатника, первый совпадает
с опадением незрелых плодов, второй со­
ответствует растрескиванию зрелых плодов.
6. Другие эффекты абсцизовой кис­
лоты
АБК, по-видимому, участвует в процессе
клубнеобразования. Уоринг (Wareing) пока­
Каким образом действует АБК на моле­
кулярном уровне, практически неизвестно,
и ни один из физиологических эффектов,
описанных в разд. Д -V, пока еще нельзя
объяснить полностью.
Однако исследование этих физиологиче­
ских эффектов показало, что большинство
из них включает подавление роста. Из этого
непосредственно вытекает вывод о том, что
АБК, возможно, блокирует некоторые
этапы процесса транскрипции с образова­
нием мРНК и трансляции мРНК в белок.
В связи с этим действие АБК на синтез ну­
клеиновых кислот и белка было исследова­
но на большом числе различных систем,
в том числе на растущих и зрелых расти­
тельных тканях. Хотя общая картина пока
еще не ясна, но можно сделать некоторые
обобщения: 1) АБК не полностью ингиби­
рует транскрипцию ДНК, но подавляет син­
тез ограниченного числа специфических ви-
Протонный насос (подавляется АБК)
' Плаэмалемма
неактивная Фк
— рН<С 7 •*
pH повы­
шается
Поток
внутрь уси­
ливает
т ургор; устьи->
ца открывают-'
ся
pH попихается
Активная Фк
'(оптим.рН в -9)
вакуоль
Малат *
Крахмал
со
о,
NADPH NADP*
малат
Iвозрастание
концентрац ии
снижает водный
потенциал)
ЗАМЫКАЮЩАЯ КЛЕТКА
Рис. 15.26. Механизм открывания устьиц. ФЕП —
фосфоенолпируват,
ЩУК - щавелевоуксусная
кислота, ФК - фосфоенолпиру ват-карбоксилаза,
МД - малат-дегидрогеназа, А БК - (+ J-S-абсцизовая кислота.
дов мРНК, например мРНК, контролирую­
щих синтез а-амилазы в клетках алейроно­
вого слоя семян ячменя, 2) свое главное
воздействие АБК оказывает, блокируя син­
тез белка на посттранскрипционном уровне,
таком, как процессинг мРНК или трансля­
ция, а не путем подавления транскрипции
ДНК. Так, например, было показано, что
АБК подавляет синтез протеазы и
изоцитрат-лиазы12 в зародышах семян
хлопчатника даже при наличии необхо­
димых мРНК.
Однако некоторые из физиологических
эффектов АБК проявляются настолько бы­
стро, что их трудно объяснить ингибирова­
нием синтеза белка. Накапливается все
больше данных, на основе которых можно
предположить, что в некоторых тканях АБК
действует на определенные участки мем­
браны. Например, было показано, что АБК
изменяет проницаемость некоторых мем­
бран для различных ионов. К числу таких
эффектов относится, по-видимому, действие
АБК на закрывание устьиц (разд. Д.У.2).
Было показано, что АБК подавляет
выход Н + из замыкающих клеток и
поступление К + в эти клетки. Более того,
ионный обмен, по-видимому, непосред­
ственно связан с закрыванием устьиц под
действием АБК. Современное представле­
ние о механизме устьичного движения схе­
матически показано на рис. 15.26. Предпо­
лагается, что плазмалемма замыкающих
клеток содержит протонный насос, приво­
димый в действие, по-видимому, АТР, обра­
зующимся при циклическом фотофосфорилировании хлоропластов замыкающих кле­
ток. Протонный насос активно выкачивает
Н + из клетки. Этот процесс уравновеши­
вается пассивным поступлением К +
в клетку. Выход ионов Н + из цитозо­
ля приводит к повышению его pH до
8-9-значение, оптимальное Д!ля фосфоенолпируват-карбоксилазы13. Этот фер­
мент катализует превращение фосфоенолпирувата, образующегося из крахмала,
в оксалоацетат, который под действием
малат-дегидрогеназы14 восстанавливается
до L-малата. Последний накапливается в ва­
куоли. В результате снижается водный по­
тенциал (или, согласно старой терминоло­
гии, возрастает осмотическое давление
в вакуоли), что вызывает накачивание воды
в клетку. По мере повышения тургесцентности двух замыкающих клеток устьичная
щель расширяется. Полагают, что АБК на­
рушает нормальный ход процесса, блокируя
водородный насос. Изменения, возникаю­
щие вслед за этим, ведут к повышению во­
дного потенциала (снижению осмотическо­
го давления) в вакуоли и к выходу воды из
замыкающих клеток. Поскольку замыкаю­
щие клетки теряют тургор, устьичная щель
смыкается.
Е. ЭТИЛЕН
I. Свойства фитогормона и его от­
крытие
Этилен (этен, согласно номенклатуре
ИЮ ПАК) имеет формулу Н 2С-СН2 (мол.
масса 28,05). Э т о -г а з с т.пл.-169,15°С, т.
кип,-103,71°С. Он бесцветен, обладает
эфирным запахом, легче воздуха (плотность
этилена при 0°С и при 1 атм -1,260 г/л,
плотность сухого воздуха при 1 атмосфе­
ре -1,293 г/л) и легко воспламеняем. Он лег­
че растворяется в воде, чем С 0 2 или N 2,
и хуже, чем С 0 2 (примерные значения рас­
творимости в воде при 0°С и при 25°С в ус­
ловиях 1 атм, выраженные в частях на
1 млн., составляют: этилен-соответственно
315 и 140, кислород-7 0 и 40, азот-3 0 и 18,
диоксид углерода-3 3 8 7 и 1500). Диффу­
зионное равновесие этилена при концентра­
ции 1 часть на 1 млн. между водой и возду­
хом при 25°С составляет 10000:1.
Этилен легко взаимодействует с галоге­
нами, образуя галоидзамещенные углеводо­
роды, а также с некоторыми ионами метал­
лов, образуя координационные соединения.
Координационный комплекс с двухва­
лентными ионами ртути, образующийся
при взаимодействии этилена с перхлоратом
ртути-удобны й прием связывания этилена
из раствора; более того, этилен может выс­
вобождаться из этого комплекса количе­
ственно при добавлении ионов С1 “ . Этилен
легко окисляется. Окисление этилена до этиленгликоля (НОСН2 • СН2ОН) под воздей­
ствием К М п 0 4 используется в сельском хо­
зяйстве для удаления его из атмосферы;
плоды и цветы обычно транспортируются
в контейнерах, содержащих окись алюми­
ния или силикагель, пропитанный К М п 0 4
для удаления этилена и для снижения скоро­
сти созревания плодов или раскрывания
цветов.
Открытие этилена как гормона растений
относится к прошлому столетию, когда бы­
ло обнаружено, что каменноугольный газ
оказывает сильное действие на растения: де­
ревья преждевременно сбрасывали листья,
проростки росли горизонтально, цветы бы­
стро увядали. Каменноугольный газ обра­
зовывался при нагревании битуминизированных углей до 700°С. Вначале его исполь­
зовали для освещения улиц и домов, а затем
в качестве источника тепла. Он представлял
собой смесь газов; основным источником
тепла служили водород (38-55 об.%) и метан
(22-25 об.%), тогда как источниками све­
та-олеф ины (2,5-5 об.%), т.е. этилен, ацети­
лен и бензол. Русский физиолог Нелюбов
в 1901 г. показал, что именно этиленовый
компонент в каменноугольном газе ответ­
ствен за его влияние на растения. Он пока­
зал, что этилен в таких концентрациях, в ко­
торых он содержится в каменноугольном
газе, во-первых, подавляет рост стебля, вовторых, вызывает набухание стебля и, 13третьих, приводит к горизонтальному росту
стебля у проростков гороха. Он показал
также, что вызванные этиленом изменения
в росте не носят постоянного характера. Ес­
ли этилен удаляли из атмосферы, то нор­
мальный рост восстанавливался. В 1912 г.
Сивере и Тру (Sievers, True) сообщили, что,
согласно наблюдениям цитрусоводов, зе­
леные плоды калифорнийского лимона по­
сле окуривания дымом печей, которые топи­
лись керосином, быстро созревали, а Денни
(Denny) в 1924 г. обнаружил, что этилен
является активным компонентом этого ды­
ма.
Вплоть до этого момента этилен, дей­
ствующий на растения, рассматривали всего
лишь как постороннюю загрязняющую
примесь, попадающую в воздух в результа­
те работы двигателей внутреннего сгорания.
Однако в конце концов было установлено,
что растения сами продуцируют этилен. Ра­
ботники плодоовощехранилищ и моряки,
транспортирующие ф р у к т , давно уже за­
мечали, что перезревшие или гниющие
плоды усиливают созревание плодов, нахо­
дящихся рядом с ними. В 1910 г. Коусинс
(Cousins) сообщил, что летучее соединение,
продуцируемое спелыми апельсинами, уско­
ряло созревание бананов, хранившихся ря­
дом с ними. Ботье (Botjes) показал, что лету­
чее соединение, продуцируемое спелыми
яблоками и вызывающее изгиб проростков
томатов, можно удалить из воздуха с по­
мощью адсорбентов этилена. Аналогичные
сообщения поступали и от других исследо­
вателей, но только Гейну (Gane) удалось, на­
конец, в 1934 г. окончательно доказать, что
этилен продуцируется растениями. В тече­
ние 4 нед при —65°С он пропускал воз­
душный поток, содержавший газообразные
продукты метаболизма яблок сорта Ворцестер Пармен (27,2 кг), над бромом. При
этом весь этилен, содержавшийся в воздухе,
должен был улавливаться в виде его дибро­
мида (т. кип. 131°С). Методом дробной пере­
гонки масляного экстракта брома удалось
выделить 0,65 г продукта, кипящего ниже
140°С. Этот продукт должен был содержать
этиленбромид (т. кип. 131°С), если таковой
образовывался. О наличии этиленбромида
в препарате свидетельствовал тот факт, что
при обработке продукта анилином происхо­
дило образование кристаллов, идентифици­
рованных как >1,1Ч'-дифенилэтилендиамин.
В конце 30-х годов главным образом ра­
ботами Денни (Denny) и его коллег было
показано, что этилен способен образовы­
вать не только плоды, но и некоторые дру­
гие ткани, например цветы, листья, обли­
ственные стебли, корни и семена. На основе
этих данных в сочетании с уже известным
действием этилена на рост было высказано
предположение, что этилен может быть эн­
догенным регулятором роста.
Хотя список тканей, продуцирующих
этилен, увеличивался в течение последних
двух десятилетий, интерес к этилену, как
к регулятору роста, не получал широкого
распространения вплоть до 1960 г., когда
Бург, Пратт (Burg, Pratt) и др. начали ис­
пользовать газовую хроматографию для
анализа этилена. Это был не только более
легкий и быстрый метод, чем использовав­
шийся ранее манометрический метод, но
при этом еще в миллион раз повышалась
чувствительность метода. Газовая хромато­
графия на твердых средах с колонками оки­
си алюминия или силикагеля с использова­
нием пламенного ионизационного детекто­
ра, позволяющая определять в течение
5 мин до 10“ 15 М этилена в 1-2 мл газоо­
бразного образца, стала излюбленным ана­
литическим методом.
Повышение интереса к физиологии
и биохимии этилена, обусловленное легко­
доступным его анализом методом газовой
хроматографии, привело к тому, что наши
представления о нем значительно расшири­
лись. В результате было установлено, что
у растений этилен является важным ро­
стовым гормоном.
II. Образование этилена тканями
Было показано, что этилен образуется
покрытосеменными, голосеменными папо­
ротниковыми (например, Pteridium), мохоо­
бразными (например, Sphagnum squarrosum,
Polytrichum, Funaria), зелеными водоросля­
ми (например, Chara corallina, Chlorella
protothecoides) и некоторыми грибами (на­
пример, Mucor heminalis, Penicillum digitatus,
Sacchromyces cerevisiae, Candida vartiovaatia).
Он образуется также цианобактериями
(сине-зелеными водорослями) Anacystis
nidulans
и рядом
других
бактерий
(Pseudomonas solanacearum, Escherichia coli).
Но в здоровых тканях животных он, по-ви­
димому, не образуется.
Все ткани покрытосеменных способны
синтезировать этилен. Однако в наиболь­
шем количестве [ > 1 нл/(г •ч)] он образует­
ся, во-первых, в стареющих или созреваю­
щих тканях, во-вторых, в незрелых тканях,
которые быстро делятся или растягиваются.
Зрелые ткани продуцируют значительно
меньше этилена [ < 0 ,1 нлДг ч)]. Однако
следует иметь в виду, что ткани всех возра­
стов способны продуцировать высокое ко­
личество этилена в ответ на: 1) ранение,
2) стресс, например дефицит воды, низкие
температуры, и 3) соответствующие гормо­
нальные стимулы, например ИУК, цитоки­
нин, ИУК + цитокинин.
III. Передвижение этилена по расте­
нию
Этилен хорошо растворим э воде и спо­
собен транспортироваться в водном раство­
ре. Он достаточно неполярен, чтобы прони­
кать через клеточные мембраны. Однако
полагают, что место действия этилена близ­
ко к тому месту, где он синтезируется, и по­
этому этилен не перемещается по растению
на далекие расстояния.
IV. Метаболизм этилена
1. Биосинтез этилена
Биосинтез этилена было трудно исследо­
вать по следующим причинам: во-первых,
пока не удалось получить такие бесклеточные системы из тканей высших растений,
которые были бы способны синтезировать
этилен; во-вторых, может происходить
образование нефизиологического этилена.
Поэтому в большинстве исследований были
использованы отрезки тканей и срезы.
Существует общее мнение о том, что
ключевым
предшественником
этилена
СИ.
S
АТФ
4СН,
PP, + Pi
4—
^
-
он он
,Г -
Н— С— NH,
Н — С — NH,
I
,1
СООН
СООН
L-
метионин
н,с
s-Аденозил метионин
С3
+
о,
Н2С '
OH
Ad
^ соон
I- аминоциклопролан \-карбоновая кислота
Н ,0
со,
+
Н.2СООН (-С 02)
+
nh
;
Н\|____ V н
он он
соон
5 - мет илт иорибоза
он он
5'- метил т иоа денозин
L- гомосерин
В-Глюкоза
Рис. 15.27. Биосинтез этилена у высших растений
по Адамсу и Янгу (Adams, Yang, 1977). Цифры
при углеродных атомах этилена и других продук­
тов последней реакции показывают их происхо­
ждение из L-метионина. Ад-аденин. АВГ-аминоэтоксивинилглицин.
у высших растений служит L-метионин.
О пы ты с изотопны ми метками показали,
что этилен происходит из атом ов С-3 и С-4
L-метионина. Более того, в процессе превра­
щения L-метионина в этилен атом С-1 пре­
вращ ается в С О 2, С - 2 - в муравьиную кисло­
ту (и в конечном счете в С 0 2). C H 3S-rpynna
остается интактной в ткани. Сущ ествуют
данны е о том , что C H 3S-rpynna вновь вклю ­
чается в метионин. Н еобходимость сохране­
ния C H 3S-rpynnbi путем повторного вклю ­
чения в цикл объясняется тем, что содерж а­
ние свободного и связанного с белком
метионина не настолько велико, чтобы обес­
печить наблю даемы й уровень биосинтеза
этилена. С огласно пути биосинтеза, предло­
женного А дамсом и Я нгом (Adams, Yang)
(рис. 15.27), 5'-метилтиоаденозин и 5-метилтиорибоза
действую т
как
носители
C H 3S-rpynm>i. В итоге С Н 3-группа зам е­
щ ается на гидроксигруппу молекулы гомо-
серина, происходящего от D -глю козы через
аспартат (рис. 9.9), что ведет к регенериро­
ванию L-метионина.
С огласно Адамсу и Янгу, L-метионин
превращ ается в S-аденозилметионин, ко­
торы й затем распадается на 5'-метилтиоаденозин (МТА) и 1-аминоциклопропан-1-кар­
боновую кислоту (АЦПК). М ТА гидроли­
зуется затем до М Т Р (5-метилтиорибозы),
которая взаимодействует с L-гомосерином,
регенерируя L-метионин таким путем.
1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота
в анаэробных условиях расщепляется до
этилена, С 0 2, муравьиной кислоты и N H 4 .
В пользу этого пути свидетельствую т сле­
дую щ ие данны е: 1) когда в ткани зрелых
яблок
вводили
м етил-14Сили
358-метионин, возникали меченые М ТР
и МТА, первый как основной, а второй как
минорный м етаболит; 2) если образование
этилена в зрелых тканях яблок подавляли
с пом ощ ью аминоэтоксивинилглицина, то
из м етил-14С- или из 358-метионина не
образовы вались меченые М Т Р и М ТА;
3) незрелые ткани яблок, не образую щ ие
этилена, не образую т и меченых М Т Р или
МТА из м етил-14С- или 358-метионина; 4)
при введении в зрелые ткани яблок 35S-MTA
СНа ОН
CH.NH,
I
си ,
CH..NH,
I * 2
СН,
*
0
1
н—с
Н— С
II
с —н
с —н
I
I
I
Н — С— NH,
I
соон
Р изобит оксин;
1 -2-ам и н о - 4 (2 -а м и н о -J-ги дрокси п р оп акси )-т ран с - 3 б ут еновая кислота
(и з R h l 2 o 6 iu m
ja p o n ic u m )
I
0
1
II
Н — C -«N H ,
СН3
СООН
Аминоэтокси виним гл и ц и н (А ВГ);
L -2 -ам и н о -4 (.2 -амнозт окси) т ранс-J -бут енобая
кислота
( и з S tie p to m y c e s sp.)
Рис. 15.28. Строение и происхождение некоторых
аналогов енольных эфиров аминокислот, по­
давляющих биосинтез этилена.
наблю далось образование 3SS-M TP и
358-метионина; 5) если в зрелые ткани яблок
вводили
35S-M TP,
то
образовывался
358-метионин, но не 35S-M TA; 6) если равно­
мерно меченный 14С-метионин вводили
в зрелые ткани яблок в атмосфере N 2, нака­
пливалась 14С -А Ц П К ; 7) при введении
в зрелые ткани яблок 14С -А Ц П К на воздухе
наблю далось образование этилена, хотя
в атмосфере N 2 такого превращения не про­
исходило ; 8) в соке яблок и груш идентифи­
цирована АЦПК.
Образование этилена в тканях высших
растений, как было показано, подавлялось
1) агентами, хелатирующими металлы, на­
пример Э Д ТА ; 2) ионами С 0 2+ при 0,1 м М ;
3) аналогам и енольных эфиров аминокис­
лот, например ризобитоксином, аминоэтоксивинилглицином (АВГ), метоксивинилглицином (МВГ) (рис. 15.28), которые обра­
зуются в ростовой среде некоторых ми­
кроорганизмов; 4) каналином (а-амино-уаминобутаноевой кислотой); 5) агентами,
разруш аю щ ими свободные радикалы, т.е.
н-пропилгаллатом, бензоатом натрия, и
6) белком, выделенным из гипокотилей
(Phaseolus aureus Roxb). Каналин - известный
ингибитор пиридоксаль-зависимых фермен­
тов. О днако вполне возможно, что способ­
ность каналина подавлять образование эти­
лена не связана с ингибированием какоголибо из пиридоксаль-зависимых ферментов.
н—с
II
с —н
I
H »~C— NH,
I
СООН
Метоксивинилелицин
(МВГ)-, L -2-ам и н о4-м ет о/гси -т р а н с -эбут енобая кислота
(из Pseuc/omonas
aezuginosa)
О б этом свидетельствует то т факт, что по­
давление каналином образования этилена
частично обращ ается метионином, но не
пиридоксальфосфатом. И нгибитор белково­
го типа подавляет образование этилена,
индуцированное И У К в субапикальных от­
резках гипокотилей маш а. Н о он не влияет
на образование этилена в срезах из яблок.
Возможно, что он не действует непосред­
ственно на этиленообразую щ ую систему,
а блокирует какой-что активный участок,
с которы м И У К долж на взаимодействовать
для того, чтобы стимулировать этиленобразую щ ую систему.
М есто внутриклеточного биосинтеза
этилена у высших растений неизвестно. О д­
нако недавние исследования показали, что
биосинтез мож ет быть локализован в плазмалемме. В основе этого предположения ле­
ж ит тот факт, что, хотя при гомогенизации
клеток способность к синтезу этилена исче­
зает, протопласты, выделенные щ адящ ими
методами, способны синтезировать этилен.
О бразование этилена в тканях высших
растений стимулируется ауксином (ИУК).
Это усиленное образование этилена в при­
сутствии И У К , требует длительного воздей­
ствия относительно высоких концентраций
И У К (10~5- 1 0 -3 М). О но начинается после
1-3-часового лаг-периода и подавляется ин­
гибиторами синтеза Р Н К и белка. К ак было
показано, цитокинины усиливаю т индуци­
рованный И У К процесс образования этиле­
на.
Биосинтез этилена был исследован у ми­
кроорганизмов. Зеленая плесень плодов ци-
трусовых Penicillum digitatum Sacc образует
большое количество этилена, если она выра­
щивается в статичной культуре. В этих усло­
виях культивирования этилен образуется не
из L-метионина. Он, по-видимому, происхо­
дит из атомов С-3 и С-4 2-оксоглутарата.
Однако, если P. digitatum выращивать при
встряхивании культуры с L-метионином
в среде, то после лаг-периода индуцируется
образование этилена из метионина. Пока­
зано, что эта система индуцируется L-ме­
тионином при встряхивании и в культуре
Sacharomyces cerevisiae.
2. Катаболизм этилена
Катаболизм этилена у высших растений
изучен плохо. Н а основе ранних работ пред­
полагалось, что этилен катаболизируется
лишь в незначительной степени (т. е. меньше
0,05% от введенного количества). Более то­
го, к числу продуктов катаболизма были от­
несены бензол и толуол. В 1975 г. эти ре­
зультаты подверглись критике со стороны
Бейера (Веуег), указавшего, что, во-первых,
применявшийся 14С-этилен не был очищен
и, во-вторых, не было предпринято никаких
предосторожностей, чтобы избежать ми­
кробного заражения растительных тканей.
Впоследствии Бейер показал (1975-1978),
что в опытах, проведенных в асептических
условиях с чистым 14С-этиленом, последний
катаболизируется в ряде тканей, обладав­
ших, как было установлено, чувствитель­
ностью в отношении этилена, а именно
в этиолированных проростках гороха, в сре­
занных цветках гвоздики и в срезанных
цветках вьюнка. В этих тканях, по-видимому, существуют два основных пути катабо­
лизма этилена: главный из них приводит
к выделению С 0 2, а минорный связан
с образованием пока не известных водора­
створимых метаболитов. Путь «этилен-»
-* С 0 2» подавляется высокой концентра­
цией С 0 2 (7-10 об.%), но не ионами серебра,
тогда как минорный путь, наоборот, по­
давляется ионами серебра, но не высокой
концентрацией С 0 2.
В 1978 г. Джери и Холл (Jerie, Hall) пока­
зали, что экзогенный этилен превращается
в развивающихся семядолях бобов (И cia
faba) в этиленоксид с достаточно высоким
выходом (85-95% менее чем за 25 ч). Это бы­
ло неожиданностью по крайней мере по
двум причинам: во-первых, в предшество­
вавших экспериментах количество этилена,
превращающегося в катаболиты, не превы­
шало 1% от введенного извне и, во-вторых,
было показано, что из всех испытанных тка­
ней только Viciafaba образует из этилена ок­
сид этилена. Однако в справедливости этих
положений нет оснований сомневаться. Вопервых, этиленоксид был идентифицирован
методом масс-спектрометрии; во-вторых,
этот факт был проверен рядом исследовате­
лей; в-третьих, фермент, катализирующий
превращение этилена, был частично очищен.
В связи с этим следует заключить, что этот
катаболический процесс специфичен для бо­
бов, по крайней мере среди тех растений, ко­
торые в этом отношении исследовались.
V. Физиологическое действие этиле­
на
Имеются сообщения о целом ряде раз­
личных физиологических эффектов этилена.
Они включают в себя: 1) стимуляцию созре­
вания сочных плодов, 2) стимуляцию опаде­
ния листьев, 3) так называемую «тройную
реакцию» этиолированных проростков, на­
пример гороха; последняя включает подав­
ление роста стебля, стимуляцию поперечно­
го набухания стебля и рост стебля
в горизонтальном, без учета силы тяжести,
направлении, 4) закрытие гипокотильной
или эпикотильной петли этиолированных
проростков двудольных растений, 5) подав­
ление роста корней, 6) стимуляцию роста
боковых корней, 7) стимуляцию цветения
ананаса, 8) стимуляцию увядания некоторых
цветков, 9) стимуляцию эпинастии листьев
(изгиб вниз листа, обусловленный быстрым
ростом верхней части черешка).
Среди этих эффектов, по-видимому, на­
иболее важным является стимуляция созре­
вания сочных плодов и стимуляция опаде­
ния листьев. Однако прежде чем остано­
виться на этих проблемах более детально,
следует указать, что влияние на рост корней
(см. пп. 5 и 6) в природе, по-видимому, связа­
но с этиленом, образуемым почвенными ми­
кроорганизмами, в особенности в условиях
затопления.
Способность этилена стимулировать со­
зревание плодов была известна в течение
многих лет (разд. E.I). С середины 30-х годов
на основе этих научных сведений проводит­
ся работа для предотвращения перезрева-
ния плодов при хранении. Плоды выдержи­
вают при низких температурах в спе­
циальных газонепроницаемых камерах,
в которых воздух освобождают от этилена,
пропуская его через фильтры с бромированным активированным углем. Дыхание
хранящихся плодов приводит к снижению
содержания кислорода в воздухе до 5-10% (в
расчете на объем) и повышению концентра­
ции диоксида углерода до 1-3% (также
в расчете на объем). Это улучшает хранение,
поскольку кислород необходим для образо­
вания и действия этилена, а диоксид углеро­
да подавляет эти процессы.
Созревание плодов
сопровождается
многочисленными изменениями, довольно
сложными и недостаточно исследованными.
Они могут рассматриваться как особая фор­
ма старения, смысл которой состоит в том,
чтобы плоды стали более доступными по
вкусу для животных, поскольку это способ­
ствует последующему распространению се­
мян. Наиболее общие изменения, связанные
с созреванием,-это: 1) размягчение тканей,
2) гидролиз запасных соединений, 3) измене­
ния в пигментации и аромате, 4) изменение
в уровне дыхания.
Сочные плоды можно подразделить на
два класса, исходя из тех изменений, ко­
торые происходят в дыхании вслед за созре­
ванием (т.е. достижением окончательного
размера). Первый класс, который включает
в себя яблоки, груши, бананы, авокадо
и манго, характеризуется происходящим
вначале снижением дыхания с последую­
щим его усилением, совпадающим по врем­
ени с периодом созревания. Затем происхо­
дит снижение интенсивности дыхания, на­
блюдаемое в период, когда плоды перезре­
вают. Интенсивный всплеск дыхания назы­
вается
«климактерическим»
дыханием,
а плоды этого класса называют «климакте­
рическими плодами».
Климактерическое дыхание, по-видимому, устойчиво к цианиду (гл. 6, разд. Г). Ко
второму классу относятся плоды, не обла­
дающие климактерическим дыханием; их
называют «неклимактерическими плода­
ми». Они в свою очередь подразделяются на
11 плоды, у которых дыхание практически не
изменяется в процессе созревания (апель­
сины, лимоны и инжир), и 2) плоды типа пер­
ца, у которых дыхание во время созревания
снижается.
В настоящее время получены убеди­
тельные доводы в пользу того, что этилен
вызывает созревание плодов. У климактери­
ческих плодов содержание внутриклеточно­
го этилена повышается до уровня, вызы­
вающего созревание раньше, чем наступает
климактерический пик дыхания. Последний
можно считать показателем созревания. Бо­
лее того, экзогенный этилен не только сти­
мулирует созревание неклимактерических
плодов, но индуцирует также дыхательный
пик.
Следует указать, что плоды значительно
различаются по своей реакции на этилен.
У наиболее сочных плодов внутриклеточное
содержание этилена должно возрасти в три
раза перед тем, как плоды начнут созревать
(у дыни 3 части на млн.). Это достигается
синтезом этилена в самом плоде. Большин­
ство из таких плодов созревают на растении
после того, как содержание этилена у них
достигнет соответствующего уровня. Но
у некоторых растений (например, авокадо,
манго) этого не происходит, и они дозре­
вают, будучи сорванными с дерева. Предпо­
лагают, что в последнем случае, пока плод
находится на растении, в нем присутствует
ингибитор этилена, который постепенно ис­
чезает после того, как плод будет сорван
с дерева. Природа этого ингибитора не­
известна, и вполне возможно, что это не ка­
кое-то определенное вещество, а баланс
между другими гормонами. У других пло­
дов, например у некоторых видов банана,
концентрация этилена, необходимая для со­
зревания, присутствует уже в незрелом пло­
де, но плод остается к нему нечувстви­
тельным вплоть до наступления фазы
созревания. В плодах некоторых однолет­
них растений (например, томатах, дынях)
образование этилена и созревание осущест­
вляются только после того, как у них насту­
пит определенная физиологическая фаза вне
зависимости от того, остаются плоды на
растении или они сорваны.
Этилен, по-видимому, играет основную
роль в опадении листьев и цветков. Он обра­
зуется в тканях листа или цветка по мере
старения и действует на отделительную зо­
ну, расположенную в основании черешка ли­
ста или цветоножки. Этилен вызывает
у проксимального слоя клеток отделитель­
ной зоны разрастание и способность синте­
зировать и выделять ферменты, разруш аю­
щие
клеточные
стенки,
такие,
как
целлулаза15 и пектиназа16. Под прокси­
мальным слоем понимают слой клеток,
удаленный от листовой пластинки или цвет­
ка. Ферменты атакуют клеточные стенки
и разрушают их, начиная от клеток, ближай­
ших к месту синтеза ферментов, и продви­
гаясь по отделительной зоне. Это ведет к ос­
лаблению отделительной зоны черешка или
цветоножки, связь между клетками этой
зоны может прерываться под действием
стресса, и в результате лист или цветок опа­
дут с растения. Ауксин подавляет этот про­
цесс (разд. Б.1У).
Этилен отличается от других фитогор­
монов чрезвычайно высокой степенью лету­
чести. По этой причине, как утверждает Ос­
борн (Osborne), этилен, образованный од­
ним растением, может влиять на рост
других растений, расположенных рядом.
В этом случае он подобен феромонам насе­
комых. Однако он отличается от феромонов
тем, что наряду с таким действием оказы­
вает также влияние и на рост организма, его
продуцирующего.
VI. Биохимический механизм дей­
ствия этилена
Механизм действия этилена на молеку­
лярном уровне неясен. Однако существуют
два очень важных участка, на которые он
может влиять. Во-первых, точно установле­
но, что во время созревания плодов и опаде­
ния листьев этилен стимулирует de novo
синтез и выделение ферментов, расщепляю­
щих
клеточные
стенки,
таких,
как
целлулаза15, которая вызывает размягчение
ткани. Во-вторых, Холл (Hall) и его сотруд­
ники показали, что этилен специфично
и обратимо связывается с белком в эндомембранной системе (эндоплазматический
ретикулум и мембраны аппарата Гольджи)
развивающихся семядолей у семян фасоли
(Phaseolus vulgaris). Это первые данные, де­
монстрирующие наличие в клетках-мише­
нях специального участка-рецептора.
Это наблюдение дает основание думать,
что этилен поступает в клетки-мишени,
связывается со специфическим белковым ре­
цептором, локализованным в эндомембранной системе, и таким путем стимулирует
синтез специфического набора ферментов,
большинство из которых затем выделяются
из клетки и модифицируют структуру кле­
точной стенки. На первый взгляд эта после­
довательность событий подобна той, кото­
рая присуща стероидным гормонам жи­
вотных. Стероидные гормоны проникают
в клетку, связываются со специфическим
белковым рецептором в цитозоле и затем
в связанной форме переходят в ядро, где
включают специфические гены, которые
транскрибируются в мРНК. Новообразо­
ванные мРНК в с в о ю очередь транслируют­
ся в белки (ферменты). Однако в этом случае
имеется существенное различие: белковый
рецептор стероидного гормона локализован
в цитозоле и поэтому свободно перемещает­
ся в ядро, где включает гены, тогда как бел­
ковый рецептор этилена связан с мембраной
и не транспортируется. В наших знаниях та­
ким образом существует значительный про­
бел : не ясно, каким образом сигнал от
связывания этилена с рецепторным белком
приводит к синтезу специфических фермен­
тов?
Ж. ДРУ ГИ Е РЕГУЛЯТОРЫ РОСТА
Хотя ауксины, гиббереллины, цитоки­
нины, абсцизовая кислота и этилен рассма­
триваются как основные гормоны расте­
н и й -это отнюдь не единственные факторы,
которые содержатся в растениях и могут
оказывать сильное воздействие на растение
при введении извне в малых концентрациях.
Большинство из таких физиологически
активных соединений можно отнести
к одной из трех следующих категорий:
1) Соединения, продуцируемые низши­
ми формами растений (водорослями,
грибами, мхами и папоротниками) и ре­
гулирующие их развитие.
2) Соединения, образуемые микроорга­
низмами, которые обладают способ­
ностью влиять на рост высших растений.
3) Соединения, образуемые высшими
растениями и влияющие на их рост, если
их вводить экзогенно в интактные расте­
ния или в отрезки тканей.
Примеры
соединений,
относящихся
к этим трем категориям, их строение, рас­
пространение и физиологическое действие
представлены в табл. 15.3, 15.4 и 15.5. Все
соединения первой категории, приведенные
в табл. 15.3, регулируют половое развитие
организма-продуцента. Однако в эту табли­
цу следовало бы добавить лунулариевую
кислоту, которая является, по-видимому,
физиологическим эквивалентом абсцизовой
кислоты у лишайников и водорослей (разд.
Таблица 15.3. Соединения, образующиеся у низших растений и регулирующие их развитие (глав­
ным образом половое размножение)
Физиологическое действие
или функция
Соединение
Источник
1. а-Фактор (тридекапептид, состоящий
из протеиногенных аминокислот)
а-Половой тип Saccharomy- Подавляет миотическое
деление и вызывает уд­
ces cerevisiae
линение клеток у а-полового типа S. cerevisiae
Триспоровая кислота В об- Стимулирует переключеразуется в клетках (+ ) ние от бесполого к пои (—) половых типов гри- ловому типу дифференбов порядка мукоровых. цировки, характеризуюОна возникает в клетках щемуся образованием
(+)-типа из триспорола, зигоспор
образующегося в клетках
(—)-типа и в клетках (.—)
Триспоровая кислота R—СООН
типа из мети лди гидротриТриспоралВ R -C H jO H
спората В, продуцируемо­
Метилдигидротриспорат В: R -C O O C H 3 го грибом (+ )-типа
4-оксогруппа восстанавливается до 4fJгидроксильной группы
2. Триспоровая кислота В
R
3. L-сиренин
СН,ОН
4. Антеридиол
он
5. Эктокарпен
^ -Гаметы водяной плесе- Притягивается ( / -гаметани Allomyces после высво- ми так, что они мобождения из ^ -гаметан- гут сливаться с 9 -гагиев в окружающую вод- метами, образуя пол­
ную среду
вижные двужгутиковые
зиготы
Вегетативные гифы ^ -поло- Индуцирует: 1) вознихновение анте ридиальных
вого типа гетероталлической водяной плесени ветвлений у ( / -полового типа, 2) рост вет­
Achlya ambisexualis и А.
bisexualis
влений в направлении
к источнику антеридиола, 3) развитие антеридиев, 4) выделение гор­
мона В (возможно, по­
добного
оогониолу-1
и оогониолу-2), кото­
рый индуцирует обра­
зование оогониев у
^ -полового типа
^ -Гаметы морских бурых Притягивает
водорослей Ectocarpus silicubsces
-гаметы
Соединение
Источник
Физиологическое действие
или функция
6. Фукосерратен
Яйца морских бурых водо- Притягивает
рослей Fucus serratus
зоиды
спермато-
I
С =с — С =С — С =С — СНа— C H j
/ I
Н
I I I
Н
Н Н
Н
7. Мултифиден
Н,С
Н
■Ч"
|
Яйца Cutleria multifida
Притягивает ^ -гаметы
Проталии папоротников
Индуцируют образование
антеридиев у проталиев папоротников
СНаСНэ
1
С— н
8. Антеридиогены, например ААп
СН2
Н0 II
-^И<Н
СН] ноос
Таблица 15.4. Соединения, образуемые микроорганизмами, которые стимулируют рост высших
растений
Физиологическое действие
Соединение
Источник
1. Гельминтоспоро л
Мицелий патогенного гри­ Стимулирует удлинение
листовых пластинок у
ба Hehninthosporium sati­
проростков риса и карли­
vum
ковой кукурузы; стимули­
рует удлинение гипокотиля и первичного корня
у интактных проростков,
нарушает покой клубней
артишока, стимулирует
прорастание семян и цве­
тение
ОНС'
СН,ОН
2. Котиленины (гликозиды котиленола; Фильтрат культуральной Стимулирует рост семядосм. ниже)
среды гриба, по-видимолей китайской капусты,
^
му, вида Cladosporium
редиса и огурцов
пи
ОН
\
Соединение
Источник
3. Склерин
СНз
H,cv
H j C ''
мГ
'Ч у Л
он
CHj
1
y!
О
Физиологическое действие
или функция
Мицелий гриба Sclerotinia Стимулирует удлинение по­
бега и рост корня риса
libertiana
и других проростков; сти­
мулирует активность ли­
пазы в прорастающих се­
менах клещевины и ак­
тивность-амилазы в
прорастающих семенах
риса
Фильтрат культуральной Сам неактивен, но ста мусреды гриба Pestalotia
лирует активность гиббеcryptomeriaecola
реллина
4. Песталотин
ОСН
/\
Н Н
/\
Н Н
5. Фузикокцин
СН2— О — С(СН3 )2СН = СН2
Мицелий гиба Fusicoccum Причина увядания и обез­
воживания побегов пора­
amygdali, который пора­
жает деревья миндаля и
женных деревьев миндаля
и персика; стимулирует
персика
удлинение клеток у ряда
растительных тканей-в
этом случае более акти­
вен, чем ауксин; вызыва­
ет открывание устьиц в
присутствии и отсутствие
света, индуцирует про­
растание покоящихся се­
мян пшеницы
6. Малформинцикло-О-цис-О-цис-Ь-ва- Мицелий гриба Aspergillus Стимулирует удлинение
лил-О-лейцил-Ь-изолейцин
higer
клеток; вызывает интен­
сивную малигнизацию
стебля некоторых видов
растений, вызывает изгиб
корня
Таблица 15.5. Примеры соединений, которые присутствуют у высших растений и, будучи введены
экзогенно, стимулируют или ингибируют их рост
1. Фенолкарбоновые кислоты и
трянс-коричная кислота
СООН
ОН
Галловая кислота
НО
он
н /н
н \н
н \н
-И
ноос
Н 0
С=0
Хл^рогеновая кислота
СООН
Коричная кислота:
R, -Н, Ra-H , R3-H
Кумаровая кислота:
R, -Н , R2-OH, R3- H
Кофейная кислота:
R, -Н , Rj-O H , R3-OH
Феруяовая кислота:
R, -Н , Rj-O H , R3 -OCH 3
5-ОН-ферулевая кислота:
R, -ОН, Ra-OH, R3 OCH,
Синаповая кислота:
R ,-О СН 3, R-OH, R3 -OCH 3
Широко распространены у выс­ Влияют на рост отрезков колеоптилей, междоузлий и гиших растений в форме глюпокотилей, индуцированный
козильных эфиров и амидов
ИУК. В общем это кислоты
с одной ОН-группой или без
нее, выступающие как анта­
гонисты ИУК, по-видимому,
путем стимулирования окис­
лительного декарбокси ли рования И У К ; как кислоты
с двумя и тремя ОН-группами усиливают действие
ИУК, по-видимому подав­
ляя окислительное декарбоксилирование ИУК. Регули­
руют ли эти соединения со­
держание ауксина in vivo,
неясно, но некоторые дан­
ные свидетельствуют в поль­
зу такого предположения
Табл. 15.5 (продолжение)
2. Флавоноиды (см. гл. 14)
5
4
3. Кумарины
Кумарин:
R , - H , R2- H , R3- H
Умбелиферон
Rt - H , R j - O H , R3- H
Широко распространены у выс­ Влияют на ИУК-индуцнруеших растений, главным об­
мый рост (например, в пер­
разом в форме гликозидов;
вом междоузлии овса). Понаиболее распространены Овидимому, они влияют на
гликозиды, но С-гликозиды
окислительное декарбокситакже встречаются
лирование ИУК. Эта актив­
ность зависит от гидроксилирования в кольце В. В
общем флавоноиды с одной
ОН-группой при С-4' инги­
бируют индуцируемый ИУКрост, стимулируя ИУКоксидазу, а флавоноиды с
ОН-группами при С-3' и
С-4' стимулируют рост, по­
давляя ИУК-оксидазу
Широко распространены у выс­ Обычно их рассматривают как
ингибиторы роста, но их ак­
ших растений (часто как глюкозиды)
тивность зависит от харак­
тера замещения. Кумарин
подавляет рост отрезков колеоптилей пшеницы и овса,
индуцированный ИУК, рост
проростков риса, золотистой
фасоли, салата и клевера,
а также прорастание семян,
например салата
Скимтин
R ,-H , R2-OGlc, R3-H
4. Другие структурные л акторы
а. Протоанемонин
Подавляет рост отрезков колеопти лей, митоз и рост кор­
ней
НС=СН
/
о=с
\
с=о
о
б. Парасобовая кислота
Ягоды рябины
Подавляет прорастание семян
и удлинение клеток у колеоптилей овса
Листья дурнишника
Подавляет рост проростков
овса и отрезков колеоптилей.
Подавляет боковые почки, ког­
да его наносят на приле­
гающие листья.
Н ,,,“i
НэС
в. Ксантин
О.СО.СНз
сн,со.снэ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Абсцизовая кислота
Millborrow В. V. (1974). The chemistry and physiol­
ogy of abscisic acid, Ann. Rev. Plant. Physiol. 25,
259-307.
Mansfield T. A.,
Wellburn A. R.,
Moreira T.J.S.
(1978). The role of abscisic acid and famesol in the
alleviation of water stress, in The Biochemical
Functions of Terpenoids in Plants (Goodwin,
T. W., ed.), pp. 33-44. The Royal Society, London.
Wareing P. F. (1978). Abscisic acid as a natural grow­
th inhibitor, ibid., pp. 45-60;
Walton D.C. (1980). Biochemistry and physiology of
abscisic acid, Ann. Rev. Plant Physiol., 31,
453-489.
Общие вопросы
Этилен
Letham D. S., Goodwin P. В., Higgins T. J. V, eds.
(1978). Phytohormones and Related Compounds:
a comprehensive treatise. Vol. I, The Biochemistry
of Phytohormones and Related Compounds.
Vol. II, Phytohormones and the Development of
Higher Plants. Elsevier/North-Holland Biomedi­
cal Press, A m sterdam -Oxford-New York.
Moore T.C. (1979). Biochemistry and Physiology of
Plant Hormones. Springer-Verlag, New Y orkHeidelberg - Berlin.
Wareing, P. F. and Philips, I. D. J. (1981) The Control
of Growth and Differentiation in Plants, 3rd edn.
Pergamon Press, Oxford-New York-TorontoSydney-Paris-F rankfurt.
AbelesF.B. (1972). Biosynthesis and mechanism-of
action of ethylene, Ann. Rev. Plant Physiol., 23,
259-292.
Lieberman M. (1979). Biosynthesis and action of
ethylene, Ann. Rev. Plant Physiol., 30, 533-591.
Д.2). Все соединения второй категории, при­
веденные в табл. 15.4, стимулируют рост
высших растений; однако следует указать,
что многочисленные соединения, продуци­
руемые грибами, оказывают ингибиторное
или токсическое действие на высшие расте­
ния. Все соединения третьей категории, при­
веденные в табл. 15.5, или стимулируют или
подавляют рост, если их вводят экзогенно.
Однако трудно сказать, играют ли эти со­
единения регуляторную роль in vivo.
Специальные обзоры
Ау кс и ны
Scott Т. К. (1972). Auxins and roots, Ann. Rev. Plant
Physiol. 23, 235-258.
Goldsmith M.H.M . (1977). The polar transport of
auxin, Ann. Rev. Plant Physiol. 28, 439-478.
Гиббереллины
Lang A. (1970). Gibberellins: structure and metabo­
lism, Ann. Rev. Plant Physiol. 21, 537-570.
Jones R.L. (1973). Gibberellins: their physiological
role, Ann. Rev. Plant Physiol. 24, 571-598.
Rappoport L., Adams D. (1978). Gibberellins: synthe­
sis compartmentation and physiological process,
in The Biochemical Functions of Terpenoids in
Plants (Goodwin, T. W., ed), pp. 83—101. The
Royal Society, London.
Цитокинины
Skoog F.. Armstrong D.J. (1970). Cytokinins, Ann.
Rev. Plant Physiol. 21, 359-384.
Hall R.H. (1973). Cytokinins as a probe of
developmental processes, Ann. Rev. Plant Physiol.
24, 415-444.
Horgan R. (1978). Nature and distribution of
cytokinins, in The Biochemical Functions of
Terpenoids in Plants (Goodwin, T. W., ed.),
pp. 1-9. The Royal Society, London.
Laloue M. (1978). Funcdons of cytokinins, ibid.,
pp. 11-18.
Другие регуляторы роста
Кефели В. И., Кадыров Ч. С. (Kefeli V. /., Kadyrov
С. S.) (1971). Natural growth inhibitors, their
chemical and physiological properties, Ann. Rev.
Plant Physiol., 22, 185-196.
Kochert G. (1978). Sexual pheromones in algae and
fungi, Ann. Rev. Plant Physiol., 29, 461-486.
McMorris Т. C. (1978). Antheridiol and the oogoniol,
steroid hormones which
control
sexual
reproduction in Achlya, in The Biochemical
functions of terpenoids in plants (Goodwin, T. W..
ed.), pp. 21-32. The Royal Society, London.
Dorffling K. (1978). The possible role of xanthoxin in
plant growth and development, ibid., p.p. 61-69.
Gooday G.W. (1978). Functions of trisporic acid,
ibid., pp. 71-82
Маггё E. (1979). Fusicoccin :a tool in plant physio­
logy, Ann. Rev. Plant Physiol., 30, 273-288.
Сходные проблемы
Wareing P.F., Saunders P.F. (1971). Hormones and
dormancy, Ann. Rev. Plant Physiol., 22, 261-288.
Evans L. T. (1971). Flower induction and the florigen
concept, Ann. Rev. Plant Physiol., 22, 365-394.
Sequeira L. (1973). Hormone metabolism in deseased
plants, Ann. Rev. Plant Physiol., 24, 353-380.
Evans M.L. (1974). Rapid responses to plant
hormones, Ann. Rev. Plant Physiol., 25, 195-223.
Kende H,, Gardner G. (1976). Hormone binding in
plants, Ann. Rev. Plant Physiol., 27, 267-290.
Wareing P.F. (1977). Growth substances and
integration in the whole plant, in Society for
Experimental Biology, Symposium XXXI Integration and Activity in the Higher Plant
(Jennings, D. H., ed.), pp. 337-365.
Ферменты
1. L-триптофан : 2-оксоглутарат—аминотрансфераза, КФ 2.6.1.27
2. Карбокси-лиаза
2-оксокислот,
КФ
4.1.1.1.
3. Карбоксилаза ароматических L-аминокислот, КФ: 4.1.1.28.
4. Тиоглюкозид-гликогидролаза,
КФ
3.2.3.1.
5. Нитрил-аминогидролаза, КФ 3.5.5.1.
6. 1,4-а-О-глюкан—глюканогидролаза,
КФ 3.2.1.1.
7. 1,4а-Э-глюкан—малтогидролаза, КФ
3.2.1.2
8. Растительная рибонуклеаза, КФ 3.1.27.1.
9. 1,ЗР-глюкан—глюкангидролаза,
КФ
3.2.1.39.
10. СТР : холинфосфат—цитидилтрансфераза, КФ 2.7.7.15.
11. C D R xcuihh : 1Д-диацилглйцерол—
холинфосфотрансфераза, КФ 2.7.8.2.
12. mpeo-D.-изоцитрат—глиоксилат-лиаза,
КФ 4.1.З.1.
13. Ортофосфат :оксалацетат—карбоксилиаза (фосфорилирующая), КФ 4.1.1.31.
14. L-малат: NADP + —оксидоредуктаза,
КФ 1.1.1.37.
15. 1,4-(1,3; 1,4)-Р-0-глюкан—4-глюканогидролаза, КФ 3.2.1.4.
16. Поли (1,4-ос-0-галактуронид)—гликаногидролаза, КФ 3.2.1.15.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Обозначение абсолютной конфигурации
хиральных центров по системе
Кана - И н го л ьд а- П релога
Существует ряд международных правил,
определяющих совершенно однозначно аб­
солютную конфигурацию хиральных цен­
тров для нескольких определенных групп
соединений. Так, например, термины «D»
и «L» используются для обозначения угле­
водов и аминокислот, родственных по кон­
фигурации глицериновому альдегиду и серину соответственно (рис. А. 1.1), а термины
а и р используются для обозначения заме­
стителей колец А - D стероидного ядра;
ориентацию этих заместителей определяют
по отношению к СН3-группе при атоме С-19
(рис. А. 1.2). Однако символы D и L или а и
Р в том значении, в каком они используются
применительно к данной группе соединений,
не могут быть использованы в качестве об­
щехимической системы обозначений. По­
скольку необходимость в такой общей си­
стеме была совершенно очевидна, Кан,
Ингольд и Прелог предложили систему,
в которой конфигурация при хиральном
центре обозначается буквами «R» и «S». Эту
систему Кан, Ингольд и Прелог разрабаты­
вали в период с 1951 по 1966 г. (Cahn R. S.,
СНО
Н— С—ОН
CHO
НО»- С — Н
бн2он
D - глицериновый
альдегид
Сн2он
L-
глииериновыи
альаегид
I
♦
R
R
Н— С—ОН
НО—С—Н
Сн2он
D-caxap
СН2ОН
L-сахар
Рис. A. 1.1. D- и L-система, используемая приме­
нительно к сахарам и аминокислотам.
Ingold С. К., J. Chem. Soc., 612, 1951;
Cahn R. S., Ingold С. K., Prelog V., Experientia, 12, 81, 1956; Cahn R. S., Ingold С. K.,
Prelog V., Angew. Chem., Int. Edit Engl.,
5, 385, 1966). Система Кана -И нголь­
да -П релога может быть применена ко всем
хиральным соединениям. Однако она не мо­
жет заменить собой «частные» системы
определений, такие, например, как пока­
занные на рис. А. 1.1 и А. 1.2. Систему Ка­
на-И нгольда-П релога следует использо­
вать только в тех случаях, когда «частных»
систем не имеется. Ее можно использовать
и в качестве вспомогательной системы тог­
да, когда 1) эти частные системы находятся
в противоречии друг с другом или перекры­
ваются, а также 2) в тех случаях, когда новые
стереохимические факторы трудно вклю­
чить в частную систему (Cahn R. S., Chem.
Educ., 41, 116, 1964).
Прежде чем обсуждать систему Ка­
на-И нгольда-П релога, следует обсудить
сам термин «хиральный центр». Он был
предложен для замены термина «асимме­
трический центр», потому что последний не
СООН
Н— С — NHj
СН2ОН
СООН
H jN — C -«H
Сн2он
D -серии
L -серия
I
I
*
I
I
♦
СООН
COOH
H*-C—NHj
Й
D -аминокислота
HjN»-d— H
6.
L - аминокислота
Н ,С
н,с
■ч
H 0 te J
Рис. А. 1.2. ос- и P-система, применяемая к заме­
стителям стероидного ядра. А. Стероидное ядро,
на котором показана 19-метильная группа,
ориентированная вверх относительно плоскости
бумаги и общей плоскости кольцевой системы.
Такая метильная группа называется р (бета). На
структурной формуле ее изображают присоеди­
ненной к ядру сплошной линией [предпочтитель­
]
но жирной -------- или клиновидной
Так же обозначаются аналогично ориентирован­
ные заместители. Заместители, ориентированные
в противоположном направлении, обозначаются
прерывистыми линиями шшпш . Заместители,
ориентация которых неизвестна, обозначены
волнистыми линиями s w \
Б. Ланостанол,
на котором показаны а- и p-ориентированные
заместители.
всегда точно описывает центры, обусловли­
вающие оптическую активность. Основное
условие существования оптической активно­
сти у молекулы состоит в том, что молекула
должна быть не идентична своему зеркаль­
ному отражению. Вошло в обычай называть
это условие асимметрией, но сейчас уже яс­
но, что этот термин неточен, поскольку су­
ществуют молекулы, неидентичные своим
зеркальным отражениям, но тем не менее
обладающие симметрией, обусловленной
наличием у них оси вращения. Чтобы обой­
ти это затруднение, все молекулы, которые
не идентичны своему зеркальному отраже­
нию, как истинно асимметричные, так
и обладающие симметрией, обусловленной
наличием у них оси вращения, называются
хиральными или проявляющими хиральность. Таким образом, хиральность-необ­
ходимое и достаточное условие для суще­
ствования оптических изомеров. Слово
«хиральный» означает «имеющий отноше­
ние к руке», а «хиральность» обозначает
предпочтительность одной руки другой
(handedness). Следует отметить, что по­
скольку группировка Cxyzw лишена какойлибо симметрии, термин «асимметрический
[
Н
I
I н
Н
атом углерода» абсолютно точен; асимме­
трический углеродный ато м -это пример
хирального центра.
Поскольку асимметрический атом угле­
рода - это
наиболее
распространенный
в биохимии хиральный центр, то в дальней­
шем система К ана-И нгольда-П релога бу­
дет рассматриваться на его примере.
Система Кана - Ингольда - Прелога
включает в себя два правила, известных под
названием «правила последовательности»
и «правила поворота (вращения)». Приписы­
вание абсолютной конфигурации асимме­
трическому атому углерода-это двухсту­
пенчатый процесс. Во-первых, заместителям
при асимметрическом атоме углерода при­
писывается определенное «старшинство»
(«приоритет») относительно друг друга; это
выполняется с применением правила после­
довательности. Во-вторых, .определяется
пространственное положение заместителей
в порядке заданного старшинства; это осу­
ществляется с помощью правила поворота.
Хотя в процессе приписывания конфигу­
рации правило последовательности всегда
применяется до правила поворота, объяс­
нять эти два правила целесообразнее
в обратном порядке.
I. Правило поворота
Когда заместители при асимметриче­
ском атоме углерода расположены в поряд­
ке старшинства согласно правилу последо­
вательности, молекулу рассматривают со
стороны, противоположной заместителю
с наименьшим старшинством; иными сло­
вами, молекулу располагают в простран­
стве так, что заместитель с наименьшим
старшинством проектируется в направле­
нии от наблюдателя, а три других замести­
теля проектируются в направлении к на­
блюдателю подобно лопастям трехлопаст-
[3]
сн3
Н [41
R-конфигурация
S-конфигурация
НС/
NHj
[II
[21
S-конфигурация
Рис. А.1.3. Правило поворота [1], [2], [3],
[4 ]-это заместители у асимметрического атома
углерода со старшинством в последовательности
[1] > [2] > [3] > [4];
обозначена связь, ори­
ентированная вверх относительно плоскости бу­
маги, т.е. по направлению к наблюдателю; {((««»
обозначена связь ориентированная от наблюда­
теля, т.е. вниз относительно плоскости бумаги.
ного пропеллера. Если старшинство трех
заместителей, проектируемых в направле­
нии к наблюдателю, уменьшается от наи­
большего (т.е. старшинства [1]) к наимень­
шему (т.е. к старшинству [3]) по часовой
стрелке, говорят о R-конфигурации (от лат.
rectus-правый, правша) ассиметрического
атома углерода, если же старшинство
уменьшается против часовой стрелки, то
конфигурация асимметрического атома
углерода считается S (от лат. sinister-левый,
левша) (рис. А.1.3).
II. Правило последовательности
Правило последовательности опреде­
ляет старшинство четырех заместителей
(или лигандов) при асимметрическом атоме
углерода. На самом деле это не одно прави­
ло, а совокупность четырех подправил, из
которых только два (подправила 1 и 2) ис­
пользуются в подавляющем большинстве
случаев.
Подправило 1 гласит, что «больший
атомный номер предшествует меньшему».
Первоначально оно применяется к тем
четырем атомам, которыми лиганды при­
соединяются к асимметрическому атому
углерода.
Старшинство атомов, которые обычно
или от случая к случаю встречаются в био­
химически важных соединениях, таково:
Атом
Атомный
номер
J BrQS Р F O N C H
53 35 1716159 8 7 6 1
Рис. А. 1.4. Старшинство лигандов, определяемое
по отношению к атомам, непосредственно свя­
занным с асимметрическим атомом углерода.
[1], [2], [3], [4 ]-порядок старшинства.
В рассматриваемом примере (рис. А. 1.4)
атомами, непосредственно присоединенны­
ми к асимметрическому атому углерода,
является О (в гидроксильной группе), N (в
аминогруппе), С (в метильной группе) и Н.
Порядок старшинства у них такой: О > N >
> С > Н (где символ > означает «имею­
щий приоритет над»). Таким образом, по­
следовательность по старшинству лигандов
следующая: ОН > NH2 > СН3 > Н. Чтобы
приписать конфигурацию асимметрическо­
му атому углерода, следует применить пра­
вило поворота. Атом Н, являясь самым низ­
шим лигандом по старшинству, помещается
таким образом, что он наиболее удален от
наблюдателя (т. е. связь С—Н проектирует­
ся в плоскость бумаги). Остальные три ли­
ганда затем проектируются из плоскости
бумаги в направлении к наблюдателю. По­
скольку их последовательность по старшин­
ству изменяется против часовой стрелки, то
асимметрический атом углерода имеет Sконфигурацию.
Часто старшинство двух или более лиган­
дов, присоединенных к асимметрическому
углероду, нельзя определить, рассматривая
атомы, непосредственно присоединенные
к этому атому углерода; именно такой слу­
чай отражен в примере на рис. А. 1.5, где три
лиганда непосредственно присоединены
к асимметрическому углероду атомами
углерода. Подправило 1 справляется с этой
ситуацией, утверждая, что в тех случаях, ког­
да относительное старшинство двух или бо­
лее лигандов нельзя определить, рассматри­
вая атомы, непосредственно присоеди­
ненные к хиральному центру, следует
рассмотреть следующую группу атомов
[т. е. те атомы, которые присоединены к ато­
мам, непосредственно связанным с хиральным центром (на той основе, что боль-
[П
сн,он
H jC
[31
CHj NHj
121
R -конфигурация
Рис. A. 1.5. Старшинство лигандов, определяемое
по отношению к атомам, присоединенным к ато­
мам углерода, непосредственно связанным
с асимметрическим атомом углерода. [1], [2],
[3], [4 ]-п орядок старшинства.
ший атомный номер предшествует меньше­
му)] и т.д., удаляясь постепенно от хирального центра, пока не будет принято реше­
ние. Там, где начинается ветвление, что про­
исходит почти неизбежно, необходимо ре­
шить, исходя из обычных критериев, какая
из ветвей у данного лиганда имеет большее
старшинство. Эта ветвь называется старшей
(или основной) ветвью. Затем следует срав­
нивать старшие ветви, последовательно
продвигаясь все дальше, пока не будет при­
нято решение о старшинстве среди лигандов.
В тех случаях, когда нельзя принять реше­
ние путем сравнения основных ветвей ли­
гандов, следует сравнивать ветви, следую­
щие по порядку старшинства (т. е. имеющие
старшинство [2]) в той же последовательно­
сти ; если и в этом случае нельзя будет прий­
ти к какому-либо решению, то следует
сравнивать ветви, третьи по порядку стар­
шинства (т.е. имеющие старшинство [3]).
В примере, показанном на рис. А. 1.5,
атомы, непосредственно присоединенные
к асимметрическому атому углерода,-это
С, С,С и Н. Очевидно, что атом Н имеет низ­
шее старшинство. Однако вопрос о стар­
шинстве других трех лигандов: СН3,
CH2N H 2 и СН2ОН, нельзя решить, рассма­
тривая атомы, непосредственно присоеди­
ненные к асимметрическому атому углеро­
да, поскольку все эти атомы одинаковы (т. е.
это С-атомы). Поэтому необходимо рассмо­
треть атомы, которые присоединены
к данным трем углеродам. Это атомы
[Н,Н,Н] для углерода метильной группы,
[H,H,N] для углерода первичной амино­
группы, [Н ,Н ,0] для углерода первичной
спиртовой группы. Это следует рассматри­
вать как случай ветвления; у углерода ме­
тильной группы ветви представлены тремя
атомами Н, у углерода первичной амино­
группы-двумя атомами водорода и одним
атомом азота, тогда как у углерода первич­
ной спиртовой группы ветвями служат два
атома водорода и один атом кислорода.
Старшие ветви для каждого из лигандоватом Н в случае углерода метильной
группы (потому что все ветви-это Н), N
в случае углерода первичной аминогруппы
и О для углерода первичной спиртовой
группы. Поскольку эти атомы располагают­
ся по старшинству в послед»вательности
О > N > Н, последовательность по стар­
шинству для лигандов такова: СН2ОН >
> C H 2N H 2 > C H 3. Применение правила
поворота показывает, что конфигурация
асимметрического углерода в молекуле,
приведенной на рис. А. 1.5, является R-конфигурацией.
Пример, показанный на рис. А. 1.6, го­
раздо сложнее. В данной молекуле атом Н
и метальная группа несомненно являются
лигандами со старшинством [4] и [3] со­
ответственно; проблема состоит в том,
чтобы решить, какой из двух других лиган­
дов имеет старшинство [1]. Развернутая
формула свидетельствует о том, что эти два
лиганда ветвятся на уровне атомов второго
порядка. Поэтому необходимо решить, ка­
кие из ветвей правого и левого лигандов
старшие. Сначала о правом лиганде; стар­
шая ветвь должна начинаться с одного из
двух углеродных атомов второго порядка,
потому что они старше водорода. Сравне­
ние атомов третьего порядка, присоеди-
Рис. А. 1.6. Старшинство лигандов [1] и [2], опре­
деляемое на уровне ветвей второго порядка стар­
шинства. [1], [2], [3] и [4]-порядок старшин­
ства.
ненных к этим углеродам, показывает, что
нижняя ветвь, связанная с атомами Н,С,С
старше верхней, связанной с атомами
Н,Н,С. Таким образом, в случае правого ли­
ганда старшей является нижняя ветвь. Ана­
логичным путем можно показать, что для
левого лиганда старшей является тоже ниж­
няя ветвь. Теперь следует сравнить между
собой нижние ветви правого и левого лиган­
дов, чтобы решить, какая из них старше.
Сравнение атомов третьего порядка у этих
ветвей показывает, что решение не может
быть принято на этом уровне, потому что
в обоих случаях это Н,С,С. Поэтому необхо­
димо сравнить далее атомы четвертого по­
рядка. Они также оказываются идентичны­
ми: Н,Н,Н и Н ,Н ,0 в обоих случаях. Таким
образом, оказывается невозможно решить
вопрос о старшинстве правого и левого ли­
гандов путем сравнения их старших (ос­
новных) ветвей. Это приводит к необходи­
мости сравнения их ветвей, следующих по
порядку старшинства, а именно верхней
правой и верхней левой ветвей. Поскольку
у этих ветвей атомы третьего порядка иден­
тичны (Н,Н,С), то необходимо сравнить их
атомы четвертого порядка. Теперь решение
может быть принято, потому что атомы че­
твертого порядка левой ветви -Н ,Н ,0 —
старше атомов четвертого порядка правой
ветви-Н ,Н ,Н . Это означает, что левый ли­
ганд старше правого. Применение правила
поворота показывает, что в данном случае
асимметрический атом углерода имеет
S-конфигурацию.
Подправило 1 также справляется с ли­
гандами, содержащими кратное число свя­
зей. Здесь важно подчеркнуть, что трактовка
кратного числа связей, принятая в статье
1966 г., заменила соответствующую трак­
товку в статьях 1951 и 1956 гт. Современная
трактовка такова: в случае двойной связи
атом на каждом конце ее считается
удвоенным, в связи с чем все атомы, кроме
водорода, дополняются до квартета мыс­
ленным прибавлением необходимого коли­
чества атомов «фантомов», у которых
атомный номер считается равным нулю.
Атом-дубликат заключается в скобки,
а атомы-фантомы обозначаются нулем, тог­
да связь
принимает вид
>С---/ \
1Х
(С)ооо (С)ооо
а связь ^>С—О становится связью:
> С -------- С <
Х |
1Х
(С)ооо (С)ооо
А
Б
\
Рис. А.1.7. Старшинство лигандов [2] и [3] у ато­
ма С-3 3-гидрокси-р-концевой группы каротиноидов, таких, как лютеин и зеаксантин, определяе­
мое на уровне ветвей третьего порядка старшин­
ства после обычного анализа двойной связи,
требуемой по правилу последовательности.
Тройная связь трактуется сходным обра­
зом, так что связь — С = С — принимает вид
ООО
I
(С )оо
I
С ---------- С
Т
(С)ооо
I
)ооо
Следует отметить, что для определения
старш инства атомы-дубликаты приравни­
ваю тся к реальным атом ам того же элемен­
та, т. е. (С) = С, а атом ы -фантомы с вообра­
ж аемы м атом ны м номером 0 имею т самое
низкое старшинство. Н а рис. А. 1.7 проил­
лю стрирован пример использования этой
трактовки кратного числа связей в сочета­
нии с ветвлением лигандов, осложненный
еще в большей степени наличием в рассма­
триваемой молекуле циклической системы.
П рим ером мож ет служить З-гидрокси-Рконцевая группа, обнаруженная в таких ка-
ротиноидах, как лю теин и зеаксантин. У нее
асимметрический ато м у гл е р о д а -э т о атом
С-3 с абсолю тной конфигурацией, показан­
ной на рис. А.1.7,А К ак же определить эту
конфигурацию по системе К а н а -И н го л ь д а -П р е л о г а ? И з четырех лигандов, присое­
диненных к атом у С-3, гидроксил, благода­
ря своему кислородному атом у, имеет
старш инство [1], а водород -старш и н ство
[4]. Таким образом, проблем а заклю чается
в том, чтобы решить, какой из двух углерод­
содержащих лигандов (т.е. С 2— С х— С б... и
С4— С 5— С 6...) выше по старшинству. И з-за
присутствия 5,6-двойной связи необходимо
частично расш ирить формулу, как это пока­
зано на рис. А. 1.7,Б, и затем проанализиро­
вать получающ уюся при этом картину (рис.
А. 1.7,В). Сравнение атом ов С-2 и С-4 не по­
зволяет сделать заключение о старшинстве,
поскольку в обоих случаях заместителями
являю тся Н ,Н и С. П оэтом у необходимо
рассмотреть заместители при С-1 (старшая
ветвь при С 2) и С 5 (старшая ветвь при С4).
Снова решение о старш инстве не мож ет
быть принято, потому что у обеих ветвей за­
м е сти тел и -это С,С,С. В связи с этим необ-
ходимо сравнить основную ветвь при С-1 образом, мы имеем последовательность по
с таковой при С-5. Основная ветвь при С-1 старшинству: 3Н > 2Н > *Н и 14С > 13С >
начинается у атома С-6, потому что у него > 12С.
заместители-это С, С, С, а заместители
у двух других углеродов - Н, Н, Н. Основная
ветвь при С-5 также начинается с С-6, пото­ III. Особые случаи, возникающие
му что его заместители - С, С, С, тогда как за­ при использовании правила последо­
местители двух других углеродных атомов- вательности
Н, Н, Н и О, О, О соответственно. Однако
сравнением этих двух основных ветвей нель­ 1. Взаимосвязь с механизмом реак­
зя установить старшинство, потому что С-6
ции
независимо от того, приближаются ли к не­
му со стороны С-4 и С-5 или С-2 и С-1, имеет
Описание асимметрического атома угле­
идентичные заместители. В этом случае не­ рода в виде R или S не имеет особой важно­
обходимо обратиться к ветвям, начинаю­ сти в определении механизма реакции. Так,
щимся от С-1 и С-5 со старшинством [2]. допустим, что реакция у асимметрического
Снова решить вопрос о старшинстве не атома углерода протекает с заменой одного
представляется возможным, потому что лиганда на другой. Это отнюдь не означает,
этими ветвями являются метильные что, если конфигурация сохраняется в нор­
группы, имеющие, следовательно, иден­ мальном стереохимическом смысле, соеди­
тичные заместители, а именно Н, Н, Н. Сле­ нение с асимметрическим атомом углерода
довательно, возникает необходимость рас­ в jR-конфигурации обязательно даст про­
смотреть ветви при С-1 и С-5 со старшин­ дукт, у которого асимметрический атом бу­
ством [3]; ими являются СН3 и (С )0 0 0 дет также иметь R-конфигурацию. Это по­
соответственно. Это позволяет принять ре­ ложение иллюстрируется гипотетической
шение о старшинстве, поскольку Н, Н, реакцией, показанной на рис. А. 1.8. В дан­
Н старше, чем О, О, О. Таким образом, ли­ ной реакции конфигурация сохраняется, т. е.
ганд С-2 -* С-1 -» С-6... при атоме С-3 стар­ четыре лиганда асимметрического атома
углерода в соединении А имеют те же самые
ше, чем лиганд С-4 С-5 -» С-6__ Приме­
нение правила поворота показывает, что относительные положения в пространстве,
атом С-3 в З-гидрокси-Р-концевой группе как и четыре эквивалентных лиганда при
лютеина и зеаксантина имеет Я-конфигура- асимметрическом углеродном атоме в со­
единении Б, причем один заместитель (СН3)
цию.
Асимметрия углеродного атома может окисляется до СООН без разрыва связи
также быть результатом введения меченных С—С. Однако это изменение меняет поря­
изотопами атомов, таких, как, например, док старшинства лигандов таким образом,
дейтерий и тритий. В этой ситуации подпра­ что, хотя асимметрический атом углерода
вило 1 правила последовательности не дает в А имеет К-конфигурацию, этот же атом
ответа. Однако в этом случае применимо в Б имеет уже S-конфигурацию.
Аналогичным образом не следует ду­
подправило 2, которое гласит: «Большая
мать,
что в реакции нуклеофильного замеатомная масса старше меньшей»; таким
13]
12]
I снм
СООН
И]
& :NH2
И
HjC.HjC
[2]
Окисление CHj—»СООН
(сохранение конфигурации)
П]
л - конфигурация
Рис. А. 1.8. Гипотетическая реакция, показываю­
щая, что хотя конфигурация асимметрического
атома углерода может сохраняться в нормаль­
ном стереохимическом смысле в процессе реак-
'Ь - н
[41
н
HjC.HjC✓ - Ч иNH2
[31
[11
S-конфигурация
ции, его обозначение как R или S по системе Ка­
на -Ингольда-Прелога может изменяться бла­
годаря изменению старшинства лигандов.
сн,
СН,
н° 7
Н,С2
11
НООС
f211
I
J c / 7 Y CHi ° ® ®
I
Н ,с
/V
СН,ОН
/V
Н т
(2)
н т
[41 [ 3 ]
[4] 13)
Л-конфигурация у С-Ч атома МВК
S
щения Sm2, включающей инверсию конфи­
гурации при асимметрическом атом е угле­
рода, соединение, в котором конфигурация
этого атом а была R, даст продукт с ^ к о н ­
фигурацией. Э то мож ет бы ть и так, но
равным образом мож ет быть иначе.
Рассмотрим это положение на двух кон­
кретных примерах:
а) В превращении мевалоновой кислоты
в Д3-изопентенилпирофосфат (ИПФ) (см.
биосинтез терп ен ои дов-гл. 11) последова­
тельность нумерации обращается, так что
атом С-4 М ВК становится атом ом С-2
И П Ф ; если ато м С-4 М ВК помечен тритием,
так что его конфигурация становится R , то
И ПФ , образованный из нее, имеет S-конфи­
гурацию у ато м а С-2, хотя инверсия конфи­
гурации не мож ет произойти, поскольку ни
одна из связей, которы ми заместители при­
соединяю тся к асимметрическому атому
углерода (С-4 в М ВК и С-2 в ИПФ), не раз­
рывается в процессе реакции. Изменение
конфигурации Я на 5 происходит в резуль­
тате изменения в последовательности стар­
шинства заместителей из-за потери гидрок­
сильной группы при атом е С-3 МВК.
б) Введение двойной связи в боковую
цепь стерола изменяет конфигурацию у ато­
м а С-24. Э то продемонстрировано на при­
мере превращения клионастерола (245) в пориферастерол (24 R). Обращ ение конфигура­
ции происходит вследствие изменения стар­
шинства атом ов С-23 и С-25 (С-25 > С-23
в клионастероле и С-23 > С-25 в пориферастероле), когда в боковую цепь вводится
двойная связь; удвоение углеродных ато-
-конфигурация у С-2 атома ИПФ
мов, требуемое по правилу последователь­
ности, ведет к изменению С-23 от
при этом атом С-23 становится старш е
С-25, остаю щ егося в прежней конфигура­
ции;
2. Невозможность
установления
химического или биогенетического
сходства серии соединений
И спользование D , L-системы обозначе­
ний (см. рис. А. 1.1) показывает, что все ам и­
нокислоты в природных белках химически
сходны, поскольку обладаю т L-конфигурацией а-углеродного атом а. Применение си­
стемы К а н а -И н г о л ь д а -П р е л о г а к этой
группе соединений не дает возмож ности по­
казать эту родственную взаимосвязь, по­
скольку L-цистеин эквивалентен R-цистеину, тогда как все другие L-аминокислоты
обладаю т S-конфигурацией. Э то является
следствием применения правила последо­
вательности, которое в случае цистеина придает старш инство С Н 28Н-лиганду, благодаря его S-атому, над С О О Н лигандом, в то время как у всех дру-
2Н
1
Клионастерол Z4S
Пориферастерол Ш
гих аминокислот СООН-лиганд старше
лиганда, образующего боковую цепь
следующего типа: —С(Н, Н, Н),—С(С, Н,
Н), — Q C , С, Н), —С(0, Н, Н) и —С(0,
С, Н).
3. Идентификация сторон двойной
связи - г е , si-система
Две стороны фумаровой кислоты (рис.
А. 1.9 А и Б), например, могут быть иденти­
фицированы путем применения правила по­
следовательности к атомам С-2 и С-3; одна­
ко при этом не учитывается атом-дубликат.
Развертывание формулы А дает формулу
В (рис. А. 1.9). При рассмотрении конфигу­
рации у С-2 атом-дубликат С-2 не прини­
мается во внимание, а дубликат С-3 прини­
мается. Аналогично при рассмотрении
конфигурации у С-3 дубликат С-3 не прини­
мается во внимание, а дубликат С-2 прини­
мается. Старшинство лигандов в развер­
нутых формулах А и Б следующее:
СООН > С-2 или С-3 > Н в каждом случае.
Использование правила поворота для С-2
и С-3 в формуле В (т.е. в развернутой форму­
ле А) показывает, что обе конфигурации —
правовращающие (по часовой стрелке) и
в данном случае обозначаются ге. Аналогич­
но конфигурации С-2 и С-3 в формуле Б обе левовращающие (против часовой стрел­
ки) и обозначаются в данном случае si.
Таким образом, Л -э т о re-re-сторона фума­
ровой кислоты, а Б -эт о si-si-сторона.
В случае формулы Г нельзя отличить од­
ну сторону С-1 от другой из-за наличия
в молекуле двух атомов водорода, а две сто­
роны С-2 можно. При таких обстоятель­
ствах сторона С-1 определяется по отноше­
нию к стороне С-2. Стороны С-1 обознан оос
н
н оос
\*
/с
з/
с\
"
m i*
(С)
н
н
\ 2
/С
соон
н оос
г/
соон
сч
н
н
н
соон
н/
\ 1
н
2
/
>сн,н
(С)
в
Рис. А. 1.9. Идентификация сторон двойной связи
по гг,51-системе.
Н„
\ /
/ \ он
н3с
Рис. А. 1.10. Про-Я- и npo-S-атомы водорода
этанола.
чаются таким образом, что re-стороны у С-1
и С-2 находятся на одной стороне моле­
кулы.
4. Прохиральность
Прохиральность лучше всего можно
объяснить на простом примере молекулы,
обладающей прохиральностью. Такой мо­
лекулой является этанол (рис. А. 1.10). У его
атома С-1 есть четыре лиганда: Н, Н, СН3
и ОН. Поскольку два из этих лигандов оди­
наковы, С-1 не является асимметрическим
атомом углерода. Однако если один из ато­
мов Н заместить другим лигандом, напри­
мер дейтерием, то атом С-1 становится
асимметрическим, а молекула проявляет хи­
ральность. Ахиральная молекула, подобная
этанолу, которая при изменении одного из
ее лигандов становится хиральной, назы­
вается прохиральной.
Если водород, обозначенный H r на рис.
А. 1.10, заменяется на более тяжелый изотоп
водорода, т. е. дейтерий или тритий, конфи­
гурация атома С-1 становится R. С другой
стороны, водород, обозначенный Н $ на рис.
А. 1.10, при замене его на дейтерий или
тритий приводит к S-конфигурации у С-1.
Н« называется про-Я-водородом атома С-1,
а H s-npo-S-водородом. Поэтому говорят,
что H r и H j являются про лигандами атома
С-1. Согласно определению, это такой ли­
ганд, который, будучи замещенным, приво­
дит к хиральности. Пролиганд, который, бу­
дучи замещенным, приводит к R-хиральности, называется про-Я-лигандом. Аналогич­
но пролиганд, который, будучи заме­
щенным, приводит к S-хиральности, назы­
вается npo-S-лигандом. Пролиганды могут
иметь любую природу, они только не дол­
жны быть водородами. Однако в биохими­
ческом контексте они часто являются водо­
родами. Концепция прохиральности и раз­
деления лигандов на про-/? и npo-S особен­
но удобны при рассмотрении стереоспеци­
фичности действия ферментов. Обычно
ферменты различают два водородных ато-
[2]
! (И
( А)
^8)
[1]
|
[2]
Лиганды с наивысшим старшинством
по одну сторону оси связи С —С.
следовательно, Z
Рис. А. 1.11. Обозначения конфигурации вокруг
двойной связи с использованием 2,£-системы.
[1], [2 ]-порядок старшинства углеродного ато­
ма лигандов.
м а у прохирального атом а углерода и уда­
ляю т или зам ещ аю т один из них с абсолю т­
ной специфичностью. Они могут также
насыщать двойную связь С = С таким обра­
зом, что водород, присоединенный к каждо­
му атом у углерода, занимает строго опреде­
ленное положение в пространстве. Удобнее
всего было бы сказать, что это именно
про-Я- или npo-S-водород отщепляется от
данного ато м а углерода, или что водород,
присоединившийся к данному атом у углеро­
да, становится про-/?- или npo-S-водородом
при данном атом е углерода.
Доступность дейтерия и трития в тече­
ние последних 30 лет позволила использо­
вать стереоспецифически дейтерированные
или тритированные соединения для иссле­
дования стереохимии реакций и стереоспе­
цифичности ферментов. Ни одна область
биохимии не исследовалась столь тщ атель­
но в этом отношении, как биосинтез стеро­
лов и каротиноидов. Эти результаты были
получены в пионерских работах К орнфорта
и Попьяка (Com forth, Popjak) в 1960 г., ис­
пользовавш их различные стереоспецифиче­
ски дейтерированные или тритированные
образцы мевалоновой кислоты для изуче­
ния биосинтеза сквалена. М евалоновая кис­
лота имеет один хиральный центр С-3 (толь­
ко ЗЯ-изомер используется ферментами при
биосинтезе терпеноидов) и три прохиральных центра, а именно С-2, С-4 и С -5.
К орнфорт и Попьяк синтезировали и ис­
пользовали в своих исследованиях образцы
мевалоновой кислоты, стереоспецифически
меченной дейтерием или тритием во всех
трех прохиральных центрах; результаты
[1]
j
I
(2]
Лиганды с наивысшим старшинством
по разные стороны оси двойной
связи, следовательно, Е
этих исследований описаны в гл. И ,
разд. B.I. Эти меченные различны м обра­
зом мевалоновые кислоты затем были ис­
пользованы многими другими учеными для
исследования поздних стадий биосинтеза
терпеноидов, таких, как стеролы, каротиноиды, изопреноидные хиноны (гл. 11),
и абсцизовой кислоты (гл. 15, разд. Д.1У.1).
5. Конфигурация вокруг двойной
связи - Z , £-система
Хотя удобно и во многих случаях целе­
сообразно описывать замещения при двой­
ной связи С = С терминами цис или т ранс,
в некоторых случаях это нельзя сделать
однозначно. Н а основе правила последова­
тельности была предложена универсальная
и однозначная система определения конфи­
гурации вокруг двойной связи. О на известна
как 2 ,£-си стем а. Д ля использования этой
системы прежде всего необходимо опреде­
лить, какой из двух лигандов, присоеди­
ненных к каждому из двух связанных двой­
ной связью атом ов углерода (т. е. С{Д) и С(б>
на рис. А. 1.11), имеет высшее старш инство
согласно критериям правила последова­
тельности. Далее, если окажется, что ли­
ганды с более высоким старш инством рас­
полагаю тся по одну сторону от оси С = С
двойной связи, т. е. старш ий лиганд С(а> на­
ходится по ту же сторону, что и старш ий ли­
ганд С(Б), то конфигурация обозначается Z.
С другой стороны, если высшие по старш ин­
ству лиганды находятся по разные стороны
от оси двойной связи С = С , то конфигура­
ция обозначается Е. Таким образом , Z обы ­
чно
соответствует
уме-конфигурации,
а £ - транс-конфигурации (обозначения Z
и Е происходят от немецких слов zusammen,
обозначаю щ его «вместе», и entgegen, обо­
значающ его «напротив»).
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Единицы измерения и размерности
I. Е диницы измерения в системе
С И -о б щ ая картина
Измерения физических величин выражают
числом, за которым следует единица изме­
рения. Число представляет собой отноше­
ние измеренного количества к определенно­
му стандарту, а единица и зм ерени я-это
название или сокращенное обозначение
стандарта. Система единиц измерения, ко­
торую в настоящее время во всем мире ре­
комендуют для использования, это так на­
зываемая система SI (Systeme International
d’Unites), по-русски система СИ. Э та систе­
ма заменяет так называемую систему СГС
(сантиметр, грамм, секунда), которая до­
вольно широко использовалась прежде.
В систему СИ входят три класса единиц:
а) основные единицы, б) производные еди­
ницы и в) дополнительные единицы.
а. О сновные единицы в сист ем е С И
Имеется семь основных единиц:
1) метр, стандарт длины;
2) килограмм, стандарт массы;
3) секунда, стандарт времени;
4) ампер, стандарт силы электрического
тока;
5) кельвин, стандарт температуры;
б) кандела, стандарт силы света;
7) моль, стандарт количества вещества.
в. Дополнит ельные единицы
В настоящее время введены две дополни­
тельные единицы -радиан и стерадианединицы плоского и телесного (простран­
ственного) углов соответственно.
г. Приставки, принятые в сист еме С И , и со­
ответствующ ие множ ители
Для получения кратных и дольных еди­
ниц измерений используют стандартные
приставки, как изображено ниже:
Множитель
ПриОбозначение
став- ------------------ка
русс- междукое народ­
ное
1000000000000000000 1 ю 18 экса Э
1 000000000000000 = 1015 пета п
1 000000000000 | ю 12 тера т
1000000000 = ю 9 гига г
1000000 = 106 мега м
1000 = 103 кило к
100 1 ю 2 гекто г
10 = ю 1 дека да
0,1 = 10"1 деци Д
0,01 = ю -2 санти с
0,001 = 10-3 М И Л Л И М
0,000001 1 1 0 _6 микро мк
0,000000001 1 Ю"9 нано н
0,000000000001 = н г 12 пико п
0,000000000000001 = 10“ 15 фемтоф
0,000000000000000001 = 10~18 атто а
Е
Р
Т
G
М
к
h
da
d
с
m
И
n
Р
f
а
б. П роизводны е единицы
Производные единицы могут образовы­
ваться в результате комбинирования ос­
новных единиц. Так, единица силы может
бьггь получена при комбинировании первых
трех основных единиц Ч асто производным
единицам даю т особые названия, так, на­
пример, единица силы называется «нью­
тон».
II. Производные единицы измерения
по системе СИ , основанные на длине,
времени и массе
а. В заим освязь некоторых производных вели­
чин
На схеме, приведенной ниже (стр. 280),
показана взаимосвязь некоторых про­
изводных величин, основанных на длине (L),
времени (Т) и массе (М), а в табл. А.2.1 при-
Расстояние (L)
„
—--------- —------ = Скорость (L Т )
Время (Г)
у
Таблица А.2.1. Производные единицы измерения в системах СИ и СГС и их взаимосвязь
Наименование величин
Длина (расстояние)
Время
Масса
Скорость
Ускорение
Сила
Размерности
Единицы измерения
в системе СИ
Единицы измерения
в системе СГС
L
метр (м)
секунда (с)
килограмм (кг)
м - с -1
м -с-2
кг м с - 2 = Н
(Н -нью тон)
к г - м2 с -2 = Дж
(Дж-джоуль)
к г м 2 с -3 = Вт
(В т-ватт)
к г - м -1 с - 2 = Па
(П а-паскаль)
сантиметр (см)
секунда (с)
грамм (г)
с м с -1
см -с'2
Г - С М 'С '1 = дин
(дин -дина)
г см2 с -2 = эрг
к г м -2 = Н м -1
т
м
L T '1
LT-2
M LT-2
Работа (или энергия) ML2T " 2
Мощность
ML2T " 3
Давление (или меха­ M L-1T -2
ническое напряже­
ние)
Поверхностное натя­ МТ~2
жение
Вязкость
M L ^ T '1
Частота
Т "1
« г м * 1 -с-1
с -1 = Гц
(Гц-герц)
Отношение СГС
единица/СИ единица
10“ 2
1
1 0 _3
ю~а
10"2
10-*
10" 7
Г СМ2 -с-3
Ю-7
Г-СМ-1 -С- 2
1 0 -‘
Г С М " 1 или
1-0**
дин СМ-1
г -с м -1 с -1 = П
(П -пуаз)
с-1
10_|
1
веден более подробный список размерно­
стей этих величин как в системе СИ, так и
в более ранней системе СГС.
б. Наиболее употребительные единицы
длины, принятые в старых системах единиц
Термины микрон (ц или мк) и ангстрем
(А) обычно использовались как единицы
длины при измерении внутриклеточных органелл, химических связей, разных отрезков
на рентгенограммах и т.д. Между ними су­
ществуют следующие взаимозависимости:
1 микрон = 1ц = 1 мк = 1 мкм = 1 • 10- б м =
= 1 • 103 нм = 1 • 104 А
1 А = 0,1 нм = 1 -10 ~ 4 мкм = 1 • 10“ 10 м
1 нм = 10 А = 1 • 10 ~ 3 мкм = 1 • 10“ 9 м
в. Единицы системы СИ для давления ( Па )
по отношению к другим обычно исполь­
зуемым единицам давления
1 Па = 9,8692-10“ 6 нормальных
атмос­
фер = 7,5006 -10~3 мм рт.ст. = 1,4504 х
х 10-4 пси
1 нормальная атмосфера = 760 мм рт. ст. =
= 14,696 пси = 1,0133 • 10s Па
1 мм рт. ст. = 0,49115 пси = 3,3864 • 103 Па =
= 3,3421 • 10“ 2 норм, атмосфер
1 пси = 6,8948 • 103 Па = 6,8046 • 10 “ 2 норм,
атмосфер = 51,715 мм рт.ст.
Па - паскаль; норм, атмосфера - нормаль­
ная атмосфера; мм рт.ст.-миллиметры
ртутного столба (Торр); пси-сила (в фун­
тах) на квадратный дюйм.
б.
Стерадиан (ср)-единица измерения
телесного (пространственного) угла, опреде­
ляемая как телесный угол, который, имея
вершину в центре сферы, вырезает на по­
верхности сферы площадь, равновеликую
площади квадрата со стороной, равной ра­
диусу сферы.
IV. Количество вещества
В системе СИ количество вещества вы­
ражают по отношению к фиксированной
массе изотопа углерода, содержащего
в ядре 6 протонов и 6 нейтронов, т.е. 126С.
В системе СИ основная единица измерения
количества вещ ест ва-эт о моль. М оль-это
количество вещества системы, содержащей
столько элементарных образований, сколь­
ко атомов углерода имеется в 0,012 кг 1%С.
При использовании термина «моль» необ­
ходимо указывать, какие элементарные
образования имеются в виду: атомы, моле­
кулы, ионы, электроны или другие частицы
или группы частиц. Следует отметить, что
в
системе
СИ
число
Авогадро
(6,022174 • 1023 моль - ’) определяют как чис­
ло атомов в 0,012 кг Х\С , и, следовательно,
оно представляет собой число этих образо­
ваний в моле вещества.
V. Концентрация растворов
Молярносгь
(М)-число молей раство­
ренного вещества на 1
литр раствора (термин
«молярный» соответст­
вует значению моль х
х л -1).
III. Дополнительные единицы изме­ Моляльность (м)-число молей раство­
ренного вещества на
рения в системе СИ
1 кг растворителя.
а.
Радиан (рад)-единица измерения пло­
% (вес/объем)-вес в граммах раство­
ского угла, определяемая как плоский угол
ренного вещества на
между двумя радиусами круга, который от­
100 мл раствора.
резает на окружности дугу, равную по длине
% (вес/вес)-вес в граммах раство­
радиусу.
ренного вещества на
Следует заметить, что
100 г раствора.
% насыщения - концентрация соли в
1) Градус (угловой, °)-это единица измере­
растворе в процентах
ния угла, равная я /180 рад
от максимальной кон­
2) Минута угловая (')-это 1°/60, и, следова­
центрации, возможной
тельно, она равна л /10 800 рад
при данной темпера­
3) Секунда угловая (" )—это Г/60, и поэтому
туре.
она равна л/648 000 рад
VI. Единицы ферментативной актив­
ности
Официальная единица ферментативной
активности в настоящее в р ем я -эт о катал
(кат). К атал -это такое количество фермен­
та, которое способно превращать 1 моль
субстрата в 1 с. Эта единица была рекомен­
дована Комиссией по ферментам Междуна­
родного биохимического союза в 1972 г.,
для того чтобы привести ее в соответствие
с единицами измерения системы СИ и заме­
нить прежнюю единицу ферментативной ак­
тивности-международную единицу (U или
ME). Эта прежняя единица была предложе­
на Комиссией по ферментам в 1961 г.
и определялась как количество фермента,
которое может превращать 1 мкмоль суб­
страта за 1 мин. Однако в настоящее время
используются обе единицы как катал, так
и U (ME).
Считается, что к атал -это очень боль­
шая единица ферментативной активности
и в большинстве случаев слишком высокая
для практического использования. Поэтому
чаще можно встретить выражение фермен­
тативной активности в микрокаталах
(мккат = 1 • 101 1 кат), нанокаталах (нкат =
= 10"9 кат) и пикокаталах (пкат = 1 • 10-12
кат), что соответствует количеству фер­
мента, превращающему за 1 с 1 микромоль
(мкмоль), 1 наномоль (нмоль) и 1 пикомоль
(пмоль) субстрата соответственно.
Соотношение между старыми и новыми
единицами ферментативной активности та­
ково:
1 кат = 1 м о л ь•с ~ 1
= 60 моль •мин ~ 1
= 60• 106 мкмоль-мин - 1
= 60 106 ME
= 6 1 0 7 ME
1 ME = 1 мкмоль •мин " 1
1
_!
= — мкмоль •с
60
1
= ——мккат
60
= 0,01667 мккат (1,667 • 10 _ 2 мккат)
= 16,67 нкат
= 1,667 • 10" 8 кат
д е л ь н у ю активность фермента опреде­
ляют как число каталов на 1 кг белка или
чаще (что удобно с практической точки зре­
ния) как число мккат на 1 мг белка при опре­
деленных условиях температуры, pH, кон­
центрации субстрата и т.д.
М олярную активность фермента опре­
деляют как количество каталов на 1 моль
фермента при определенных условиях (как
указано выше).
Концентрацию ферментативной актив­
ности в растворе определяют как актив­
ность, деленную на объем раствора, и вы­
ражают в ка талах на литр (к а т -л - 1 ) или
в других, кратных этому значению вели­
чинах.
Термин число оборотов иногда исполь­
зуют для того, чтобы выразить фермен­
тативную .активность в виде числа молекул
субстрата, превращенных за 1 мин одной
молекулой фермента. Следует отметить,
что число оборотов связано с молярной
активностью следующей зависимостью:
Молярная активность = (Число
оборотов)/60
и Число оборотов = 60 •Молярная актив­
ность
VII. Электрические
стемы СИ
единицы си­
а. Основная единица в системе СИ
Ампер (А)-единица измерения силы
электрического тока, определяемая как си­
ла постоянного электрического тока, ко­
торый, протекая по каждому из двух бе­
сконечно длинных параллельных прямоли­
нейных проводников ничтожно малого
кругового сечения, расположенных на рас­
стоянии 1 м друг от друга в вакууме, со­
здает между этими проводниками силу
взаимодействия в 2 - 1 0 - 7 ньютон на
каждый метр длины. Эта единица эквива­
лентна потоку 6241449-1018 электронов,
проходящих через данную точку за 1 с.
б. Производные единицы
в системе
СИ
К улон (Кл)-единица измерения элек­
трического заряда, определяемая как коли­
чество электричества, протекающее через
поперечное сечение проводника в течение
1 с при постоянном токе силой в 1 А.
Кл = А с ( = Д ж В ~ 1)
Вольт (В)-единица разности потенциа­
лов, определяемая как разность электриче­
ских потенциалов между двумя точками
линейного проводника, по которому течет
постоянный ток силой в 1 А, когда мощ­
ность рассеяния между этими точками рав­
на 1 ватту (Вт)
IX. Единицы измерения темпера­
туры
В = Вт- А-1 ( = Д ж с -1 •А-1 = Д ж -К л-1 ).
Кельвин (К)-единица термодинамиче­
ской температуры, определяемая как
1/273,16 части термодинамической темпе­
ратуры тройной точки воды.
Ом (Ом)-единица измерения электриче­
ского сопротивления, определяемая как
электрическое сопротивление между двумя
точками линейного проводника, в котором
постоянная разность электрических потен­
циалов между этими точками, равная 1 В,
производит ток силой в 1 А.
Ом = Вт •А _ 1
VIII. Световые единицы в системе
СИ
а. Основная единица в системе СИ
Кандела (кд)-единица измерения силы
света, определяемая как сила света в пер­
пендикулярном направлении к поверхности
в 1/600000 квадратного метра полным из­
лучателем при температуре затвердевания
платины под давлением в 101 325 ньютон
на 1 квадратный метр. Эта единица заме­
нила международную свечу, которая опре­
делялась как сила света, испускаемого
эталонной электрической лампой.
1 кандела = 0,982 международной свечи
б. Производные единицы в системе СИ
Лю мен (лм)-единица измерения свето­
вого потока, определяемая как световая
энергия, испускаемая за 1 с внутри телес­
ного угла в 1 стерадиан однородным то­
чечным источником света силой в 1 канделу
1 лм = кд •ср
Л ю кс (лк)-единица измерения освещен­
ности, определяемая как освещенность,
производимая световым потоком в 1 лю­
мен, падающим на 1 квадратный метр пер­
пендикулярно расположенной поверхности.
лк = лм •м ~ 2
Следует отметить, что 1 лк = 10,764 футосвечи.
Показатель преломления (н)—отношение
скорости света в вакууме к скорости света
в данной среде.
а. Основная единица в системе СИ
б. Д ругие единицы
Градус Цельсия (°С) основан на стогра­
дусной шкале температуры, использующей
как ноль точку плавления льда и как 100°
точку кипения воды при нормальной ат­
мосфере. Шкала температуры Цельсия
определяется как термодинамическая шка­
ла с нулем, сдвинутым к точке плавления
льда, которая составляет 273,15 К.
Температура в °С = Температура в К
-273,15
Температура в К = Температура в °С
+ 273,15
Градус Фаренгейта (°F) основывается
на шкале температуры Фаренгейта, при ко­
торой точка плавления льда равна 32°F,
а точка кипения воды при нормальной ат­
мосфере равна 212°F.
Температура
в
°F = (температура
в
°С-1,8) + 32
Температура в °С = (температура в °F —
-3 2 )-5 /9
Температура в К = [(температура в F —
— 32) •5/9] + 273,15 = [температура в F +
+ 459,67]-5/9
X. Единицы радиоактивности
Кюри (Ки)-количество радиоактивного
вещества, в котором 3,7-1010 атомов рас­
падается за 1 с.
Таким
образом,
1К и = 3,7-1010
расп./с = 2,22 • 1012 расп./мин
Б еккерель- количество радиоактивного
вещества, в котором 1 атом распадается за
1 с.
Таким образом, 1 Ки = 3,7 • Ю10 бекерелей
1 бекерель = 1 расп./с = 60 расп./мин
XI. Изотопы, используемые в биохимии в опытах с мечеными
атомами
Изотоп
Стабильный или
радиоактивный
Распространениость в приро-
Тип распада
Период полураспада
Максимальна*
энергия, МэВ
Средняя энергия,
МэВ
де, %
2Н
3Н
13С
14С
15N
180
32Р
35S
36С1
Стабильный
Радиоактив­
ный
Стабильный
Радиоактив­
ный
Стабильный
Стабильный
Радиоактив­
ный
Радиоактив­
ный
Радиоактив­
ный
0,015
РГ
12.3 года
0,0185
0,0055
Г
5570 лет
0,158
0,050
Г
14,5 дня
1,7
0,70
Г
87.4 дня
0,167
0,049
Г
3,07 -105 лет
0,71
0,30
1,11
0,36
0,204
XII. Величины некоторых основных физических констант
Физическая
константа
Скорость
света в
вакууме
Масса протона
(в
покое)
Масса нейтрона (в
покое)
Масса электрона (в
покое)
Энергия
протона
(в покое)
Энергия
нейтрона
(в покое)
Энергия
электрона
(в покое)
Сокращен- Величина (единицы)
ное обозна­
чение
с
2,997925-Ю8 м с " 1
тр
1,672614-10"27 кг
тп
1,674 920 10" 27 кг
тс
9,109 56 10"31 кг
трс2
1,503 271 10” 10 Дж
тпс 2
1,505343-10"10 Дж
тес 2
8,187 26 10” 14 Дж
Физическая
константа
Сокращен- Величина (единицы)
ное обозна­
чение
Заряд прое
1,602192-10-19 Кл
тона
Заряд нейт0
рона
Заряд элеке
1,602192 ■10"19 Кл
трона
Постоянная
к
1,380626-10-23 Д ж - К -1
Больцма­
на
Постоянная
h
6,626196• 10“ 34 Дж с
Планка
Газовая
R ( = N - k ) 8,31434 Дж К ' 1- моль-1
постоян­
ная
Постоянная F ( = N e) 9,648 670 • 104 Кл •моль “ 1
Фарадея
Число АвоN
6,022174-1023 моль-1
гадро
СтандартVa
2,241 36-10“ 2 м3 моль-1
ный объем
идеального
газа
Использованные сокращения
абсцизовая кислота
аденин
аминолевулиновая кислота
ацилпереносящий белок
1-ами ноцикл опропа н-1-кар­
боновая кислота
БКПБ
биотинкарбоксилпереносящий белок
бисфосфоглицериновая кис­
БФГК
лота
гиббереллин
ГА
геранилгеранилпирофосфат
ГГПФ
ГГХО
2-н-гептил-4-гидроксихинолин-М-оксид
глутамат-дегидрогеназа
гдг
гибберелловая кислота
ГК
ГОГАТ
2-оксоглутарат - аминотрансфераза (оксидоредуктаза
NADP)
геранилпирофосфат
ГПФ
глутамин-синтетаза
ГС
диаминодурен
ДАД (DAD)
ДБМИБ (DBMIB) 2,5-дибром-3-метил-6-изопропил-п-бензохинон
диацилглицерол
дг
дигидроксиацетонфосфат
ДГАФ
дигалактозил диацилглице­
ДГДГ
рол
дгм г
дигалактозилмоноацилглицерол
диметилаллилпирофосфат
ДМАПФ
диоксифенилаланин
ДОФА
3-(3,4-днхлорфенил)-1,1-доме­
ДХММ
ти лмочевина
дихлорфенолиндолфенол
ДХФИФ
диурон
ДХФММ
индолил-3-ацетонитрил
ИАН
интеркомбинационная конИКК
версия
АБК
Ад
АЛК
АПБ
АЦП К
ИПФ
КР
ИУК
МВГ
МВК
мг
мокт
МТА
МТР
ПХ
пц
ТМФД (TMPD)
УХ
ФАЛ
ФГА
ФГК
ФДм
Фдр
ФП
ФПФ
ФС I и ФС II
ФХ
ФЭ
Хд
Хл
ХФИМ
ХФММ
Цит
ЦТК
ЩУК
ЭПР
изопентилпирофосфат
колебательная релаксация
индолил-3-уксусная кислота
метоксивинилглиции
мевалоновая кислота
моноацилглицерол
метаболизм органических
кислот по типу толсянковых
5'-метилтноаденозин
5-метилтиорибоза
пластохинон
пластоцианин
тетраметил-л-фениленднамин
убихинон
фенилаланин—аммиак- лиаза
фосфоглицериновый альде­
гид
фосфоглицериновая кислота
ферредоксин, связанный
с мембраной
ферредоксин растворимый
флавопротеин
фарнезилпирофосфаг
фотосистемы I и II
фосфатидилхолин
фосфатидилэтаноламин
хлорофиллид
хлорофилл
3-(и-хлорфенил)г 1,1-димети лмочевина
моноурон
цитохром
цикл трикарбоновых кислот
щавелевоуксусная кислота
электронный парамагнитный
резонанс
Указатель латинских названий
аживотные ббактерии
Acacia I: 384
Acer II: 185
Acer negundo II: 253
Acer pseudoplatanus II: 252
Acetabularia I: 76
Achlya ambisexualis II: 262
Achlya bisexualis II: 262
Achras sapota I: 274; II: 65
Aconitum heterophyllum II: 126
Aconitum spp. II: 126 161
Actinidia polygama II: 126
Adhatoda vasica II: 124, 159
Aesculus californica I: 367
Aesculus hippocastanum II: 62
Agathis alba II: 49
Agathis australis II: 49
Agavaceae I: 168-170
Agrobacterium tumefaciens II: 237, 240
Agrostemma githago II: 230
Aizoaceae I: 159, 169
Allium сера I: 40
Allomyces II: 262
Aloe vera I: 174
Altropa belladonna II: 122
Amanita muscara II: 148
Amaranthaceae I: 159
Amaranthus II: 237
Amaranthus edulis I: 160
Amaryllidaceae II: 145
Amaryllis belladonna II: 124
Amorphophallus tuberosus I: 287
Anabasis aphylla II: 122
Anacystis nidulans II: 256
Anemarrhena asphodeloides II: 178
Anemia phyllitidis II: 246
Angiospermae II: 127
Ankistrodesmus braunii I: 231
Anthoceros I: 51
Antirrhinum II: 185, 186, 194
Antirrhinum majalis II: 187
Antirrhinum majus II: 187
Apocynaceae II: 58, 127, 154
Arabidopsis II: 21
Araceae I: 383
Arachis I: 362
Arachis hypogea I: 307, 332
Artemesia absinthium II: 45
Arum italicum I: 226
Arum maculatum I: 201, 226
Asclepiadaceae I: 169
Aspergillus fumigatus II: 87
Aspergillus niger I: 276; II: 264
Aspidosperma II: 154, 155, 157
Asteraceae c m . Compositae
Asterales II: 44
Astilbe II: 168, 172
Astragalus spp. I: 367
6Athiorhodaceae (Rhodospirillaceae) I; Щ
Atractylis gummifera I: 219
A triplex spongiosa I: 160
Atropa belladonna II: 122
Avena II: 246
A vena sativa II: 137
Azobacter vinelandii I: 290
Bacillariophyceae I: 114, 115
6Bacillus subtilis I: 356
6Bacillus brevis I: 219
Bangia II: 74
Bataceae I: 169
Batophora I: 76
Beauvaria tenella II: 123
•
Betula pubescens II: 245, 252
Betula verrucosa II: 62
Blakeslea trispora II: 87
Blighia sapida I: 367
Boraginaceae I: 300
Botrychium lunaria I: 274
Brassica napus I: 300, 332
Brassica oleracea var; gemmifera II: 231
Brassica oleracea I: 339; II: 230
Brassica rapa II: 55
Brassicaceae c m Cruciferae
Bromeliaceae I: 168, 169
Broyopsis I: 77
Bryophyta II: 127
Bryopsidaceae I: 74
лВ ф II: 57
Buxaceae II: 51, 58
Buxus sempervirens II: 126
Buxus spp. II: 126, 162
Cactaceae I: 169, 170; II: 147
Caesalpinia brevifolia II: 200
Caesalpinia coriaria II: 200
Calendula II: 54
Calendula officinialis II: 185
Camelia sativa I: 301
Campanulaceae I: 251
Canarium luzonicum II: 46, 51
Canarium samoense II: 47
Canarium spp. II: 51
Candida utilis I: 307
Candida vartiovaatia II: 256
Cannabis sativa II: 168
Capparidaceae I: 262
Capsicum annum I: 57; II: 62
Carex brunescens I: 274
Caryophyllaceae I: 169
Caryophyllales c m . Centrospermae
Catalpa I: 100
Catalpa bignonioides II: 183
Catharanthus roseus II: 154
Caulerpa I: 81
Caulerpacaeae I: 74
Cedrus spp. II: 46
Celosia plumosa II: 149
Cantaurea cyanus II: 183
Centrospermae (Caryophyllales) II: 147
Cercospora rosicola II: 248, 249
Chaetomorpha I: 94
Chara corallina II: 256
Chenopodiaceae I: 159, 169
Chimaphila umbel lata II: 176, 177
Chlamydomonas I: 48; II: 17, 36
Chlamydomonas reinhardtii II: 40
Chlorella I: 48, 155, 156, 231; II: 109
Chlorella protothecoides II: 256
Chlorella pyrenoidosa I: 347
Chlorella vulgaris I: 345
Chloris gayana I: 160
Chlorobacteriaceae (Chlorobiaceae) I: 111
6Chlorobiaceae I: 111
6Chlorobineae I: 111
Chlorophyceae I: 114, 115
Chlorophyta II: 78, 79, 82
6Chromataceae I: 111
Cryptophyceae I: 121
Cryptophyta I: 51
Chrysophyceae I: 114, 115, 121, 288
Chrystophyta I: 51; II: 78-82
Cicer II: 193
Cinchona II: 121, 157, 158
Cinchona officinalis II: 123
Cinchona spp. II: 121, 124
Cionamomum camphora II: 49
Citrullus vilgaris II: 200
Citrus spp; II: 45, 62
Cladophora I: 81
Cladophorales I: 72, 75
Cladosporiwn II: 263
Claviceps II: 152, 328
Claviceps purpurpea I: 328; II: 125
Clematis flammula II: 266
Clerodendrum II: 87
Codiaceae I: 74
Codium I: 76, 81
Colchicum II: 213
Colendula officinales II: 185
Coix lachrima I: 303
Coteus II: 185
Compositae (Asteraceae) I: 159, 169, 251, 383; II:
127, 186
Conium maculatum II: 123
Convolvulaceae I: 169
Cornales II: 44
6Corynanthe II: 154-157
Corynanthe johimbe II: 124
6Corynebacterium fascians II: 238, 240
Cotoneaster spp. I: 384
Crambe abyssinica I: 61, 332
Crassulaceae I: 168-170
Crataegus pratensis II: 62
Crepis foetida I: 301
Crepis parviflora II: 231
Cricosphaera spp. II: 237
Crotalaria juncea I: 367
Crotalaria spectabilis II: 123
Crotalaria spp. II: 123
Cruciferae (Brassicaea) I: 262, 300, 362; II: 212
Cryptophyceae I: 115, 116
Crytophyta I: 51
Cucumis sativus II: 221
Cucurbita maxima II: 227
Cucurbitaceae II: 51
Cupressus spp. II: 47
Cuspidaria pterocarpa I: 301
Cutleria multifida II: 263
Cyanophyceae I: 115, 116, 121
Cymopolia I: 76
Cyperaceae I: 159
Dactylis glomerata I: 286
Daldinia concentrica II: 200
Daphniphyllum macropodum II: 162, 165
Dasycladaceae I: 74
Dasycladus I: 76
Datura I: 76
Datura mete I II: 122
Datura stramonium II: 122, 130
Delphinium spp. II: 161
Dendrobium densiflorum II: 169
Dendrobium nobile II: 126, 161
Derbesia I: 76
Derbesiaceae I: 74
Derris elliptica I: 190
Dicrumnus albus II: 124
Didymocarpus pedicellata II: 187
Digitalis II: 56, 91
Digitalis lanata II: 58
Diospyros II: 175
Dipterocarpaceae II: 51
Drymis winteri II: 47
6E. coli I: 265, 312-321, 356; II: 11, 23, 31, 39, 242,
256
Echinops persic us I: 274
Ectocarpus siliculosus II: 262
Encelia farinosa П: 170
Ephedra spp; II: 138
Equisetaceae I: 90
Equisetum I: 81; II: 127
Equisetum arvense II: 246
Eremophila mitchelli II: 47
Erythrophleum guinaense II: 49
Erythroxolon coca II: 122
Eucalyptus maculata II: 46
Eucalyptus spp. II: 46, 178, 196
Eugenia aromatica II: 169
Eugenia caryophyllata II: 47
Euglena I: 51, 114; II: 36
Euglena gracilis I: 288, 315, 339, 347
Euglena spp. I: 51, 114
Euglenophyceae I: 114, 115
Euphorbia spp. II: 50
Euphorbiaceae I: 159, 169, 262, 383
Eusideroxylon zw ageri П: 170
Evodia rutaecarpa II: 159
Fabaceae cm . Leguminosae
Fabiana imbricata II: 161
Fagus sylvatica II: 185
Forsythia I: 274
Fraxinus II: 172, 252
Fraxinus pennsylvanica I: 291
Fucus gardneri I: 290
Fucus serratus II: 263
Fucus spp. II: 55, 81
Fumariaceae II: 127
Funaria II: 256
Fusarium moniliforme II: 216
Fusicoccum amygdali II: 264
Gahnia clarkei II: 187
Galega II: 123
Garrya spp. II: 161
Gaultheria II: 168
Gentiana lutea II: 178
Gentianaceae II: 177
Geranium spp. II: 46
Gibberella fujikuroi II: 216, 217, 221, 223, 227, 228
Glycine max (Soja hispida) I: 275, 362
Glycosmis arborea II: 159
Gossypium I: 359
Gossypium herbaceum II: 183
Gossypium hirsutum II: 245
Graminaeae (Poaceae) I: 56, 159, 251, 286, 383; II:
127, 212
Guttiferae II: 177
Gymnodinium splendens II: 237
Gymnospermae II: 127
Gynocardia spp. I: 383
Halicoryne I: 76
Hansenula ciferri I: 346, 347
Haplopappus II: 58
Hedera helix II: 232
Helianthus annum I: 332; II: 200
Helianthus tuberosus I: 201
Hebninthosporium sativum II: 263
Helxine soleroli I: 41, 51
Hevea brasi liensis II: 63
Hibiscus II: 193
Holarrhena II: 58
Holarrhena congolensis II: 126
Holarrhena floribunda II: 58
Holarrhena spp. II: 58
Hordeum II: 232, 246
Hordeum distichon I: 332
Hordeum vulgare II: 232
Нити his lupulus II: 46
Hydnocarpus wightiana I: 301
Hydrangea macrophylla II: 169, 174, 185
Hygrocybe II: 148
Hypnea musciformis II: 237
iboga II: 154, 155, 157
Impatiens balsamina II: 176
Ipomoea rubro-caerulea II: 125
Ipomoea violacea II: 153
Ipomoea spp. II: 152
Iresine celosioides II: 47
Juglans nigra II: 169
Kalanchoe daigremontiana I: 171
Kalanchoe spp. I: 168
6Klebsiella pneumoniae I: 355
Kyltingia brevifolia II: 187
Labiatae I: 275; II: 44, 127
Laminaria digitata I: 237
Laminium album II: 106
Lamium purpurewn I: 301
Larix decidua II: 197
Lathyrus odorata II: 183
Lathyrus pratensis II: 186
Lathyrus tinigitanus I: 366
«
Lathyrus spp. I: 366
Latuca sativa II: 230
Lauraceae II: 197
Ledum palustre II: 48
Leguminosae (-Fabaceae) I: 275, 287, 383; Д . 1r7
Lemna minor II: 237, 246
Leonotis hepetaefolia I: 301
Liliaceae I: 168, 169, 366; II: 127
Lobelia inflanta II: 122
Lobelia spp. II: 122
Loganiaceae II: 154
Lolium multiflorum I: 286
Lolium perenne I: 286
Lolium temulentum II: 231
Lomentaria baileyana I: 51
Lonchoncarpus nicou I: 170
Lophocereus schotti II: 54
Lophophora williamsii II: 140
Lotus tenuis I: 384
Lunularia cruciata II: 169
Lupinus luteus II: 51, 123, 241, 242
Lycopersicon I: 362; II: 62, 127
Lycopodium spp. II: 138
Lycoris radiata II: 124
Madura pomifera II: 187
Magnoliaceae II: 170,
Magnoliales II: 44
Mangifera indica II: 62
Medicago sativa II: 51, 122, 253
Menyanthes trifoliata II: 45
Mesembryanthemum crystallinium I: 173
Micrococcus centrificans I: 356
Mimosa pudica I: 367
Mimosaceae I: 366
Monilia spp. II: 240
Monodus subterraneus II: 80
Moringaceae I: 262
Morus alba II: 196
Mucor heimalis II: 256
Mucor pusillus II: 80
Murraya exotica II: 62
Musaceae II: 212
6Mycobacterium phlei I: 315
Mycobacterium sp. II: 95
Myristica feagrans II: 169
Narcissus tazetta II: 124
Neomeris I: 76
Neurospora crassa I: 345; II: 125, 160
Nicotiana glauca II: 122
Nicotiana glutinosa II: 123
Nicotiana rustica II: 123
Nicotiana tabaccum II: 123
Nicotiana spp. II: 123
Nigella spp. II: 156
6Nitrobacter I: 356, 358
Nitrosomonas I: 356, 358
Nuphar П: 161
Nuphar luteum II: 161
N yctaginaceae I: 159
Ochromonas I: 64; II: 80
Ochromonas danica I: 309, 327, 350, 351
Ochromonas malhamensis I: 345; II: 55, 80, 87
Ochromonas spp. II: 87
Oedogonium spp. I: 51
Opuntia dilleni II: 149
Orchia militaris II: 202
Orchidaceae I: 168, 169, 287
Palaquium II: 65
Palaqiaum gutta II: 65
Panicum maximum I: 160
Papaver somniferum II: 54, 124, 142
Papaveraceae II: 127
Parthenium argentatum II: 65
Parthenocissus tricuspidata II: 237
Passifloraceae I: 383
Peganum harmala II: 124
Penicillium digitatum Sacc. II: 256, 259
Pestalotia cryptomeriaecola II: 264
Petunia II: 183
Phaeophyceae I: 114, 115, 121, 288
Phaeophyta I: 51
Phalaris canariensis II:
Pharbitis nil II: 222, 229
Phaseolus aureus I: 289
Phaseolus aureus II: 258
Phaseolus lunatus I: 384
Phaseolus radiatus I: 263
Phaeolus vulgaris I: 294, 367; II: 227, 261
Philodendron selloum I: 226
Phycomyces blakesleeanus II: 80, 95
Phytolaccaceae I: 262
,
Pinaceae II: 44
Punica granatum I: 301
Pinus palustris II: 49
Pinus rigida II: 231
Pinus spp. II: 45, 178
Piperaceae II:
Pisum sativum I: 301; II: 183, 227, 230, 237
Plagiobothrys arizonicus II: 176, 177
Plantaginaceae I: 169
Plumbago spp. II: 176, 177
Podocarpus II: 58
Pogostemon patchouli II: 48, 161
Polypodiaceae I: 169
Polypodium vulgare II: 94
Polytrichum II: 256
Populus alba II: 242
Populus robusta II: 239
Poria vaillantii I: 85
Porphyra I: 74
Porphyra umbilialis I: 201
Portulaca oleracea I: 160
Portulacaceae I: 159, 169
Primula obconica II: 175
Primula sinensis II: 184
Primula spp. II: 185
Prochlorophyta I: 115
Prunus amygdalus I: 261
6
Pseudomonas aeruginosa II: 239, 258
Pseudomonas cocovenenans I: 219
Pseudomonas fluorescens II: 12
6Pseudomonas solanacearum II: 256
Psilotum I: 81
Psoralea corylifolia II: 172
Pteridium II: 58, 256
Pteridophyta II: 127
*Pteropus medius I: 271
*Pycnonotus cafer I: 271
Pyracantha angustifolia II: 62
Pyracantha rogersiana II: 62
Pyrus II: 185
Quercus falcata II: 202
Quercus tinctoria II: 178
Ranunculales II: 44
Ranunculus spp. II: 266
Raphanus sativus II: 242
Rauwolfia serpentina II: 124
Remijia spp. II: 121
Resedaceae I: 262
Rhamnus frangula II: 177
6Rhizobium ja panic um II: 240, 258
6Rhizobium spp. I: 355
Rhizophora sp. II: 200
Rhizopogon roseolus II: 240
Rhodophyceae I: 116, 121
Rhodophyta I: 51
Rhodospirillaceae I: 111
Rhodospirillales I: 111
6Rhodospirillineae I: 111
Rhus semialata II: 200
Rhus vemicifera I: 102
Rhus spp. II: 45, 193
Ricinus communis I: 253, 301, 332
Rivea corymbosa II: 153
Rivea spp. II: 152
Rosaceae I: 383; II: 127
Rubia tinctorum II: 177
Rubiaceae П: 127, 154
Rudbeckia hirta II: 202
Ruta graveolens II: 125, 183
Rutaceae II: 157
Rutales II: 44
Saccharomyces I: 48
Saccharomyces cerevisiae I: 307, 345; II: 80, 81, 256,
259, 262
Saccharum officinarum I: 160
Salix baby Ionica II: 237
Sambucus nigra II: 62
Santalaceae I: 301
Santalum album II: 45, 47
Sapium sebiferum I: 303
Sapotaceae II: 65
Sarothamnus scoparius II: 123
Sauromatum gut tat um I: 226
Scenedesmus I: 120, 155
Scenedesmus D3 I: 231
Scenedesmus obliquus I: 307; II: 27, 39, 40
Sclerotinia libertiana II: 264
Scopolia carniolica II: 122
Secale cereale I: 45; II: 125
Sedum sarmentosum II: 122
Sedum spp. I: 168; II: 122
Selaginella martensii I: 274
Selaginella spp. I: 274
Senecio douglasii II: 123
Senecio isatidens II: 123
Senecio spp. II: 123
Simmondsia chinensis I: 332
Skytanthus acutus II: 160
Soja hispida см. Glycine max
Solanaceae II: 122, 127
Solanum aviculare II: 126
Solanum tuberosum II: 183
Solanum spp. II: 126, 163, 185
Sorbus aucuparia I: 270
Sorghum I: 384, 385
Sorghum sudanense I: 160
Sorghum vulgare I: 261
Spermatophyta II: 127
Sphaerocarpus II: 17
Sphagnum squarrosum II: 256
Spinacia oleraceae I: 52; II: 55, 231
Spirodela II: 237
Spirogyra spp. I: 51
Sporobolus aeroides I: 52
Sporobolus giganteus I: 52
Sporobulus fimbriatus I: 160
Stachys sieboldii I: 275
6Staphylococcus aureus I: 344
Steliaria sp. II; 106
Stercula foetida I: 301
Stevia rebaudiana II: 409
*Stigmella spp. II: 240
6Streptomyces spp. I: 191; II: 11, 233, 258
6Streptomyces diastatochromogenes I: 219
Sullus punctipes II: 240
Symplocarpus foetidus I: 226
Tagetes erecta II: 186
Taraxacum officinalis II: 172
Taxus baccata II: 252
Taxus spp. I: 383
Teucrium canadense I: 275
Thalictrum spp. I: 301
Thallophyta II: 127
Theobroma cacao II: 5
^Thiorhodacea (Chromataceae) I: 111
Toxicodendron radicans II: 168
Drifolium spp. II: 195
7riticum II: 246
TYiticum vulgare I: 332; II: 106
Tropaeolaceae I: 262, 300
Tropaeolium magus I: 262
Tylophora asthmatica II: 123
Typha latifolia II: 183
Typhonium divaricatum I: 57
Udotaceae I: 74
Umbelliferae II: 44
Ustilago maydis II: 200
Vaccinium myrtillus II: 183
Valonia I: 75, 93, 94, 172
Vanilla II: 170
Veratrum II: 58, 165
Veratrum grandiflorum II: 165
Veratrum spp. II: 165
Vemolia anthelmintica I: 301
Veteveria zizanioides II: 47, 48
Vicia faba I: 94, 330, 340, 341; II: 237, 259
Иcia spp. I: 262
Victoria I: 226
Ипса rosea II: 237
Vioales II: 44
Vitaceae I: 169
Ий* vinifera II: 178
Volvox carteri II: 240
Xanthium II: 237, 246
Xanthium pennsylvanicum II: 244
Xanthophyceae I: 115
Xanthoxylum suberosum II: 172
Ximenia caffra I: 300
Zea mays I: 52, 160, 285, 307; II: 230, 242, 247, 250
Zygnema spp. I: 51
Zygophyllaceae I: 159
Предметный указатель
Абиетовая кислота II: 49
Абсцизин (I и II) II: 245
Абсцизовая кислота (АБК) II: 204, 245-254
- биосинтез II: 247-250
- биохимическое действие II: 253-254
- метаболизм (схема) II: 250, 251
- передвижение в растении II: 246-247
- физиологический эффект II: 233, 250-254
Авенастерол II: 57
Автотрофные организмы I: 8,10
Агатовая кислота II: 49
Агглютинин 294 I: 294
Агроклавин II: 125, 154
Аденилоянтарная кислота II: 10
Аденин
S-Аденозилметионин I: 371
Аденозин-5-монофосфат, образование из IMP,
ферменты II: 10
Аденокарпины И: 134—135
Азаинден II: 235
Азанафтален II: 235
Азот, круговорот в природе I: 355-356
- цикл при фотодыхании, схема I: 363
Азотферредоксин I: 356
Азотфиксация I: 355-387
Аймалицин II: 124, 155, 156
Аконитаза в ЦТК 232, 233
Аконитин II: 162
Аконитовая кислота I: 233
Акридин II: 125
«Активный сульфат» I: 350
Актинидин П: 126, 160
Акцепторный стебель II: 27, 40
Аланин I: 165, 369
Аланин—аминотрансфераза I: 164, 368
Алейроновые зерна (белковые тела) I: 35
- клетки I: 332; И: 233
Алейроновый слой, синтез II: 232
Ализарин II: 177
Алкалоиды II: 121-165
- биосинтез II: 125-134, 138-155
- гомостероиды II: 165
- дитерпеноидные II: 161
- изопреноидные II: 160
- индольные И: 154-155
- истинные II: 121
- источники и предшественники II: 122-125, 141,
142, 153
- (3-карболиновые II: 124
- классификация II: 121
- образование шиффова основания II: 128, 130
- папавериновые II: 124
- пептидные II: 152
- распределение и локализация II: 121, 127, 161
- сесквитерпеновые II: 161
- стероидные II: 58, 163-165
- терпеноидные см. Псевдоалкалоиды
- типа Aspidosperma II: 155, 157
- Corynanthe И: 155, 157
- Iboga И: 155, 157
I тритерпеновые II 162
- тритерпеноидные II 165
- эрголиновые II: 125
Алканнин II: 176
Алканы, производные, распространение I: 304
Аллантоин I: 364, II: 5-6
Аллантоиновая кислота I: 364; II: 5-6
Аллерген пыльцы райграсса I: 294
Аллилпирофосфат, конденсация с изопентилпирофосфатом II: 68
Аллоксантин I: 115-116
Аллополиплоиды I: 47
Аллофикоцианин I: 118, 119
Альбизин I: 366
Альбумины I: 386
Альгиновые кислоты I: 82, 83, 290
Альдолаза I: 227
Альдоновые кислоты, образование I: 268
Альдуроновые кислоты, образование II: 269
Амадори перегруппировка I: 382
Амарантин II: 149, 150
Аментофлавон II: 170
Амигдалин I: 384
а- и р-Амилазы I: 281-282; 232-233
Амилоза I: 277, 279
Амилопектин I: 277, 280
Амилопектин—6-глюканогидролаза I: 281-282,
285
Амилопласты I: 50, 57, 277
Аминоацил-тРНК—синтетаза II: 40-41
Аминокислоты, биосинтез и происхождение I:
364-372, 374, 376-378, 382
Аминокислоты, активация II: 29
- алифатические нейтральные I: 367
- дикарбоновые I: 366
- запасенные в семенах I: 363-364
- непротеиногенные I: 366-368
- окисление I: 242
- основные I: 366
- протеиногенные, биосинтез I: 364-382
- серу- и селенсодержащие I: 367
- у растений I: 364
Аминолевулинат-синтаза II: 106, 107
5-Аминолевулиновая кислота II: 106-108, 110
Аминоэтоксивинилглицин II: 238
{З-Амирин II: 51, 88, 89
Амитал I: 190, 224
Аммиак, ассимиляция I: 360-361
- образование I: 355-358
Анабазин II: 122, 134-135
Анафаза мейоза I: 45, 46
- митоза I: 40, 41
Анаферин II: 134-135
Антенна светособирающая см. Светособираю­
щая антенна
Антеридиогены II: 263
Антеридиол II: 262
Антикодон II: 27, 40
- дрожжевой тРНК II: 29
Антикодоновая петля II: 27, 40
Антимицин А I: 178, 190-191, 224
Антипараллельные цепи II: 15
Антипортные системы I: 222-223
Антицитоксинины II: 235
Антоцианидины И: 179, 184-186, 190, 192
Антоцианы II: 183, 185, 186
Антранилат—3-монооксигеназа II: 156
Антраниловая кислота II: 155, 158, 159
Антрахиноны II: 169, 177
Анхалонидин II: 140
Апигенин II: 180, 188
Апокаротеналь, производные II: 61
Апокаратиноиды II: 62
Апопласт I: 30
Арабин I: 84
Арабинаны I: 84
Арабиногалактан I: 82, 84
Арабиноза I: 258
L-Арабинокиназа I: 259
a-L-Арабофураиоза I: 80
Аргинин, биосинтез I: 368, 367
Аскорбиновая кислота I: 271-272; II: 100
Аспарагин, биосинтез I: 370
Аспарагиновая кислота I: 165, 370; II: 9, 10, 133,
134
Аспартат-аминотрансфераза I: 164
Аспартаткиназа I: 368
Атизин II: 126
Атразин I: 144, 145
Атракталовая кислота I: 219-222
Атропин II: 132
Ауксин см. Индолилуксусная кислота
Ауксины II: 204-216
- биосинтез II: 211
- биохимическое действие I: 215-216
Ауксины II: 215
- метаболизм I: 210-213
- транспорт в растении II: 207-210
- физиологические эффекты II: 213-215, 232, 258
Ауреузин II: 186, 187
Ауроксантин II: 61
Ауроны II: 179, 182, 186, 187, 190, 193
Аутополиплоиды I: 47
Ацетилглутаматкиназа I: 372
О-ацетилсерин—(тиол)-лиаза I: 376
Ацетил-СоА в ЦТК I: 231-234
- предшественники терпеноидов II: 65
Ацетил-СоА : АП Б - трансацетилаза I: 319, 322
Ацетил-СоА - ацилтрансфераза I: 238
Ацетил-СоА: глутамат-Ы-ацетилтрансфераза I:
372
Ацетил-СоА : дигидролипоамид - S-ацетил трансфераза I: 231
Ацетил-СоА-карбоксилаза I: 312-314, 338
Ацетолактат-синтаза I: 364, 368
Ацил-АПБ : малонил-АПБ—конденсирующий
фермент I: 318, 322
Ацилглицеролы (глицериды) I: 300-303, 336-338
Ацилпереносящий белок (АП Б) I: 315
Ацил-СоА-дегидрогеназа I: 237, 238
Ацил-СоА: спирт жирного ряда—ацилтрансфе­
раза I: 339
Аэроклавин II: 153
A-участок II: 31, 36
ADP, строение I: 184
АЭРглюкоза—пирофосфорилаза I: 285
АМР циклический у растений II: 7
АТР, генерирование при глюконеогенезе I: 256
- образование в хлоропластах I: 180
- образование при нециклическом транспорте
электронов I: 135
- перенос в цитоплазму I: 178
- строение I: 184
- универсальная энергетическая валюта I: 9
АТРаза митохондрий I: 49, 215, 219
«Бакане» II: 216
Бактерии автотрофные см. Автотрофные бакте­
рии
- гетеротрофные см. Гетеротрофные бактерии
- фотосинтезирующие I: 111
Бактериоиды I: 355, 357
Бактериохлорофилл I: 111
Белки I: 355-387
- биосинтез I: 104—106; II: 5, 28-41
- инициация И: 31-34
- терминация и элонгация II: 35, 37
- клеточных стенок I: 87-89, 104
- листьев I: 387
- модификация посттрансляционная II: 35
- растительные I: 386
- секретируемые I: 104-106
- семян I: 386
Белковые тела (Алейроновые зерна) I: 35
Бензилвиологен I: 144
Бензилизохинолины II: 141-147
Бензойная кислота II: 171
Бетаксантины II: 147-150
Беталаины И: 125, 147-149
Беталамовая кислота II: 148
Бетанидин II: 125, 147, 149
Бетацианины II: 147-150
Бетулапренолы II: 62
Биваленты I: 44, 47
Биозиды II: 183
Биотин-карбоксилаза I: 312
Биоханин II: 194
Биоэнергетика I: 12-26
Бисаболен II: 46
1,3-Бисфосфоглицириновая кислота I: 151
Бифлавоноиды II: 170, 198
Бонгкрековая кислота I: 219, 221-222
Борнеилпирофосфат II: 70
Борнеол II: 45, 71
Брожение спиртовое I: 230
Бромелаин I: 294
Бутадиен I: 127
Бутеин II: 182
Буфанезин II: 147
Вагнера-Меервейна перемещения II: 76
Вазицин II: 124
Вакуоль I: 27, 28, 35
Вакуолярный сок I: 27, 28
Валин I: 364-368
Валин - аминотрансфераза I: 368
Валиномицин I: 219-220
Вариабельная петля II: 27, 40
Веатхин II: 161
Вегетативное размножение I: 47
Вента биотест II: 207
Вербаскоза I: 275
Веретено ядерное I: 41
Верноловая кислота I: 301
р-Ветивон II: 47
Вивипария (живорождение) I: 47
Винбластин I: 64
Виндолин II: 154
Виниферин II: 178
Винкозид II: 155, 156
Винкристин I: 64
Виолаксантин I: 115-116; II: 61, 249-250
Витамин В |2 I: 9
Витамин Е II: 63
Витамин Kj II: 100. См. также Филлохинон
Вицилин I: 294
Внутренняя конверсия I: 128, 129
Вода, донор электронов I: 112
- клеточной стенки I: 89
- у МОКТ-растений I: 172
Водоросли, пигменты 1: 115
- фотосинтезирующие I: 111
Возбужденная молекула I: 128-129
Возбужденное состояние, время жизни I: 128
Волюкристин II: 176
Воск(а) I: 304-305, 338-341
Восковые тельца I: 61, 332
Вторичная стенка I: 27, 28, 72, 90, 92, 93
Выводковая почка I: 47
Галактаны I: 81-84, 290
Галактинол I: 275
Галактоза, строение I: 258
Галакто:зилдиацилглицеролы 1: 307, 347, 348
Галактокиназа I: 259
Галактоманнаны I: 287-288
P-D-Галактопираноза I: 80
D-Галактурокиназа I: 259
a-D-Галактуроновая кислота I: 80, 258
Галантамин II: 144
Галетин: 193
Галловая кислота II: 171, 199, 265
Галлотанины II: 185, 199
Галлюциногенные соединения II: 152, 168
Гальванический элемент I: 22
Гаплоидные клетки I: 30
Гармалан II: 152
Гейссошизен I: 155-157
Гексадекатриеновая кислота I: 307
Гексозомонофосфатный шунт см. Пентоэофосфатный путь
Гексокиназа I: 227, 336
Геликаза II: 21
Гелиосупин II: 132, 133
Гельминтоспорол II: 263
Гем(ы) II: 106-120
- биосинтез I: 55, II: 106
- структура 1: 203-204
Гемантамин И: 144, 147
Гемитерпены II: 42-44, 160
Гемицеллюлозы I: 73, 78, 79, 95, 291
Гемопротеины I: 201
Генеллин II: 123
Генистеин И: 181, 189, 194
Гентизеин II: 178
Гены Nif I: 355
Геотропизм в корнях II: 214, 250-251
Геранил II: 69
Геранилгеранилпирофосфат II: 95, 224-225
Геранилгераниол II: 43
Геранилпирофосфат И: 177
Геранилфарнезилпирофосфат II: 67
Гераниол II: 43, 155, 156
Гербициды I: 145-146; II: 215
Гермакрон И: 46
Термин II: 58, 165
Герцимин И: 160
Гетеродендрин I: 384
Гетеротрофные организмы I: 8-10
Гиббереллан II: 220
Гиббереллиноподобный материал II: 230
Гиббереллины II: 204, 216-233
- активность, роль структуры II: 222
- биосинтез II: 223-229
- биохимическое действие II: 232-233
- инактивация II: 229
- и синтез мРНК II: 233
- номенклатура II: 217-221
- открытие и характеристика II: 216-222
- передвижение в растении II: 229-230
- производные природные II: 218-219, 222
- распространение II: 222
- физиологическое действие II: 230-232, 253
Гибберелловая кислота II: 217, 229, 231, 243
Гибберетион И: 229
Гибисцетин II: 193
Гигрин И: 132
Гидрангенол П: 169, 173
D-/ —/-Р-гидроксиацил-АЙЕ—дегидратаза
I:
319
3-Гндроксиацил-СоА—дегидрогеназа I: 238
Гидроксигомоаргинин I: 366
Гидроксигопанон II: 51
7а-Гидроксикауреновая кислота II: 225
Гидроксикоричные кислоты И: 172-175
Гидроксикумарины II: 172
Гидроксиламин I: 144
Гидроксипролин I: 373, 374
Гидрохинон I: 144
Гинестеин И: 194
Гиосциамин II: 122, 132, 134
Гиосцин II: 122
Гипоглицин А I: 367
Гипотеза качаний II: 29
- конформационного сопряжения I: 212-214
- неоднозначного соответствия II: 29
- одной и двух популяций I: 60
- хемиосмотическая см. Хемиосмотическая ги­
потеза
- химического сопряжения I: 212
Гистидин, биосинтез I: 378, 381
- образование алкалоидов II: 160
Гистогематинин I: 202
Гистоны нуклеосом I: 40
Гитоксигенин II: 92
Гликозиды горчичного масла I: 263
- образование и распространение I: 260-262
- сердечные II: 55
- стероидов И: 88
- флавоноидные II: 201
- цианогенные I: 261-263, 383-385
Гликолатоксидаза I: 242
Гликолевая кислота I: 243
Гликолиз I: 226-231
Гликолипиды I: 298
- биосинтез I: 347-353
Гликолитический путь, схема I: 228
Гликопротеины I: 295
Гликорин II: 159
Глиоксилатный цикл I: 59, 332-336
Глиоксисомы I: 29, 58, 332-333
- выделение I: 67
- глюконеогенез I: 255
- обмен жирных кислот I: 237, 238, 235
- Р-окисление I: 328
- ферменты I: 58-60, 237, 238
Глицеральдегид-З-фосфат, превращения I: 229
Глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа I: 169, 227
Глицериды см. Ацилглицеролы
Глицериновая кислота I: 243
Глицерол, нумерация стереоспецифическая и но­
менклатура I: 302
- образование никотина II: 131
- окисление I: 216
Глицерол-3-фосфат—дегидрогеназа I: 185, 341
336
- N АD-зависимая I: 188
Глицерол-З-фосфат-дигидроксиацетоновый
шунт I: 188
Глицерофосфолипиды I: 305, 306, 341-345
Глицин, образование I: 374-376
Глицинамидрибонуклеотид II: 8
Глицин-синтаза I: 244
Глобулины I: 386
Глутамат-глиоксилат—аминотрансфераза I: 244
Глутамин(амид): 2-оксоглутарат—аминотранс­
фераза (ГОГАТ) I: 360-362
Глутаминовая кислота I: 165; И: 8, 108
Глутамин-синтетаза I: 244
Глюкагон II: 204
Глюкан-ветвящий фермент II: 280
Глюкоза, образование шикимовой кислоты I: 98
- строение I: 258
Глюкозамин I: 258
а-Глюкозидаза I: 177, 281
Глюкозиды I: 102
- горчичного масла I: 261
Глюкозинолаты I: 261, 262
Глюкозо-1-фосфат—аденилилтрансфераза I: 176
Глюкозофосфат-изомераза I: 176
Глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансфераза I: 177
Глюкокортикоиды II: 204
Глюконеогенез I: 229, 251, 233-257, 329
P-D-глюкопираноза I: 80
Глюкуроновая кислота I: 258, 269-271; II: 185
D-Глюкуронокиназа I: 259
Глютелины I: 386
Глюцитол I: 270
Голохром II: 115, 116
Голъджи аппарат I: 28, 36, 261
- диктиосомы 36, 37
- пузырьки I: 96, 106
- тельца I: 36, 95, 106
- цистерны I: 36, 95, 96, 106, 233
Гомеологичные хромосомы I: 47
Гомогалактуронан I: 290
Гомогентизиновая кислота II: 101
Гомосерин-дегидрогеназа I: 371
Гомосерин-О-фосфат: цистеин-О-цистеинилтра нефераза I: 371
Гопан II: 48, 51
Гопен I, образование II: 90
Гормон, термин II: 203
Гормоны животных, классы II: 203
- растений см. Фитогормоны
- стероидные II: 57, 58, 88-89
Госсипетин II: 182, 186
Грамин, биосинтез II: 151-152
Грамицидин, структура I: 220
Грамицидин А I: 219
Грамицидин D I: 219
Граны I: 28, 52
Грибы гетеротрофы I: 10
Гуанин I: 5
Гуанозин-5-монофосфат, образование II: 10
Гуйбауртакацидин II: 181
a-L-Гулуроновая кислота I: 80
Гумулен II: 46
Гутта И: 63, 65
Гуфйол II: 46
Дайдзеин II: 194
Дальбергин II: 173
Дальпанол II: 192
Даммара II: 50, 51
Даммаран II: 48, 50
Даммарандиол II: 50
Дамасценин II: 158
Дафнифиллин II: 162, 165
Двойная спираль, особенности II: 16
Дегидрата за дигидроксикислот I: 364-365
шранс-Д2-3-Дегидроацил-АПБ—редуктаза I: 319
Дегидрогеназы NADH-зависимые, две формы I:
49
Дезоксирибонуклеиновая кислота см. ДНК
Декарбоксилаза ароматических кислот II: 212
Дельфинидин И: 179, 183, 185, 186
Дендробин II: 126, 161
Денитрификация I: 356
Демиссин II: 164
Д9-Десатуразная система I: 324-326
Десатуразы I: 324, 327
Десмостерол II: 84
Десмотрубочки I: 29
Диадиноксантин I: 115-116
Диакинез I: 44, 45
Диаминодурен I: 144
Диаминопимелинат-эпимераза I: 368
Диапинорезинол II: 197
Диацилглицерол-ацилтрансфераза I: 337
Дибензилметан II: 191
Дигалактозилдиацилглицеролы I: 308
Дигидрогваярстовая кислота II: 196
Дигидрозеатин II: 239
Дигидроиндолы II: 125
Дигидрокриптогенин II: 93
Дигидрооксиацетонфосфат I: 152, 180
Дигидроксиспирты I: 303
Дигидрооротовая кислота II: 13
Дигидропиколинат-синтаза I: 368
Дигидрофлаванол II: 190, 192
Дигидрохалконы II: 182
Дигитогенин II: 55
Дигитоксигенин II: 92
Дигитонин I: 261
Дигицитрин II: 182
Дигоксигснин II: 92
Диктамнин II: 124, 158, 159
Диктиосомы I: 36
- выделение I: 67
Дикумарол I: 219; II: 172
Диметилаллил II: 69
Диметилаллилпирофосфат II: 65
Диметилфиллохинол II: 101
Диметилфиллохинон II: 101
Димонозиды II: 183
2.4-Динитрофенол I: 219
Диоксид углерода (С 0 2) в синтезе лигнинов I:
97
- превращение в углеводы I: 109
- у С3-, С4- и МОКТ-растений I: 252
- фиксация I: 146
Диосгенин II: 93
Диосиндиго II: 175
Диоскорин II: 137
Диосметин II: 182
Диплонема I: 44, 45
Диплотен II: 88
Дисалицилидинпропандиамин I: 144
Дисахариды, биосинтез и структура I: 272-275
Дитерпеноидные алкалоиды II: 126, 161
Дитерпены II: 43, 48, 49, 71
Диурон I: 144, 145
Дифенилкарбазид I: 144
Дифосфатидилглицерол I: 306
2.4-Дихлорфеноксиуксусная кислота И: 215
Дихлорфенолиндофенол I: 144
ДНК митохондриальная II: 17
- синтез II: 11
- структура II: 14-17
- хлоропластная И: 17
- циклические, типы II: 16
- ядерная II: 16
ДНК-лигазы, механизм действия II: 22
ДНК-репликаза II: 20, 21
Дормин II: 245, 252
ДОФА И: 143, 148
Дрименол II: 47
Дуррин I: 384
Дыхание I: 183-250
- сходные процессы I: 242-248
- устойчивость к цианиду см. Цианидрезистент­
ное дыхание
Единицы измерения и размерности II: 279-281
- температуры II: 283
- радиоактивности II: 283
- световые II: 283
- ферментативной активности И: 282
- электричества И: 282
Еноил-СоА—гидратаза I: 238
Енолаза I: 227
Железопорфирин I: 360
Железосерные белки (железосеропротеины, ГеS-белки) I: 185-186, 200-201
Железосерные центры I: 200
Железосеропротеины см. Железосерные белки
Желчные пигменты у растений II: 118
Живорождение см. Вивипария
Жидкостно-мозаичные модели I: 30
Жир(ы), запасание в семенах I: 332
- окисление I: 235-242
Жирные кислоты, биосинтез I: 311-328
- в глиоксисомах I: 335
- гидроксилирование I: 327-328
- главные и второстепенные I: 299-300
- десатурация I: 324-327
— катаболизм I: 328-333
— моноеновые см. Моноеновые жирные кис­
лоты
— насыщенные I: 299
— необычные I: 300-301
— обмен I: 311-336
— окисление I: 236, 239
— а-окисление у растений I: 241-242, 329-330
— Р-окисление спиральное I: 237-241, 328
— ш-окисление I: 330
— полнено вые I: 299, 326
— удлинение цепи I: 322-324
— фитопланктона I: 300
Жировые тельца I: 61
Замораживания-скалывания метод I: 33
Зеаксантин I: 115-116; II: 61
Зеатин И: 5, 234, 237, 238
Зеатинрибозид II: 238
Зеатинрибозидфосфат II: 238
Зеатинрибозид-5'-монофосфат II: 234
Зигонема I: 44
Иервин II: 165
Изменение свободной энергии I: 211
Изовинкозид II: 155, 156
Изоетин II: 182
Изокверцитрин II: 183
Изокумарины II: 169, 173
Изолейцин, образование I: 364-368
Изолейцин—треониндезаминаза I: 368
Изолимонная кислота I: 233, 234
Изомальтаза I: 273, 274
Изоментол II: 73
Изоментон II: 73
Изопентиладенин II: 238
Изопентилпирофосфат, изомеризация II: 65, 66,
68
Изопрен II: 43
—активный И: 65
Изопреновое правило И: 65, 77
— биогенетическое II: 65
Изопреноидные алкалоиды II: 160-165
Изотетракацидин И: 181
Изотиоцианаты I: 262
Изотопы, используемые в качестве метки II: 284
Изоферменты I: 387
Изофлавон II: 189, 190
Изофраксидин II: 172
Изохинолины II: 124, 138
Изохинолиновые алкалоиды II: 145
Изохинуклидины II: 133
Иминокислоты I: 366
Инвертаза I: 336
Индазол II: 125
Индикаксантин П: 148
Индол II: 124
Индолил-З-молочная кислота II: 212
Индолил-З-пировиноградная кислота, образова­
ние II: 210
Индолилуксусная кислота см. Ауксин
Инициаторный комплекс И: 39-40
Инициация II: 41
Инкрустирующие вещества клеточных стенок I:
106
Инозин-5'-монофосфат, биосинтез II: 8-9
Инозитол I: 275
Инсулин II: 204
Интеркомбинационная конверсия I: 134
Интерфаза I: 44
Интроны II: 26
Инулин I: 285-288
Инулиноподобные фруктозаны I: 285
Информационная РНК (мРНК) II: 17, 24-26
Ионофоры, разобщающий эффект I: 218
- структура I: 220
Иодацетамид, НS-ингибитор I: 228
Ирезин II: 47
Иэуфан II: 48
ИУК см. Ауксин
ИУК-оксидазы II: 212
IMP-циклогидролаза II: 7
Кадаверин II: 135, 138
Кадинен II: 46, 71, 73
Каллоза I: 288, 292, 293
Кальвина цикл I: 146-159, 161, 171
- в фотодыхании I: 243
- образование аминокислот I: 374
- ферменты I: 158
- фиксация С 0 2 I: 252
Кампестерол II: 56
Камфора II: 70,71
а-Камфорен II: 49
Канаванин I: 364
К ана-И нгольда-П релога правило I: 196
-----система II: 269-270
Каналин II: 258
Капалилпирофосфат II: 223
Капсантин II: 61, 62
Каранин II: 146
Карбамоилфосфат II: 12; 13
Карбамоилфосфат-синтетаза I: 374
Карбоксилтрансфераза I: 312
(З-Карболины II: 152
Карбония ион II: 69, 76-78
Карденолипиды II: 91, 92
Кардиолипин I: 306, 314, 344
Кариофиллен II: 47
Каротин(ы) I: 114-116; II: 59
а-Каротин И: 59, 61
Р-Каротин I: 119; II: 59, 61, 64
5- и у-каротины II: 59, 61
^-Каротин I: 127
Каротиноиды I: 113-116; II: 58-61, 93-100, 187
- биосинтез I: 55
- окраска II: 185
- предшественники, взаимопревращения II: 96
- при фотосинтезе I: 135
1 распространение в плодах II: 62
- структура I: 116
- циклизация II: 96
Кассаевая кислота II: 49
Кастапренолы II: 62, 67, 100
Катальпол И: 174
Катарантин II: 154, 157
Катенамин II: 156
Катехины II: 180, 190, 193
—пути окисления II: 198
Катехол II: 168
Катехоламины II: 200, 203
Кауран II: 48, 220
Кауранол II: 229
Каурен II: 49, 229
Кауреналь II: 229
Каурен-синтаза II: 223
Каучук II: 43, 63-64, 104
Кверцетагетин II: 182, 186
Кверцетин II: 183, 187, 189
Кверцетин-З-софорозид II: 183
Кверцимеритрин II: 183
Кверцитрин II: 183
Кемпферол II: 180, 183, 184, 187
Кинетин II: 234, 237, 238
Кислород, системы выделения I: 140, 142
Кислородный электрод I: 25
Клавиновые алкалоиды II: 152
Клетка растительная I: 10, 27-70
— морфология I: 27, 28
| — строение I: 28
Клетки обкладки сосудистого пучка, микрофо­
тография I: 52
Клеточная пластинка I: 96, 107; II: 216
—стенка водорослей I: 93
\ — инкрустирующие вещества I: 106
— компоненты, биосинтез I: 94-106
— методы разрушения I: 65
— образование и рост I: 96, 106
— растений I: 27-30
— строение и состав I: 71-108
— структурные полисахариды I: 291
клеточное деление, роль ауксинов II: 215
Климактерий у плодов I: 225
«Климактерические» плоды II: 260
«Климактерическое» дыхание II: 260
Клубенек сои I: 357
Клубеньки корневые, цитокинины II: 237
Клубеньковые бактерии (бактероиды) I: 355,
357-358
Кодеинон II: 144
Кодирующая емкость II: 36
Кодоны II: 28
— терминирующие II: 29
Кокаин II: 122
Колебательная релаксация I: 128, 129, 130
«Коллектора цепи переноса I: 201
Колленхима 1: 92
«Колпачок» II: 25
Колхицин I: 64; II: 147
Конидендрин II: 197
Кониин II: 123, 135, 139
Конифериловые алкалоиды см. Алкалоиды конифериловые
Конифериловый спирт I: 101-105
у-Коницеин II: 135
Конканавалин А I: 294
Константа скорости I: 20
Копигментация II: 184
Копринин II: 175
Копропорфириноген III II: 112
Коринантеин II: 154
Коричная кислота II: 101, 200, 265
Коричный спирт: NADP + —оксидоредуктаза I:
101
Корончатые галлы, цитокинины II: 237
Кор-полимераза см. Минимальная полимераза
Котиленины II: 263
Кофейная кислота II: 169, 172, 265
Кофермент А I: 316
Коэффициент P/О I: 208
Крахмал I: 254, 277-282
- гликолитический путь расщепления I: 228
- превращение в сахарозу I: 283
- при фотосинтезе I: 175, 178
- расщепление II: 232
Крахмал-синтаза I: 279-280
Крахмал-фосфорилаза I: 281-282
Крахмальное зерно I: 28, 52-53, 277
Крепениновая кислота I: 301
Кротонозид II: 6
Ксантин II: 61, 266
Ксантозин-5'-монофосфат II: 10
Ксантоксин II: 249, 250
Ксантоны, природа и распределение И: 177
Ксантофиллы I: 115; II: 61, 98
Ксантофильный цикл II: 99-100
Ксиланы I: 79
|3-1,3-Ксиланы I: 77, 78
Ксилоза I: 258
p-D-Ксилопираноза I: 80
Ксилулоза I: 258
Ксилулозо-5-фосфат I: 152, 153
D-Ксилулокиназа I: 259
Кукурбитацин А II: 51
4-Кумарат-СоА - лигаза II: 202
Кумарины II: 169, 266
Кумаровая кислота II: 101, 168, 172-174, 202, 265
транс-Кумаровая кислота I: 100
Кума ро вый спирт I: 102, 103
Купарен II: 47
Кутикулярные вещества I: 89
Кутин I: 89, 338-341
Кэп см. Колпачок
Лавсан II: 176
Лактоза I: 273-274
Ламеллы вторичной стенки I: 93-94
- хлоропластов I: 51
Ламинарии I: 288
Ланостан II: 48-53
Ланостерол I: 50; II: 75, 77, 81
Лануларовая кислота II: 202
Ларицирезинол И: 197
Латекс II: 63, 65
Латирин I: 383
Лауриновая кислота I: 300
Левансахараза I: 287
Легтемоглобин I: 358
Ледол II: 48
Лейкозин I: 288
Лейкопласты I: 50
Лейкоробинетинидин II: 181
Лейцин, образование I: 364-368
Лейцин-аминотрансфераза I: 368
Лейцин-2-изопропилмалат-синтаза I: 368
Лектины I: 294
Лептонема I: 44
Лигнаны II: 196-198
Лигнин(ы) I: 71, 84-86; II: 170
- биосинтез I: 96; II: 197
- браунса I: 85
- клеточной стенки I: 96-104, 107
- предшественники II: 200
- строительные блоки I: 101
Лигниноподобные полимеры I: 102, 105
Лигнификация I: 84
Лизергиновая кислота II: 152, 153
Лизин, образование I: 368, 369
Лизосомы I: 35
Ликопин II: 59-62, 97
- спектр поглощения I: 127
Ликоподин II: 138
Ликорин II: 144, 146
Лимонен II: 45
Лимониды II: 51
Лимонин II: 51
Лимонная кислота I: 233
Линамарин I: 383, 384
Линдефолин II: 132
Линолевая кислота I: 300, 327
- катаболизм I: 240
Линоленовая кислота I: 300
Липаза I: 338
Липид, термин I: 298
Липидные бислои I: 30
Липиды ацилъные I: 298-310
- в терминальной цепи переноса электронов I:
206
- диолъные I: 303
- запасание I: 60
- мембран I: 30
- нейтральные I: 298, 300-305, 336-341
- обмен I: 298, 311-353
- полярные I: 298, 305-310, 341-353
Липоевая кислота в цикле трикарбоновых кис­
лот I: 232
Липооксигеназа I: 330-332
Лишайники I: 270
Лобелин II: 122
Логанин II: 45, 154-156
Логановая кислота II: 155, 156
Лотаустралин I: 384
Лофенол II: 54
Лунулариевая кислота II: 246, 261
Лупан II: 48, 51
Лупеол II: 51
Лупинин II: 123, 135, 140
Лютеин I: 115-116; II: 61
Лютеолин II: 183
Лютеон II: 202
Лютоиды II: 63
Маалиол II: 47
Магний, активация ферментов I: 312
Малат-дегидрогеназа I: 165, 169, 170, 188, 256
- NADP-зависимая I: 164, 170, 171, 179
Малат-оксалоацетат-аспартатный шунт I: 188
Малонил-СоА I: 312, 314
Малонил-СоА :АПБ—трансацетилаза I: 319, 322
Мальтоза I: 273, 274
Мангиферин II: 169, 178
Маннаны I: 76, 81
Манниха реакция II: 128, 129, 143
Манноза I: 258
P-D-Маннопираноза I: 80
P-D-Маннуроновая кислота I: 80
Марганец I: 144, 312
Матрикс клеточной стенки I: 95-96
Мевалоновая кислота II: 66, 248
Мевальдиновая кислота II: 66
Мегаспоры I: 46
Межклеточные пространства I: 29
Межплоскостные взаимодействия (стэкинг-эффект) II: 15
Мейоз I: 40
Меланины II: 170, 200
Мелибиоза I: 273, 275
Мембраны, строение I: 30-38. См. также Ми­
тохондрии, мембраны
Ментол II: 73
Ментон II: 73
Ментофуран II: 73
Месе леона-Сталя опыты II: 19
Метаболизм органических кислот по типу толстянковых см. МОКТ
Металлопорфирнны II: 106, 112-113
Метафаза мейоза I: 43, 46
- митоза I: 40, 41
6-(3-метил-3-бутениламинопурин) II: 234
Метилвиологен I: 144, 145
N5,10-металёнтетрапщрофолят,
донор
ме­
тальных групп II: 12
N-Метилпелътъерин II: 134
N-Метилпутресцин-оксидаза II: 129
Метилцитозин II: 11
Метионин, биосинтез I: 370
- образование этилена II: 257
Метод перекреста I: 210
Метоксивинилглицин II: 258
Микросомы, перенос электронов I: 245
Микроспоры I: 46
Микротельца I: 29, 58-60
Микротрубочки I: 63-65
Микрофибрилла, паракристаллическая форма
I: 74
Микрофибриллы I: 71, 74, 91, 94-95, 289
Микроэлементы I: 38
Миксоксантофилл I: 115-116
Минимальная полимераза (кор-полимераза) II:
24
Миогематинин I: 202
Миристиновая кислота I: 300
Миристицин II: 169, 172
Миртиллин а II: 183
Мирцен II: 45
Митоз, фазы I: 40-42
Митотическая фаза I: 40
Митотический цикл I: 39
Митохондрии I: 28, 48, 207
- АТРаза I: 215, 219
- белки, синтез II: 31
- выделение I: 67, 184-185
- ДНК I: 49
- животных I: 187, 207
- кальцевые гранулы I: 49
- мембраны I: 48-50, 216
- окисление NADH I: 229
- перенос электронов I: 187, 216
- проницаемость I: 221
- ферменты I: 188, 215, 219, 223
- окислительные процессы I: 180
- при фотосинтезе I: 243, 363
- растений I: 187, 191, 223
- рибосомы I: 49
- «сопряженные» I: 184-185
- спектры поглощения I: 207
- строение I: 48
- ферменты I: 49, 188, 191, 215, 219
- окисления жирных кислот I: 237, 238
- цикла трикарбоновых кислот I: 49
Митчелла гипотеза I: 49
Млечники II: 63
МОКТ I: 146, 168-173
МОКТ-растения I: 173-175
Молекулярные орбитали I: 125
Молибдоферредоксин I: 356
Моноацилглицеролы (моноглицериды) I: 301
Моноглицериды см. Моноацилглицеролы
Моноеновые кислоты I: 299, 326
Монооксидазы I: 245
Моносахариды I: 258
- взаимопревращения I: 262-272
- производные I: 257-259
Моносахаридфосфаты I: 257-259
Моносахариды, эпимеризация I: 264
Монотерпеновые алкалоиды II: 160
Монотерпеноидные алкалоиды II: 126
Монотерпены И: 43-45
- нерегулярные И: 44
Моноурон I: 144, 145
Монофосфатидилглицерол I: 306
Морин II: 182
Морфин II: 124
Морфиновые алкалоиды II: 141
Мочевая кислота II. 5
Мочевина, производные I: 144
Мултифидин II: 263
Мульбергин II: 196
Муска-аурин II: 148
Мускапурпурин II: 148
Мускафлавин II: 148-149
Мутации моносахаридов I: 262
Нарингенин II: 181, 188, 195
Нафтохиноны И: 169, 175
Нейроспорин, спектр поглощения I: 127
Неоизоментол II: 73
Неоксантин I: 115-116 И: 61
Неолигнаны II: 170, 196-198
Неоментол II: 73
Неопинон II: 144
Неотиобинуфаридин II: 161
Неофлавоны II: 182
Нерилпирофосфат II: 70
Нерол II: 70
Неролидол II: 46
Никотин II: 123, 129-133
Никотинамидадениндинуклеотид см. NAD
Никотинамидадениндинуклеотидфосфат см.
NADP
Нити полу веретена I: 41
Нитрат, превращение в аммиак I: 358
Нитрат-редуктаза I: 359-360
Нитраты I: 356
Нитрит-редуктаза I: 360, II: 113
Нитрификация I: 356, 358
Нитрогеназа I: 355, 357
- структура гипотетическая I: 358
Нонактин I: 219
- структура 220
Норлауданозолин II: 143
Норплувин II: 146
Нуклеиновые кислоты II: 5, 14—28
Нуклеозиддифосфаткиназа I: 284; II: 11
Нуклеозидмонофосфат-киназа II: 11
Нуклеозиддифосфатсахара (NDP-caxapa) I: 259,
291-292
Нуклеозиды И: 6, 11
Нуклеоиды I: 49, 55
Нуклеоплазма I: 39
Нуклеосомы I: 40, 41
Нуклеотиды регулярные II: 6-7
NAD (NAD + и NADH) в метаболизме эукарио­
тической клетки I: 193
- коферменты оксидоредуктаз I: 194, 232
- при гликолизе I: 229-230
- глюконеогенезе I: 256
- образовании каротиноидов II: 100
- окисление I: 223-224
- спектры поглощения I: 196
NADH-дегидрогеназа I: 188, 191, 223
- строение I: 192
NADH-nHTOxpoM-P450—редуктаза I: 245
NADP (NADP+ и NADPH) в биосинтезе тритерпенов II: 85
- в пентозофосфатном пути I: 248
- хлоропласте I: 320
- эукариотической клетке I: 193
- коферменты оксидоредуктаз I: 194, 232
- при биосинтезе стеролов II: 86
- липидном обмене I: 339
- нециклическом транспорте электронов I: 135
- строение I: 192
NADPH-цитохром b ssl—редуктаза I: 359
Обтузифолиол II: 82, 83
Оканин II: 187
Окислительно-восстановительные реакции саха­
ров I: 268
—системы I: 22
— одноэлектроны I: 200, 202
— при фотосинтезе I: 137-140, 109-110
Окислительно-восстановительный потенциал I:
21-25, 198
Окислительное фосфорилирование см. Фосфорилирование окислительное
Оксалоацетат в образовании аминокислот I: 370
Оксигеназы со смешанной функцией I: 245; II:
75, 83, 154
Оксидаза со смешанной функцией II: 85
Оксидоредуктаза NAD(P)-зависимая I: 195,
227
Р-Оксоацил-АПБ-редуктаза I: 319
Оксоглутаровая кислота I: 165, II: 102
2-Оксоглутарат-дегидрогеназный комплекс I:
185, 200
Олеанин II: 51
Олеиновая кислота I: 300, 327
Олеосомы I: 61
Оливил: 197
Олиго-1,6-глюкозидаза I: 281
Олигомицин I: 219
Олигомицин В, структура I: 221
Олигосахариды, биосинтез I: 254, 272-276
Ололинкву II: 153
а-Оноцерин II: 51
Опадение листьев и цветков II: 214, 245, 250,
253, 259
л-Орбитали I: 126
Орнитин I: 129, 134, 136
Орнитин-карбамоит—трансфераза I: 374
Оротидиловая кислота II: 12, 13
Оротовая кислота II: 13
Орхинол II: 202
Осаджин II: 187
Осмофорин I: 226
Остол II: 44
Офиоболан II: 48
Офиоболин А II: 43
Пальмидин А II: 175
Пальмитиновая кислота I: 300, 307, 314, 320, 338
Пальмитоил /стеароил/-АПБ : СоА—трансацетилаза I: 322
Папавериновые алкалоиды II: 124
Паракват I: 145
Парамин I: 288
Парасобовая кислота И: 266
Партенокарпия II: 231-232
Пахинема I: 44, 45
Пачулевый спирт II: 48
Пачулипиридин II: 161
Пеганин II: 159
Педицинин II: 187
Пейоксиловая кислота II: 140
Пейорувиковая кислота II: 140
Пектиназа II: 214
Пектиновые вещества I: 289-291
Пектины I: 78, 81, 83, 95
Пеларгонидин II: 179, 181, 186
Пентасахар, биосинтез I: 275-276
Пентозофосфат и цикл Кальвина I: 153
Пентозофосфатный окислительный путь (гексозомонофосфатный шунт) I: 246-248
-----схема I: 247
Пептидная цепь, элонгация II: 34-35
Пептидные гормоны II: 203
Первичная стенка I: 27, 28, 72, 90-92
Первичные поровые поля I: 92
Перенос электронов межмолекулярный I: 130
Переносчики водорода I: 186, 217
- обменные I: 221
- электронов I: 186, 187, 217. См. также Элек­
троны, перенос
Переходные пузырьки I: 36
Периядерное пространство I: 39
Пероксисомы I: 29, 59, 243, 363
- выделение I: 67
Песталотин II: 264
Петунозид II: 183
Печеночник I: 51
Пигментация II: 185
Пигментно-белковые комплексы I: 120
Пигменты I: 122-135
- антихлорные II: 187
- вспомогательные (сопутствующие) I: 118
- каротиноидные II: 58
- фотосинтетические I: 110, 113-115, 118-122
- у бактерий I: 111
- хлоропластные I: 387
- Р700 I: 122, 137, 142
- Р68о I: 122, 142
- Р69о I: 122
Пиерицидин А I: 190-191, 224
Пинен II: 45
Пинорезинол II: 170, 197
Пиносильвин II: 178
Д'-Пиперидеин II: 135
Пиперидины II: 122, 134
Пиперитенон II: 73
Пиридин(ы) II: 123, 133
Пиридоксальфосфат II: 107
Пиримидиновые нуклеотиды II: 12
Пиримидиновые основания I: 5, 11-14
Пировиноградная кислота I: 163, 165, 223; II:
102
Пирролидин(ы) II: 122, 129-130
Пирролизидины II: 123, 132-133
Пируват-дегидрогеназа I: 200
Пируват-дегидрогеназный комплекс I: 231, 232,
235
Пируват-декарбоксилаза II: 212
Пируваткиназа в гликолизе I: 227, 256
Пируват, ортофосфат-дикиназа I: 163
Плазмалемма (плазматическая мембрана) I: 27,
28, 30, 33, 94
- выделение I: 67
Плазматическая мембрана см. Плазмалемма
Плазмодесмы I: 29, 92
Пластиды I: 50, 57, 58
Пластоглобулы I: 50, 53
Пластохинол-9 И: 101
Пластохинон I: 130; II: 63, 100-101, 167, 175
Пластохроманол II: 8
Пластоцианин I: 137
Платидесмин II: 158-159
Плектонемические цепи II: 15
Плюмбагин II: 176
Покой семян «врожденный» И: 252
Полигидроксиспирты см. Полиолы
Полидезоксирибоиуклеотидная цепь, структура
II: 15
Полиолы (пологидроксиспирты), образование I:
270
Полиплодия I: 39
Полипренолы I: 293; II: 61—
63, 100
Полирибонуклеотид II: 18
Полирибосомы (полисомы) II: 28, 31
Полисахариды, биосинтез I: 254, 276-296
- взаимопревращения I: 291
- запасные I: 277-278
- клеточной стенки I: 71-74, 95-96
- микрофибриллярные I: 74
- пектиновые I: 83
- растительной клетки I: 78
- структурные I: 288-2%
Политения I: 43, 44
Политерпены II: 43, 67
Полисома см. Полирибосома
Полиуроновые кислоты I: 82
Полифенолы, дубление ферментов II: 199
Поллинастерол II: 84
Порфириноген II: 106, ПО
Порфирины II: 106-112
Порфобилиноген II: 108
Порфобилиноген-дезаминаза II: 109
Порфобилиноген-синтаза II: 108
Потенциал средней точки I: 23
Правило Кана-И нгольда-П релога см. Ка­
на-И нгольда-П релога правило
Правило поворота И: 270-271
- последовательности II: 271, 275
- Чаргаффа см. Чаргаффа правило
Праймаза II: 21
Пратензеин II: 194
Преакуамицин II: 157
Прегнан, производные II: 164
Прегненолон II. 91, 92
Пренилтрансфераза II: 70
Прескваленпирофосфат II: 71
Пресквален-синтаза II: 7!
Префенат, превращение в тирозин I: 378
Префенат-мутаза I: 378
Префеновая кислота I: 97; II: 101
Префитоинпирофосфат II: 93
Примин II: 175
Прогестерон II: 91
Прокаротины II: 62
Проламеллярные тела I: 53, 56-57
Проламины I: 386
Проликопин И: 61
Пролин II: 373, 374
Промотор II: 23
Пропан II: 122
Пропионил-СоА, катаболизм I: 239
Пропластиды I: 50-53
Протоалкалоиды II: 121, 150-151, 156-157
Протоанемонин II: 266
Протогем, структура I: 204
Протоген II: 112
Протокатеховая кислота II: 171
Протолигнин I: 85
Протоно движущая сила I: 215
Протопласт I: 27
Протопорфирин IX II: 106, 109, 112, 114
Протопорфириноген IX II: 112
Протохлорофиллид И: 113-116
Протохлорофиллид-белковый комплекс II: 115
Протохлорофиллидголохром II: 115
Профаза мейоза I: 44, 45, 46
Профаза митоза I: 40, 41
Прохиральность II: 277
Процессинг посттрансляционный II: 24
Псевдоалкалоиды, природа, распространение II:
126, 160-165
Псевдоуридин II: II
Псилоцин II: 150-151
Псорален II: 172
Пузырьки переходные I: 36
Пулегон И: 73
Пункт перекреста I: 207, 210
Пункты запасания энергии I: 186
- фосфорилирования I: 208-212
Пуриновое кольцо II: 10
Пуриновые основания II: 5-11
Пурины, биосинтез II: 7
Пуромицин II: 6
С4-путь I: 159-168. См. также Фотосинтез
С4-типа
Разматывающиеся рулоны II: 38
Разобщающие агенты I: 218-219
Рамногалактуронан I: 289
a-L-Рамиопираноза I: 50
Растения автотрофные и гетеротрофные I: 10
- биохимические отличия от животных I: 8, 9
- высшие, пигменты I: 115
Растения С3 I: 52, 159, 245
Растения С4 I: 52, 160, 244. 245
Растяжение клеток, роль ауксина I: 213-216
- стебля, роль гиббереллинов II: 230
Рафиноза I: 275
Регуляторы роста II: 261
Редокс-системы см. Окислительно-восстанови­
тельные системы
Редуктаза СоА-производных жирных кислот I:
339
Редуктоизомераза гидроксикетокислот I: 364
Резвератрол II: 178
Резорцин I: 168
Ретикулин I: 144
Ретроградация амилозы I: 277
Ретронецин II: 123, 136
Ретрорсин II: 132
Рибийервин II: 58
Рибоза, строение I: 258
Рибозидмонофосфаты И: 7
Рибозиттрифосфаты II: 7
Рибозобисфосфат-изомераза I: 248
Рибозо-5-фосфат I: 153, 154; II: 8
Рибозо-5-фосфат-изомераза I: 265
Рибосомная РНК (рРНК) II: 17, 38
Рибосомные белки II: 27
Рибосомы I: 29, 38
- агрегация II: 28
- участки А и Р I: 31, 36
Рибулоза, строение I: 258
Рибулоза-1-бисфосфат I: 154, 156
- в цикле Кальвина, влияние света I: 157
Рибулозобисфосфат-карбоксидаза-оксигеназа I:
252
Рибулозобисфосфат-карбоксилаза I: 148-151,
170-174, 375; И: 40
- ингибиторы I: 151
Рибулозобисфосфат - карбоксилаза-оксигеназа I
150, 151, 242
Рибулозо-5-фосфат I: 153-156
Рибулозофосфат—3-эпимераза I: 264
Ризобитоксин II: 252
Рицин I: 294
Рицинолевая кислота I: 301
РНК гетерогенная ядерная (гяРНК) II: 26
- инициация синтеза II: 23
- информационная см. Информационная РНК
- образование на ДНК II: 24
- рибосомная см. Рибосомная РНК
- процессинг II: 38
- структура II: 17-18
- типы II: 17
т транспортная см. Транспортная РНК
Роданида (тиоцианаты) I: 262
Розмариновая кислота II: 174
Ротеноиды И: 189
Ротенон I: 190, 224; II: 192
Ротеноновая кислота II: 192
Рутакридон II: 125
Салициловая кислота II: 202
Салютаридин II: 144
Салютаридинол II: 144
Р-Сантален II: 47
Сапогенин II: 55, 99
Сахара, связанные с липидами, синтез полисаха­
ридов I: 292-296
Сахароза I: 252, 273, 275
- биосинтез I: 272-273
- в фотосинтезирующих клетках I: 175-178
- превращения в крахмал, схема I: 284
Сахарозо-синтаза I: 283-285
Свет, влияние на цикл Кальвина I: 158
- и энергия, взаимосвязь спектральных характе­
ристик I: 124
Световая фаза фотосинтеза см. Фотосинтез, све­
товая фаза
Светособирающая антенна I: 112, 120
Свободная энергия, изменение I: 12-13
Седамин II: 122
Седогепт-1,7-бисфосфат I: 153
Седогепт-7-фосфат I: 153
Секвитерпеновые алкалоида II: 161
Секокаротиноиды II: 62
Секологанин II: 155, 156
Секретин II: 203
Сера лабильная I: 200
Серебро, влияние на обмен этилена II: 259
Серин, пути образования I: 374-376
Серин-глиоксилат-аминотрансфераза I: 244
Серин—пальмитоилтрансфераза I: 345
Серотонин И: 150
- биосинтез II: 151
Серратен II: 88
Серратендиол И: 51
Сесквитерпеновые алкалоида, классификация
и источники II: 161
Сесквитерпеноидные алкалоида II: 126
Сесквитерпены II: 43-48, 71
- классификация II: 46
Сестертерпены II: 43, 48, 160
Сигма-фактор II: 23
Симазин I: 144, 145
Синаповая кислота II: 172, 265
Синаптонемный комплекс I: 44
Синглетные состояния I: 128-135
Синглетный кислород I: 133
Синтаза жирных кислот I: 317, 320-323
L-Сиренин II: 262
Сирингетин И: 186
Сирогем I: 360
те, sz-Система II: 277
Z, E-Система И: 278
Сквален II: 43, 71-75, 83, 90
Сквален-2,3-оксид II: 89
Сквален-эпоксидаза II: 75
Скиммианин И: 158, 159
Склерин II: 264
Скополамин II: 122
Скополетин II: 172
Смолы даммара и элеми И: 50-51
Созревание плодов, влияние этилена II: 259-260
Соланезол II: 62
Соланидин II: 163, 165
- производные II: 58
а-Соланин II: 164
Соласодин II: 126, 163
Соласонин II: 163
Спартеин II: 123
Сплайсинг II: 24
Спинулозин II: 175
Спирановые соединения II: 111
Спиросолан II: 163
Спонготимидин II: 11
Срединная пластинка I: 27, 28, 72, 90, 107
Стандартная свободная энергия гидролиза I: 14
Стандартный водородный потенциал I: 92
Старение, роль цитикининов II: 244-245
Стахидрин II: 122
Стахиоза I: 275
Старшинство лигандов II: 271-275
Стеариновая кислота I: 300
Стевиол II: 49
Стеммаденин II: 157
Стенка растительной клетки см. Клеточная
стенка
Стеркуловая кислота I: 301
Стероидные алкалоиды II: 58, 163-165
- гормоны И: 57, 58, 88-89, 204
Стероиды II: 53-58
Стеролы II: 36-37, 48, 53-55
Стеролы, биосинтез II: 75-83
- эфиры гликозидные II: 88
Стильбены II: 169, 178
Стратификация семян II: 231, 252
Стриктозидин II: 155
Стэкинг-эффект см. Межплоскостные взаимо­
действия
Суберин I: 89-90
Суберозин II: 172
Субклеточные структуры, выделение I: 65
Сукцинат, образование в глиоксалатном цикле
I: 333
Сукцинат-дегидрогеназа I: 185, 188, 191, 198, 234,
256
Сукцинилбензойная кислота II: 101, 102
Сукцинилдиаминопимелинат—аминотрансфераза I: 368
Сукцинилдиаминопимелинат—десукциназа
I:
368
Сульфолипиды I: 308-310
- биосинтез I: 347, 349
Сульфуретин II: 182
Сферосомы I: 29, 62, 67, 253, 320, 336
Сфинганин, производные I: 307
Сфингоэин, биосинтез I: 346
Сфингомиелины I: 307
- структура I: 308
Сфингофосфолипиды I: 305. 345-347
Таксифиллин I: 383
Таннин(ы) II: 170, 186, 198-200
- китайский II: 199
Тебаин II: 144
Теберсонин II: 157
Телофаза мейоза I: 45, 46
- митоза I: 40, 42, 45
Тельца Гольджи I: 36, 106
Темновая фаза фотосинтеза см. Фотосинтез,
темновая фаза
Теобромины II: 5
Тересанталол II: 45
Терминальная оксидаза I: 189. См. также Цитохромоксидаза
- цепь переноса электронов I: 183, 185-209, 234
выход энергии I: 183
------ ингибиторы I: 190
------ компоненты I: 185, 186, 191, 192-206
-------окисление NADH I: 223
------ при окислении жирных кислот I: 238
------ структурная организация I: 188-189
Терминация II: 41
Термогенез, роль цианидрезистентного дыхания
I: 226
Терпен(ы) II: 42-105
- биосинтез И: 65-70
- классификация II: 43
- природа и распространение II: 42-65
Терпеноидные алкалоиды, биосинтез II: 165. См
также Псевдоалкалоиды
- хиноны и хроманолы II: 100-102
Терпеноиды II: 42-105
- биосинтез II: 65-70, 104
- смешанные II: 44
- функции II: 104
Терпинен II: 70, 72
у-Терпинен-синтетазы II: 70
Тетракацидин II: 181
Тетрапирролы линейные, образование II: 118
Тетрасахариды, биосинтез I: 275-276
Тетратерпены II: 43, 58-61, 93-100, 160
Тиаминпирофосфат I: 152, 230
Тилакоид(ы) I: 51, 53, 138-142
- выделение I: 67
Тилофорин II: 123
Тимидилат-синтетаза II: 12
Тимин II: 11
Тимол II: 70
Тиоглюкозидаза I: 262
Тиоредоксин II: 11
- активация хлоропластов I: 157
Тиоредоксин-редуктаза II: 11
Тиоцианаты (роданиды) I: 262
Тирозин, биосинтез I: 377, 378
- дезаминирование I: 100
- образование алкалоидов II: 138-150
Токоферол(ы) И: 63, 100, 103
- образование II: 167
а-Токоферол И: 63, 101
Р-Токоферол И: 63, 101
у-Токоферол II: 63, 103
5-Токоферол И: 63, 101, 103
Токсофлавин I: 219
Томатидин II: 163
а-Томатидин II: 163, 164
Тонопласт I: 27-28, 35
Трансальдолаза I: 267
Трансаминирование I: 368
Транскетолаза I: 152, 266
Транскрипция II: 23-24
Транслоказа I: 221; II: 35
Транслокатор фосфата I: 179
Трансляция II: 28-29
Транспортная Р Н К (тРН К ) II: 17, 26, 27
Т регалоза, биосинтез I: 273-274
Треонин, биосинтез I: 370
- в биосинтезе аминокислот I: 365
Треонин-синтаза I: 371
Триазины I: 144
Триацилг лицеролы (триглицериды) I: 60-61, 301
- биосинтез в семенах I: 337
- катаболизм, стадии I: 236
- окисление I: 235-242
- простые и смешанные I: 301
- структурные варианты I: 303
Триглицериды см . Т риацилг лицеролы
Тримминг II: 24
Триозцды II: 183
Триозофосфат-изомераза I: 151, 265
Триплетное состояние хлорофилла I: 129, 130
134, 135
Триптамин II: 156, 174
Триптофан II: 210, 212
- биосинтез I: 377, 379; II: 156
- в образовании алкалоидов II: 150
Триптофан— ам инотра нефе раза II: 210
Триптофан-синтаза I: 380
Триптофол II: 212
Трисахариды, биосинтез I: 275-276
Триспорал В II: 262
Триспоровая кислота II: 262
Тритерпеновые алкалоиды, распространение II:
162
Тритерпеноиды II: 48
Тритерпены II: 43, 48, 71
- биосинтез II: 83
- пентациклические II: 86-88
Трихлорфеноксиуксусная кислота II: 215
Тропановые алкалоиды II: 130
Тропин II: 132
Троповая кислота II: 132
Тубулин I: 63, 64
Туйен И: 70, 72
Туйиловый спирт II: 45
Убихинол(ы) I: 189, 191, 202
Убихинол-цитохром-с— редуктаза I: 191, 201
Убихинон(ы) I: 185, 189-190, 202, 224-225; II: 63,
101, 175
- образование II: 167
Убихинин I: 201
Углеводороды I: 304
Углеводы, биосинтез I: 251-297
- из С О , I: 252-253
- глюконеогенез I: 253-257
- окисление I: 226-235
Углерод, фиксация I: 173-175
Улбеллиферон II: 172-175
Умбелиферон II: 266
У реидоянтарная кислота II: 13
У реоловая кислота II: 50
Уридиловая кислота II: 13
Уридии, модификация II: 27
Уридинмонофосфат II: 12, 13
Уроген I и II II: 108
Уропорфиноген I II: 109
Уропорфириноген II: 111, ИЗ
Уропорфириноген I-синтаза II: 109
Уропорфироген III, образование II: 108-109, 1|
Урсан II: 50
Уреоловая кислота II: 50
Урушиол И: 167
Устьица II: 251-252
Участки А и Р II: 31, 36
UDP-глюкоза—дегидрогеназа I: 269
UDP-глюкоза—пирофосфорилаза I: 284
UDP: D-глюкуронат—уридилилтрансфераза I
260
Фабианин II: 161
Фактор(ы) освобождения белка II: 35
- ро (р) II: 24
- узнавания II: 35
а-Фактор II: 262
Фарнезил II: 69
Фарнезилпирофосфат II: 65, 71, 93
Фарнезол II: 43, 248
Фенантриндолизидин II: 123
Фенилаланин I: 144
- в образовании алкалоидов II: 138
- дезаминирование I: 100
- образование I: 377
Фенилаланин—аммиак-лиаза II: 200, 201
Фенилкарбоновые кислоты II: 265
Фенилмочевина II: 235
Фенилпировиноградная кислота II: 101
Фенилпропаноиды II: 201
Фенилпропены II: 169
Фенилуксусная кислота II: 168, 172
Фенолы II: 167-202
- окислительное сочетание II: 128
- распространение и строение II: 167-171
- синтез II: 200-202
Ферменты гликолиза I: 227-231
- глиоксилатного цикла I: 335
- глюконеогенеза I: 255-257
- единицы активности II: 282
- и обмен UDP-сахаров I: 264
- клеточных стенок I: 87
- метаболизма крахмала и сахаров I: 178
- окисления жирных кислот I: 237-242
- при фотодыхании I: 242-245
- синтеза целлюлозы I: 289
- цикла трикарбоновых кислот I: 231-235
Фернен II: 90
Ферредоксин I: 136, 141, 359
- хлоропластов I: 137
- ЭПР-спектр I: 201
Ферредоксин-зависимая редуктаза I: 376
Ферредоксин-тиоредоксин—редуктаза I: 157
Ферредоксин: NADP—оксидоредуктаза I: 136
Феррицианид I: 144
Феррицитохром bs5g I: 139
/ I: 139
Феррохемлатаза II: 113
Ферроцитохром с I: 189
Феруловая кислота II: 172, 261
N-ферулоилтриптамин II: 174
Физетин II: 193
Физические константы II: 284
Фикобилин(ы) I: 113, 117, 118
Фикобилипротеины I: 113
Фикобилисомы I: 51, 118
Фикоцианин(ы) 1: 117, 119
Фикоцианобилин I: 117-118
Фикоэритрин(ы) I: 117, 119
Фикоэритробилин(ы) I: 117-118
Филлохиноны I: 63, 100, 101, 167, 175
Фитогликоген I: 285
Фитогормоны II: 203-267
- основные группы II: 204
Фитоен II: 249, 250
- спектры поглощения I: 127
Фитоин II: 43, 93-97
Фитол II: 49
Фитопланктон I: 300
Фитосфингозин I: 347
Фитотоксины II: 202
Фитофлуен, спектры поглощения I: 127
Фитохром II: 118, 119, 200
Флаван-3,4-диолы II: 193
Флавин в NADH-дегидрогеназе I: 223
Флавиннуклеотиды I: 197, 199
Флавоноиды II: 170, 179-183, 187
- агликоны, классификация II: 180
Флавонолы II: 180, 186, 187, 190, 202
Флавононы II: 181, 188, 190, 202
Флавоны II: 180, 186, 187, 190, 191
Флавопротеины I: 188-191, 223
- окислительно-восстановительный потенциал
I: 198-200
- перенос электронов I: 185-190, 196-200, 245
Флавопротеин^АОН-дигидролипоамид—окси­
доредуктаза I: 200
Флобафены II: 200
Флоретин II: 182
Флориген II: 205
Формальдегид, электронные переходы I: 126
Формононетин II: 189, 191-192, 194
Фосфатаза специфическая при фотодыхании I:
242
Фосфатидат-фосфатаза I: 336
Фосфатидатцитидилил-трансфераза I: 343
Фосфатидилинозитол(ы) I: 305, 306
Фосфатидилинозитол-синтаза I: 343
Фосфатидилсерин I: 306
Фосфатидилхолин I: 306, 344, 345, 353
- строение I: 31
Фосфатидилэтаноламин, метилирование I: 345
Фосфатидная кислота I: 306
2'-Фосфоаденозиндифосфатрибоза I: 144
3'-Фосфоаденозин-5'-фосфосульфат I: 350
Фосфогликолевая кислота I: 149
З-Фосфоглицерат—фосфатаза I: 375
Фосфоглицерат-фосфомутаза I: 227
З-Фосфоглицериновая кислота I: 149, 180
- в фотодыхании I: 243
цикле Кальвина I: 157
- при биосинтезе углеводов I: 253
- строение I: 151
3-фосфоглицериновый альдегид I: 151-153
Фосфоглюкокиназа I: 264
Фосфоглюкомутаза I: 263, 264
6-фосфоглюконолактоназа I: 248
Фосфоенолпируват I: 163, 166; И: 254
- в биосинтезе углеводов I: 253
Фосфоенолпируват-карбоксикиназа I: 165, 171,
225
Фосфоенолпируват-карбоксилаза I: 164, 169-174;
II: 254
Фосфолипаза D, физиологическая роль I: 353
Фосфолипиды I: 298, 304, 305
- биосинтез I: 341-347
Фосфоресценция возбужденных молекул I: 129
Фосфорибозилпирофосфат (ФРПФ) II: 8
Фосфорилаза в гликолизе I: 227
Фосфорилирование окислительное I:
183,
184-223, 226-242
- ингибиторы I: 219-221
- механизм I: 212
- разобщение I: 217-219
- схема I: 218
- сопряженное I: 208
Фосфофруктокиназа I: 227, 231, 256
5-Фосфошикимовая кислота I: 98, 99
Фотодыхание I: 242-245
Фотолитотрофные организмы I: 10
Фотон(ы) и перенос энергии I: 122, 133
Фотоорганотрофные организмы I: 10
Фотосинтез I: 9, 109-182
- образование фенолов, схема I: 167
- основные процессы I: 110
- промышленные продукты I: 110, 177
- световая фаза I: 111-113, 120
- темневая фаза I: 111, 158-159 146-181
механизм реакции I: 146-147
- улавливание световой энергии I: 110
- С3-типа I: 146
- С4-типа I: 146, 160-163, 167-168
Фотосинтезирующие организмы I: 111-112
Фотосинтетическая единица, мультицентральная
и уницентральная модели I: 131, 135
Фотосистемы I и II I: 112-113, 118-122, 131, 136,
141, 142. См. также Пигменты
Фототрофные бактерии I: 10
Фотофосфорилирование нециклическое 1: 136
- циклическое I: 141, 143
Фотохимические реакции I: 130, 132
Фрагменты Оказаки II: 21
Фрагмопластик I: 106
Фреты I: 53, 54
Фред-Висслинга частицы II: 63, 64
Фруктозаны I: 285-287
Фруктозобисфосфотаза I: 152, 256
Фруктозобисфосфат-альдолаза I: 152
Фруктозо-6-фосфат I: 152
D-Фруктокиназа I: 259
Фруктопираноза, строение I: 258
Фруктофураноза, строение I: 258
Фузикокцин II: 264
Фукоксантин I: 115, 116, 119
a-L-Фукопираноза I: 80
Фукосерратен II: 263
Фукостерол II: 81
Фумаровая кислота I: 233; II: 9, 10
Фурокумарин II: 172
6-(Фурфуриламино) пурин II: 234
FADH, генерирование при глюколизе I: 256
Fe-S-Белки см. Железосерные белки
Fe-S-Центры см. Железосерные центры
Халкон(ы) II: 182, 186-191
Халкононарингенин II: 193
Халкон-флавон—изомераза II: 189
Халконэпоксид II: 189
Ханоклавин II: 153-154
Харогиноиды II: 186
Хаульмурговая кислота I: 301
Хемиосмотическая гипотеза I: 139, 213, 215-218
- теория II: 209-210
Хемоавтотрофные бактерии I: 10
Херцимин II: 160
Химафилин II: 176
Хиназолины II: 124, 159-160
Хинин II: 124, 158
Хинная кислота II: 174
Хинолизидин II: 123, 135-138
Хинолин II 124, 159
Хинолиновые алкалоиды II: 157, 159
Хиноны И: 167, 175
- терпеноидные И: 100-102
Хиральный центр, обозначения И: 269-270
Хирзутин И: 183
Хитин I: 77, 79
Хлорин I: 204
Хлорогеновая кислота II: 174, 265
Хлоропласта I: 27, 28, 50, 51, 57
- АТР I: 179, 180
- белки, синтез II: 31
- выделение 0 2 I: 140
- геном II: 36-41
- ДНК, биосинтез и репликация I: 55; II: 36-38
- жирные кислоты I: 301
- запасание крахмала I: 227
- ламеллы см. Ламеллы хлоропластов
- липиды I: 305, 307
- мезофилла и клеток обкладки сосудистого
пучка I: 166
- мембраны I: 54
- метод выделения I: 67, 68
- перенос электронов I: 141
- пигмента I: 387; II: 58
- пластохинон I: 139
- рибосомы I: 55; II: 38
- РНК И: 38-41
- фермента гликолиза I: 227
- ферредоксин I: 137
- фиксация СО2 I: 161-162
- фотодыхание I: 243, 363
- хлорофилл а, синтез II: 117-118
- хромосомы I: 55
- электронная микрофотография I: 52
- эндоплаз магический ретику лум I: 51
Хлоросульфолипиды I: 309, 350, 351
Хлорофиллид II: 116
Хлорофилл(ы) I: 110-114; II: 106-120
- бактериальный см. Бактериохлорофилл
- биосинтез II: 113-115
- в листьях, содержание II: 106
- возбужденное состояние I: 112
- образование I: 55; II: 113, 237
- синглетное состояние см. Синглетное состоя­
ние
- спектры поглощения II: 118
- трип летное состояние см. Триплетное состоя­
ние
- а I: 118-121, 133; II: 106, 115
- специальная пара I: 123
- Ь, спектры поглощения I: 118-121
- с, I: 118, 121
- chlorobium I: 111
- d I: 118
Хлорофилламин II: 126
Холестен И: 163
Холестерол II: 81, 84, 91, 93, 94
Холин, образование I: 353
Хоноклавин I II: 153
Хоризмат I: 376, 377; II: 100, 104
Хоризмат-мутаза I: 378, 381
Хризоламинарин I: 288
Хроманолы II: 63, 100-102, 167
Хроматин I: 40; II: 16
Хромоны II: 169
Хромопротеин I: ИЗ, 387; II: 118
Хромосомы I: 39
- гомеологичные I: 47
Цеанетовая кислота II: 51
Цезальпинии II: 200
Целлобиоза I: 75-76, 273, 274
Целлюлоза I: 74-76; II: 214
- биосинтез I: 289
Центромера I: 41
Церамиды I: 311, 346
Цереброзиды I: 310, 311
Цианидин II: 179, 183-186
Цианидрезистентное дыхание I: 224-226
Цианин II: 183
Р-Цианоаланин—синтаза I: 385
Цианобактерии I: 327
Цикл восстановительный углерода I: 156
- Кребса см. ЦТК
- лимонной кислота см. ЦТК
- трикарбоновых кислот см. ЦТК
Циклический перенос электронов см. Элек­
троны, перенос циклический
Циклоартан II: 48, 53
Циклоартанол II: 84
Циклоартен II: 50
Циклоартенол II: 50, 53, 75-77, 82-84, 162-165
Циклолауденол II: 54, 81, 82
Циклобуксин II: 165
Цикловиробуксин II: 165
Циклогексановые карбоновые кислоты II: 174
Циклопротобуксин II: 51
- А П : 162, 163
Циклоэвкаленол II: 82, 83
л-Цимен II: 70
Циннамоил-CoA-NADPH—оксидоредуктаза I:
101
Цинхонин, биосинтез II: 158
Цистатионин—Р-лигаза I: 371
Цистеин, биосинтез I: 375
Цистеин-синтаза I: 376
Цитидинтрифосфат (СТР), образование II: 12
Цитозин П: 11
Цитозоль I: 27, 28
Цитокинины П: 204, 234-245
- биосинтез 240-242
- биотесты II: 236-240
- биохимическое действие II: 244—245
- в корончатых галлах II: 237
- тРНК II: 236, 241, 244
- влияние на прорастание семян II: 253
- и опадение листьев II: 245
- строение II: 244-245
- конъюгация и разрушение II: 241, 242
- метаболиты, формулы II: 235
- открытие и характеристика II: 234
- передвижение в растении II: 240
- структура II: 238-239
- у бактерий и насекомых II: 240
- физиологический эффект II: 24
Цитоплазма I: 27, 28
- при фотодыхании I: 363
Цитохромоксидаза I: 189
- компоненты I: 205-206
Цитохромы в терминальной цепи переноса
электронов I: 201-206
- полосы поглощения I: 203
- a-типа I: 203
- аз
-
Ь-типа I: 191, 205
Ь,з7 I: 191, 205, 224
Ь559 I: 139, 143
Ь560 I: 191, 205
Ь5бз I: 143
с I: 205, 208
с-типа I: 205
с547 I: 191, 205
с549 I: 205, 224
- d I: 203
- Е0 I: 205
- / 1: 137-139
- Р-450 I: 245, 246
Цитрат-синтаза I: 235
p-Цитраурин II: 62
Цитруллин I: 374
Цихориин II: 173
ЦТК, механизм I: 231-235
—схема I: 233
—ферменты I: 49
CDP-диацилглицерол, образование I: 343
СТР-синтаза И: 12
Чаргаффа правило II: 16
Челночные механизмы I: 144, 178, 188, 223, 328,
329
Чикл II: 63, 65
Шикимовая кислота I: 97; II: 101
— биосинтез из глюкозы I: 97, 98
— образование ализарина II: 177
-----аминокислот I: 376-378
-----бензохинон II: 175
-----фенолов II: 167
Щавелевоуксусная кислота I: 165, 166, 180,
232-235, 254
— в фотосинтезе I: 162
— при глюконеогенезе I: 255
Эводиамин II: 160
Эйкозеновая кислота I: 300
Экдизоны II: 58, 91-94
Экдистероиды II: 51
Экзергоническая реакция I: 12
Экзоны II: 26
Экстенсии II: 36
Эктокарпен II: 262
Электродвижущая сила I: 22
Электронные переходы, типы I: 126
Электроны, перенос I: 141
— в микросомах I: 245
-----митохондриях I: 49
-----тилакоидах I: 138
— ингибиторы I: 192
— нециклический I: 135, 136, 141
— от Р700 к NADP I: 136
— при фотосинтезе I: 141-144
— промежуточная цепь I: 137-140
— сопряженный с фосфорилированием I: 208
— терминальная цепь см. Терминальная цепь
переноса электронов
— устойчивость к цианиду см. Циан идрези­
стентное дыхание
— циклический I: 141-144
—переносчики I: 200
Элеми (смола) II: 51
Элемол II: 46
Эллаговая кислота как артефакт II: 199
Эллаготанины II: 199
Элонгация II: 41
Эмодин II: 169, 175, 177
Энантиомеры II: 217
Эндергоническая реакция I: 12
Эндомембраны I: 37, 38
Эндомитотические циклы I: 43
Эндоплазматический ретикулум I: 27, 28
— биосинтез белков I: 104-106
— выделение I: 67
- гладкий и шероховатый I: 34, 38
- при пролиферации II: 233
- связывание этилена II: 261
Эндополиплодия I: 43, 44
Эндосперм, сферосомы I: 253
Эпикатехин II: 180
Эпикутикулярный воск I: 89-90
Эпимеризация моносахаридов I: 264
Эпимеразы, изомеризация UDP-сахаров I: 264
Эпипинорезинол II: 197
Эпоксиды II: 62
ЭПР-спектры I: 198
Энергия активации I: 15, 20-21
- запасание при переносе электронов I: 185
Энтальпия I: 20
Энтропия I: 20
Эрголиновые алкалоиды II: 125, 152-154
Эрготамин, биосинтез II: 153
Эрготионен II: 125, 160
Эремофилон II: 47
Эритрозо-4-фосфат I: 152-153
Эруковая кислота I: 300
Эскулетин II: 172-173
Этан, электронные переходы I: 126
Этилен (фитогормон) I: 204, 255-261
- биосинтез II: 256-259
- биохимическое действие II: 261
- влияние на синтез ас-амилазы II: 233
- и геотропизм корня II: 214
- катаболизм II: 259
- обмен II: 259
- передвижение по растению II: 256-259
- свойства и открытие II: 255-256
- физиологическое действие II: 259
Этиолированные проростки, зеленение
115-117
Этиопласты I: 50, 55, 67
Эугенин И: 169, 173
а-Эудесмол II: 46
Эумеланины II: 200
Эусидерин II: 170, 197
5а-Эуфан II: 50
Эуфол II: 50
Эфирные масла II: 44
Эхимидин II: 137
Эхимидиновая кислота II: 133
Эхинеон I: 115-116
Юглон И: 169, 175
Юзуримин II: 162
Яблоньского схема I: 129
Яблочная кислота I: 233, 235
- в фотосинтезе I: 162-165
«Яблочный» фермент I: 170, 200, 257
Ядерная мембрана I: 27, 28, 39
Ядра, выделение I: 67, 68
Ядро I: 27, 28, 39
Ядрышко I: 47
Ядрышковый организатор I: 47
Янтарная кислота I: 233, 234
Яровизация, влияние гиббереллинов II: 231
Замеченные опечатки в рисунках
Стр.
Рис.
Напечатано
Следует читать
5
20.2
66
67
11.2
11.3
(Енольная или лактам- (Енольная, или лактимная
ная форма)
форма)
ИПП
ИПФ
ДМАПП
ДМАПФ
ИПП
ИПФ
ФПП
ФПФ
Оглавление
................................
A. Введение
Б. Пуриновые основания . . .
I.
Природа и распростра­
нение . . . ,..................
1. О снования..................
2. Нуклеозиды . . . .
3. Нуклеотиды . . . .
II.
Б и оси нтез.......................
1. Рибозидмонофосфаты
2. Рибозидтрифосфаты
3. Дезоксирибонуклеот и д ы ............................
B. Пиримидиновые
основания
I.
Природа и распростра­
нение ................................
1. Основания..................
2. Нуклеозиды . . . .
II. Б и о си н тез.......................
Г. ДНК и Р Н К ............................
I.
В в е д е н и е .......................
II. Структура ДНК . . .
1. Ядерная ДНК . . .
2. Митохондриальная
Д Н К ............................
3. Хлоропластная ДНК
III. Структура РНК . . . .
IV. Репликация ДНК . . .
1. Инициация и направ­
ление репликации . .
2. Механизм репликации
V.
Транскрипция
. . . .
VI. Посттрансляционный
процессинг.......................
VII. Информационная
РНК
VIII. Транспортные РНК
( т Р Н К ) ............................
IX. Рибосомная РНК (рРНК)
Д. Синтез б е л к а ............................
I.
Т р а н с л я ц и я ..................
II. Спаривание кодонов и
антикодонов ..................
III. Активация аминокислот
IV. Основные реакции син­
теза белков ..................
V.
Инициация синтеза белка
VI. Элонгация пептидной
цепи .. ............................
VII. Терминация синтеза
белка . . •. . . . . .
VIII. Посттрансляционная
модификация белков . .
IX. Геном хлоропласта . .
1. Кодирующая емкость
5
5
5
5
5
е.
о
6
7
7
7/
11
11
11
11
11
12
14
14
14
16
17
17
17
18
19
21
23
24
24
26
26
28
28
29
29
29
31
34
35
35
36
36
2. Биосинтез хлоропласт­
ной Д Н К ..................
3. Рибосомы хлоро­
пластов .......................
4. Хлоропластная рРНК
5. Хлоропластная мРНК
6. Хлоропластные тРНК
и аминоацил-тРНК си н тетазы ..................
7. Инициация, элонгация,
терминация . . . .
8. Продукты хлоропластного генома . . . .
Ф ерм ен ты ................................
Глава 11. Терпены и терпеноиды . . .
А. Введение
................................
Б. Природа и распространение
I.
В в е д е н и е .......................
И.
Гемитерпены..................
III. Монотерпены..................
IV. Сесквитерпены . . . .
V. Дитерпены.......................
VI. Сестертерпены . . . .
VII. Тритерпены и тритерпеноиды...........................
VIII. С тер о и д ы .......................
1. Стеролы
..................
2. Сапогенины . . . .
3. Сердечные гликозиды
4. Стероидные гормоны
5. Экдистероиды . . .
6. Стероидные алкало­
иды ...........................
IX. Тетратерпены-каротин о и д ы ...........................
X.
Полипренолы
. . . .
XI. Каучук, гутта и чикл . .
1. К а у ч у к .......................
2. Г у т т а ...........................
3. Ч и к л ...........................
В. Б и о си н тез................................
I.
Основные реакции . . .
II. Гемитерпены..................
III. Монотерпены..................
IV. Сесквитерпены . . . .
V. Дитерпены.......................
VI. Т р и тер п ен ы ..................
1. Основные реакции образование сквалена
2. Образование стеролов
3. Некоторые соображе­
ния о стереохимии и
механизме процесса
биосинтеза..................
36
38
38
39
40
41
41
41
42
42
42
42
42
44
44
48
48
48
53
53
55
55
57
57
58
58
61
63
63
65
65
65
65
70
70
71
71
71
71
75
83
4. Пентациклические
тритерпены . . . .
5. Гликозиды и эфиры
стеролов ..................
6. Стероидные гормоны
7. Карденолиды . . . .
8. Сапогенины . . . .
9. Э к д и зо н ы ..................
10. Стероидные алкалоиды
VII. Тетратерпены - кароти­
ноиды ...........................
1. Образование фитоина
2. Десатурация фитоина
3. Циклизация . . . .
4. Образование ксанто­
филлов .......................
VIII. Полипренолы
. . .
IX. Терпеноидные. хиноны и
хроманолы .......................
X. Каучук ...........................
XI. Локализация синтеза . .
Г. Функции ....................................
Ф ер м ен ты ................................
100
103
104
104
105
Глава 12. Хлорофиллы и гемы . . . .
106
A. Введение....................................
Б. Биосинтез порфиринов . . .
I.
Образование 5-аминолевулиновой кислоты . .
II. Образование порфобилиногена.......................
III. Образование уропорфириногена III . . .
.
IV. Образование протопорфирина IX .......................
B. Образование металлопорфирин о в ....................................
I.
Железосодержащие порфирины ............................
II. Магнийсодержащие порф и р и н ы .................. .
Г.Биосинтез хлорофиллов . . .
I.
Образование прото­
хлорофиллида . . . .
II. Превращение прото­
хлорофиллида в хлоро­
филл ................................
Д. Зеленение этиолированных
проростков . . . . .
Е.Синтез хлорофилла в темноте
Ж.Регуляция синтеза хлорофилла
З.Хлорофилл b ...........................
И.Незамкнутые (линейные) тетрапирролы ..................
I.
Ф и тохром .......................
Ф ер м ен ты ................................
106
106
Глава 13. Алкалоиды................................
А. Введение ................................
Б. Распределение и локализация
86
88
88
91
91
91
93
93
93
96
96
98
100
106
108
108
109
112
112
113
113
из
113
115
117
117
118
118
118
120
121
121
истинных и протоалкало­
идов ................................
В. Биосинтез истинных и протоалкалоидов ..................
1
Общие аспекты . . . .
1. Окислительное сочета­
ние фенолов . . . .
2. Реакция Манниха . .
3. Образование шиф­
фовых оснований . .
П. Алкалоиды, происходя­
щие из L-орнитина . . .
1. Простые пирролидины
2. Тропановые алкало­
иды ...........................
3. Пирролизидины . . .
III. Алкалоиды, происходя­
щие из L-аспартата через
стадию никотиновой кис1. Пиридины ..................
2. Изохинуклидины . .
IV. Алкалоиды, происходя­
щие из L-лизина . . .
1. Пиперидины . . . .
2. Хинолизидины . . .
V. Алкалоиды, происходя­
щие из L-фенилаланина
VI. Алкалоиды, происходя­
щие из L-тирозина . .
1. Изохинолины
. . .
2. Бензилизохинолины
3. Беталаины . . . , .
VII. Алкалоиды, происходя­
щие из L-триптофана
1. Простые
основания
2. Простые (З-карболины
3. Эрголиновые алкало­
иды ...........................
4. Сложные индольные
алкалоиды ..................
VIII. Алкалоиды, происходя­
щие из антраниловой
кислоты ...........................
1. Протоалкалоиды . .
2. Х инолины ..................
3. Хиназолины . . . .
IX. Алкалоиды, происходя­
щие из L-гистидина . .
Г. Изопреноидные алкалоиды
(псевдоалкалоиды) . . .
I.
Общие аспекты . . . .
II. Природа и распростра­
нение ................................
1. Монотерпено вые алка­
лоиды .......................
2. Секвитерпеновые алка­
лоиды .......................
3. Дитерпеноидные алка­
лоиды .......................
121
125
125
128
128
128
129
129
130
132
133
133
133
134
134
135
138
138
138
141
147
150
150
152
152
154
155
156
157
159
160
160
160
160
160
161
161
4. Тритерпеновые алка­
лоиды ....................... 162
5. Стероидные алкало­
иды ............................163
III. Б и о си н тез....................... 165
1. Общие аспекты . . .
165
2. Тритерпеноидные
алкалоиды .................. 165
3. Стероидные алкало­
иды ............................165
Д. Биологические функции . . .
165
Ф ер м ен ты ................................ ....166
Глава 14. Растительные фенолы . . . .
167
....................... ............. 167
A. Введение
Б. Ф е н о л ы ......................................... 167
I.
Строение и распростра­
нение ................................ 167
II.
Б и о си н тез....................... 168
B. Фенольные кислоты . . . .
168
I.
Природа и распростра­
нение ................................ .... 168
II. Б и о си н тез....................... .... 171
Г. Фенил уксусные кислоты . . .
172
Гидроксикоричные кислоты,
фенилпропены, кумарины
и хромоны.......................
172
I.
Природа и распростра­
нение ................................
172
II.
174
Биосинтез .......................
Х и н о н ы .....................................
175
I.
Природа и распростране­
ние .....................................
175
II.
Биосинтез .......................
175
177
Ксантоны ................................
I.
Природа и распростране­
177
ние .....................................
178
Биосинтез .......................
II.
178
Стильбены ................................
I.
Природа и распростране­
178
ние .....................................
178
II.
Биосинтез .......................
179
Флавоноиды ............................
179
I.
Природа
.......................
II. Флавоноиды и окраска
179
растений
.......................
1. Антоцианидины . . . 179
2. Флавонолы и флавоны
186
3. Халконы и ауроны
187
187
III. Биосинтез .......................
1. Первые стадии . . . 187
188
2. Дигидрофлавонолы
188
3. Флавоны и флавонолы
189
4. Изофлавон..................
5. Антоцианидины . . . 190
193
6. Ауроны
..................
7. Катехины и флаван193
3,4-диолы . . . . .
8. Вторичные модифика­
193
ции
............................
К. Лигнаны и неолигнаны . . .
196
I.
Природа и распростране­
ние .................................... .....196
II. Б и оси нтез.......................197
Л. Бифлавоноиды . . . . . .
198
М. Таннины.................................... .....198
I.
С т р о е н и е ....................... 198
1. Гидролизуемые тани­
ны ................................199
2. Конденсированные
танины .......................
200
II. Распространение . . . 200
III. Биосинтез.......................
200
Н. М еланины ................................
200
О. Регуляция синтеза фенолов . . 200
П. Функции ф ен ол ов..................
202
I.
Биохимические функции 202
II. Экологические функции 202
202
Ф ерм ен ты ................................
Глава 15. Фнтогормоны и родственные
соединения , , .......................
А. Введение ...........................
Б. Ауксины . . . 7 ! .
. .
I.
Открытие и характерис­
тика ................................
II. Движение ауксина в рас­
тении ................................
1. Латеральный тран­
спорт ...........................
2. Движение ауксина в
стебле и корне в про­
дольном направлении
3. Механизм полярного
транспорта ауксинов
Метаболизм ауксина
III.
1. Биосинтез ауксина
2. Катаболизм ауксина
3. Другие метаболиты
ауксинов ..................
IV. Физиологическое дей­
ствие ауксинов . . . .
Биохимические аспекты
V.
механизма действия ау­
ксина ................................
В. Гиббереллины . . . . . .
Открытие и характерис­
I.
тика ................................
Метаболизм гибберел­
II.
линов ................................
1. Биосинтез гибберел­
линов
.......................
2. Инактивация гиббе­
реллинов ..................
III. Передвижение гибберел­
линов в растениях . . .
IV. Физиологическое дей­
ствие гиббереллинов . .
Биохимический механизм
V.
действия гиббереллинов
203
203
205
205
207
207
208
209
210
210
212
213
213
215
216
216
223
223
229
229
230
232
312
Оглавление
Г. Ц и т о к и н и н ы ..............................234
I.
Открытие и характерис­
тика ...................................234
II.
Биотесты и распределе­
ние цитокининов . . .
236
III. Передвижение цитокини­
нов в растении . . . .
240
IV. Метаболизм цитокини­
нов ....................................... 240
1. Биосинтез цитокини­
нов . . ......................... 240
2. Конъюгация и разру­
шение
цитокининов
241
V.
Физиологический эффект
ц и т о к и н и н о в ....................243
VI. Биохимические аспекты
механизма действия
цитокининов . . . . . 244
Д. Абсцизовая кислота . . . .
245
I.
Обнаружение и характе­
ристика . . . .
. . .
245
II.
Измерение количества и
распределение АБК . .
246
III. Передвижение АБК в
р а с т е н и и .........................246
IV. Метаболизм АБК . . . 247
1. Биосинтез АБК . . . 247
2. Конъюгация и после­
дующий метаболизм
АБК . . . . . . .
250
V.
Физиологическое дейст­
вие А Б К ..............................250
1. АБК и геотропизм в
корнях . . . . . .
250
2. АБК и закрывание
устьиц . . . . . . 251
3. АБК и покой почек
252
4. АБК и покой семян
252
5. АБК и опадение . . . 253
6. Другие эффекты абсцизовой кислоты . .
253
VI. Биохимические аспекты
механизмов действия
А Б К ...................................253
Е. Э т и л е н ........................
255
I.
Свойства фитогормона и
его о т к р ы т и е ....................255
II.
Образование этилена
т к а н я м и ..................... . .
256
III. Передвижение этилена
по р а с т е н и ю ....................256
IV. Метаболизм этилена . .
256
1. Биосинтез этилена . . 256
2. Катаболизм
этилена
259
V.
Физиологическое дейст­
вие э т и л е н а ....................259
VI. Биохимический меха­
низм действия этилена
261
Ж. Другие регуляторы роста . .
261
Ферменты ................................... 268
Приложение 1. Обозначение абсолютной
конфигурации хиральных центров по сис­
теме К ан а-И н гольда-П рело!а . . . .
I.
II.
III.
269
Правило поворота . . .
270
Правило последователь­
ности . ......................... .....
271
Особые случаи, возника­
ющие при использовании
правила последователь­
ности ....................................275
1. Взаимосвязь с меха­
низмом реакции . . .
275
2. Невозможность уста­
новления химического
или биогенетического
сходства серии соеди­
нений .............................. 276
3. Идентификация сто­
рон двойной связиге, si-система . . . .
277
4. Прохиральностъ . . .
277
5. Конфигурация вокруг
двойной связи-S , Ес и с т е м а ......................... 278
Приложение 2. Елиницы измерения н раз­
мерности ............................................................ 279
I.
Единицы измерения в
системе С И -общ ая кар­
тина . . . . . . . .
279
II.
Производные единицы
измерения по системе
СИ, основанные на дли­
не, времени и массе . .
279
III. Дополнительные едини­
цы измерения в системе
СИ
......................... .... .
281
IV. Количество вещества . .
281
V.
Концентрация растворов
281
VI. Единицы ферментатив­
ной активности . . . .
282
VII. Электрические единицы
системы С И .................... 282
VIII. Световые единицы в сис­
теме С И ......................... 283
IX. Единицы измерения тем­
пературы ......................... 283
X.
Единицы радиоактив­
ности .................... . . .
283
XI. Изотопы, используемые
в биохимии в опытах с
мечеными атомами . .
284
XII. Величины некоторых ос­
новных физических кон­
стант ................................... 284
Указатель латинских названий . . . .
286
Предметный у к а за т ел ь .............................. 291
снэ
#
осоон
ОН
J
,
ИПФ
Г
г 4!
L
JL
qL
5
Н
Антранилодая
кислота
Н
4 -гидрокси - 3 - пренил / - %инолон
4 - zudponcu-zлинолон
н2о
г
Н
1 / n U U tfLrrU
Платидесмин
4 - мвтокси
- J - пренил 2-%инолон
>Lc,<-фрагмент
2‘0 H ’;2‘CH3’
Диктамнин
Скиммианин
Рис. 13.26. Образование хинолиновых алкалои­
дов из антраниловой кислоты, ацетата и изпентенилпирофосфата (ИПФ). • метка из карбоксиль­
ного углеродного атома антраниловой кислоты;
О метка из карбоксильного атома ацетата;
А метка из атома С-1 ИПФ, соответствующего
атому С-5 мевалоновой кислоты; А метка из ато­
ма С-2 ИПФ, соответствующего атому С-4 мева­
лоновой кислоты.
алкалоиды ограничиваются только расте­
ниями Rutaceae).
Биосинтетические исследования концен­
трировались в основном на пеганине. Антраниловая кислота целиком включается
в пеганин у A. vasica, тогда как атомы С-1,
3. Хиназолины
ОН
Различают три главных типа хиназолиновых алкалоидов: 1) простые производные
хиназол-4-она, такие как гликорин (13.23) из
Glycosmis arborеа; 2) пирролидинохиназолины, такие как пеганин (13.24) из Adhatoda
vasica; 3) Р-карболинхиназолоны, такие как
эводиамин (13.25) из Evodia rutaecarpa (эти
9
(13.24)
о
СНз
(13.23)
(13.25)