УМКД М3.В.2 Избранные главы биохимии растений (лекции)

Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Авторы
Голованова Тамара Ивановна
Иванова Анна Николаевна
Избранные главы биохимии растений
конспект лекций
Красноярск
2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………………….
Раздел 1. Биохимия растений как наука…………………………….
Лекция 1. Биохимия растений как наука
1.1. Предмет, цели и задачи курса. Место биохимии в системе
биологических наук
1.2. Особенности растительного организма.
1.3. История становления биохимии как науки.
1.4. Методы исследования.
Лекция 2. Метаболизм
2.1. Метаболизм и его регуляция.
2.2. Типы метаболических путей.
2.3. Катаболические пути.
2.4. Анаболические пути.
2.5. Центральные пути обмена.
2.6. Соотношение катаболизма и анаболизма.
2. 7. Анаплеротический путь.
Раздел 2. Углеводы
Лекция 3.Взаимопревращения углеводов в растительной клетке
3.1. Киназные реакции.
3.2. Мутазные реакции.
3.3. Изомеразные реакции.
3.4. Эпимеразные реакции.
3.5. Альдолазные реакции.
3.6. Транскетолазные реакции.
3.7. Декарбоксилирование.
3.8. Нуклеотидные производные сахаров.
Лекция 4. Восстановительный пентозофосфатный цикл
4.1. Карбоксилирование.
4.2. Восстановление
4.3. Регенерация.
4.4. Основные характеристики карбоксилирования.
Лекция 5. Фотодыхание
5.1. Понятие фотодыхания.
5.2. История открытия цикла.
5.3. Химизм фотодыхания.
5.4. Особенности гликолатного цикла.
5.5. Регуляция фотодыхания.
5.6. Физиологическая роль фотодыхания.
Лекция 6. С4-тип фотосинтеза
6.1. История открытия С4-пути фотосинтеза.
6.2. С4-метаболизм у растений НАДФ-малатдегидрогеназного типа.
6.3. С4-метаболизм у растений НАД-малатдегидрогеназного типа.
6.4. С4-метаболизм у растений ФЭП-карбоксилазного типа.
6.5. Разнообразие С4-метаболизма.
Лекция 7. Метаболизм по типу толстянковых.
7.1. Общие представления о САМ-метаболизме.
7.2. Фиксация СО2 .
7.3. Реакции, происходящие на свету.
7.4. Энергетические затраты при САМ метаболизме.
7.5. Особенности САМ-растений.
Лекция 8. Окислительный пентозофосфатный путь
8.1. Из истории открытия цикла.
8.2. Две фазы пентозофосфатного пути окисления глюкозы.
8.3.Фаза 1 - первый окислительный этап пентозофосфатного пути.
8.4. Фаза 2 - неокислительный этап.
8.5. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления
глюкозы.
8.6. Функции окислительного пентозофосфатного пути.
Введение
Биохимия изучает химический состав организмов и химические
превращения, происходящие в процессе их жизнедеятельности.
В зависимости от объекта изучения различают биохимию растений,
биохимию животных биохимию микроорганизмов.
Избранные главы биохимии растений является частью биологической
науки,
изучающей
активность
обменных
процессов
растительных
организмов.
Предметом изучения курса являются пути биосинтеза и использования
этих
компонентов
жизнедеятельности,
у
растительных
механизмы
регуляции
организмов
в
процессе
метаболических
процессов,
особенности метаболизма С3- и С4-растений, основное биохимическое
различие между растениями и животными.
Курс
«Избранные
главы
растений»
дает
представление
об
особенностях растительного организма и метаболических процессов,
протекающих в растении. Для изучения данной дисциплины необходимы
знания ботаники, химии, цитологии, физиологии растений, молекулярной
биологии, генетики, экологии, биотехнологии, растениеводства, агрохимии.
Целью дисциплины «Избранные главы биохимии растений» является
формирование у студентов представлений об особенностях метаболических
процессов, протекающих в растительных организмах, относящихся к
различным экологическим группам, о механизмах и путях регуляции
обменных процессов у растений.
Раздел 1
Биохимия растений как наука
Лекция 1
Биохимия растений как наука
План лекции
1.
Предмет, цели и задачи курса. Место биохимии в системе
биологических наук.
2. Особенности растительного организма.
3. История становления биохимии как науки.
4. Методы исследования.
Предмет, цели и задачи курса. Место биохимии в системе
биологических
наук.
Растение
всегда
было
в
центре
внимания
исследователей и оно заслуживает этого: накапливая энергию солнечных
лучей в химических связях органических соединений, растение питает весь
гетеротрофный мир Земли. От полноты знаний о растении и протекающих в
нем процессах зависит практическое умение человека использовать
потенциальные возможности растения.
Представителей растительного мира можно разделить на две группы в
соответствии с природой необходимой им питательных веществ: на
автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы нуждаются только в
простых питательных веществах: из этих простых веществ они синтезируют
все сложные органические соединения, необходимые для их роста и
воспроизводства. Гетеротрофные организмы неспособны жить, используя
лишь простые неорганические вещества, хотя в небольших количествах эти
неорганические вещества жизненно необходимы. Большую же часть
питательных веществ для гетеротрофных организмов составляют сложные
органические соединения.
Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул, большинство
из которых представляют собой органические соединения. Тем не менее,
живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в
скоплении неживых молекул. К ним относятся следующие свойства:
1. Сложность и высокая степень организованности. Живые организмы
представлены миллионами разных видов.
2. Любая составная часть организма имеет специальное назначение и
выполняется строго определенную функцию. Это относится даже к
индивидуальным химическим соединениям (липиды, белки и т.п.).
3. Способность извлекать, преобразовывать и использовать энергию
окружающей их среды – либо в форме органических питательных веществ,
либо в виде энергии солнечного излучения
4. Способность к точному самовоспроизведению.
Биохимия – это наука, изучающая химический состав организмов и
химические превращения, происходящие в процессе жизнедеятельности
человека, животных, растений, микроорганизмов.
Биохимия развивалась на основе успехов органической химии, на
основе
расширения
круга
изучаемых
ею
природных
веществ
и
усовершенствования методов синтеза органических соединений. Биохимия
теснейшим образом связана с физиологией, изучающей закономерности
явлений жизни. По словам Ф. Энгельса:
«физиология есть, разумеется,
физика и в особенности химия живого тела, но вместе с тем она перестает
быть
специально
химией:
с
одной
стороны,
сфера
ее
действия
ограничивается, но, с другой стороны, она вместе с тем поднимается здесь на
некоторую более высокую ступень». Само название – биохимия отражает
специфику этой науки, так как в основе всех проявлений жизнедеятельности,
всех функций организма лежит обмен веществ.
Биохимия изучает отдельные этапы процессов обмена веществ, их
взаимосвязь и взаимообусловленность, изучает физиологическую роль
отдельных веществ в жизни организмов,
процесс биосинтеза сложного
органического вещества из простейших веществ, а также биогеохимические
превращения растительных и животных остатков.
Задачи, стоящие перед биохимией:
1. Расшифровка структуры и создание искусственным путем белков,
нуклеиновых кислот.
2. Основные закономерности, лежащие в основе наследственности и
изменчивости.
3. Изучение
процессов
обмена
веществ
с
теми
или
иными
физиологическими функциями организма.
4. Выведение новых видов организмов.
Установление химического строения белков, нуклеиновых кислот и
выяснение сущности процессов обмена веществ позволит не только
разрешить одну из проблем – создание искусственным путем живое
вещество, но и управлять организмами в желательном для человека
направлении. Это приведет к созданию и выведению новых более ценных
пород
животных,
сортов
растений,
повышению
продуктивности
животноводства и урожайности сельскохозяйственных культур.
Цель биохимии – это познание молекулярных основ жизни.
Особенности растительного организма. В настоящее время биохимия
представляет собой весьма разветвленную область знания, охватывающую
целый ряд разделов, выросших в самостоятельные дисциплины. В
зависимости от изучаемого объекта биохимия подразделяется на биохимию
растений, биохимию микроорганизмов, биохимию животных.
Биохимия растений, развиваясь на основе общих принципов и
достижений биохимии, имеет свои существенные особенности. Эти
особенности определяются двумя свойствами растительного организма:
1. Способность растений синтезировать различные органические
соединения из СО2 и Н2О и поступающих из почвы неорганических веществ
(NO3−, SO4−2, PO4−3). Эти простые неорганические соединения поставляют
растению шесть необходимых элементов: углерод, водород, кислород, азот,
серу и
фосфор, из
которых
построено
подавляющее
большинство
компонентов тканей: белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т.д.
2. Колоссальное
органических
соединений.
разнообразие
Растения
синтезируемых
могут
в
образовывать
растениях
соединения
присущи только им: терпеноиды, алкалоиды, фенольные соединения
и
другие.
Зеленое растение способно улавливать энергию солнечного света и
использовать ее для образования сложных органических соединений.
История становления биохимии как науки. Изучение проблем,
составляющих предмет современной биохимии, началось в конце 18 века и
было обусловлено крупными достижениями в области органической химии,
физиологии, медицины.
Фридрих Вёлер (нем. Friedrich Wöhler; 31 июля 1800,
Эшерсхейм — 23 сентября 1882, Гёттинген) —
немецкий химик, по образованию врач. Изучал химию у
Л. Гмелина в Гейдельберге и Й. Берцелиуса в
Стокгольме. С 1831 профессор технической школы в
Касселе; с 1836 до конца жизни профессор университета
в Гёттингене; с 1853 иностранный член-корреспондент
Петербургской академии наук. В 1824 Вёлер открыл щавелевую кислоту.
В 1828 г. Ф. Велер впервые синтезировал органическое вещество –
мочевину из неорганических соединений.
Ю́стус фон Ли́бих (нем. Justus von Liebig; 12 мая 1803, Дармштадт —
18 апреля 1873, Мюнхен) — немецкий химик. Он усовершенствовал аппарат
для сжигания органических соединений (печь Либиха) и
улучшил метод анализа; исследовал почти все важнейшие
органические кислоты; изучил продукты разложения
спирта хлором, продукты окисления алкоголя и сверх того
составные части жидкостей мяса. Либих открыл в
аммелине и меламине первые могущие быть искусственно
приготовленными углеродосодержащие основания, нашёл
в моче сначала травоядных, а потом человека — гиппуровую кислоту, в
жидкости мяса — креатинин и инозиновую кислоту и тирозин как продукт
разложения казеина. Он отличил далее цинтонин — главную составную
часть вещества мускулов — от кровяного фибрина. С Велером Либих
предпринял исследование циановой и мочевой кислот, радикала бензойной
кислоты и масла горьких миндалей.
Либих открыл один из фундаментальных законов экологии — закон
ограничивающего фактора (известный также, как бочка Либиха).
Луи́ Пасте́р (правильно Пастёр, фр. Louis Pasteur; 27
декабря 1822, Доль, департамент Юра — 28 сентября
1895, Вильнёв-л’Этан близ Парижа) — французский
микробиолог и химик, член Французской академии
(1881).
Пастер,
показав
микробиологическую
сущность брожения и многих болезней человека, стал
одним
из
основоположников
микробиологии
и
иммунологии. Его работы в области строения кристаллов и явления
поляризации легли в основу стереохимии.
Эдуард Бухнер (20 мая 1860, Мюнхен — 13 августа 1917, там же) —
немецкий химик и биохимик. Нобелевская премия по химии (1907) («За
проведенную
биологической
научно-исследовательскую
химии
и
открытие
работу
по
внеклеточной
ферментации»).
Он начал изучать химию в 1884 году под
руководством Адольфа Байера и ботанику у профессора
Негели в Ботаническом институте Мюнхена.
В 1907 году Бухнер получил Нобелевскую премию
по химии за биохимические исследования внеклеточной ферментации и
выделение зимазы.
Ю.Либих, Л.Пастер, Э. Бухнер
получили первые сведения о
химических превращениях белков, жиров и углеводов в организмах,
положено начало изучению химизма брожения.
Климе́нт Арка́дьевич Тимиря́зев (22 мая (3 июня) 1843, Петербург — 28
апреля 1920, Москва) — русский естествоиспытатель, физиолог, физик,
приборостроитель, историк науки, писатель, переводчик,
публицист,
профессор
Московского
университета,
основоположник русской и британской научных школ
физиологов растений.
К. А. Тимирязев начал исследования процесса
фотосинтеза.
Фридрих Мишер (нем. Friedrich Miescher, 13 августа
1844, Базель — 26 августа 1895, Давос) — швейцарский физиолог, гистолог и
биолог, учился в Базеле, Геттингене, Тюбингене и
Лейпциге, в 1871 г. приват-доцент, в 1872 г. —
профессор физиологии в Базеле. В 1869 году Фридрих
Мишер
открыл
ДНК.
Вначале
новое
вещество
получило название нуклеин, а позже, когда Мишер
определил, что это вещество обладает кислотными
свойствами, вещество получило название нуклеиновая
кислота. Он исследовал химию нуклеиновых кислот.
Ненцкий (Nencki) Марцелий Вильгельмович (15.1.1847, Бочки, Польша, —
14.10.1901, Петербург), биохимик и микробиолог. В 1870 окончил
Берлинский университет. В 1877—90 профессор
физиологической
химии
медицинско-химического
и
руководитель
института
Бернского
университета. С 1891 заведующий химическим
отделом института экспериментальной медицины в
Петербурге.
Исследовал
синтез
мочевины
в
организме, указал на роль печени в этом процессе и
предложил (совместно с И. П. Павловым) одну из теорий синтетического
образования мочевины в организме млекопитающих. Исследуя небелковую
часть гемоглобина, установил химическую структуру гема, совместно с Л.
Мархлевским показал (1897—1901) химическое родство гемоглобина и
хлорофилла. Исследовал химический состав некоторых бактерий. Изучал
химизм гнилостного распада белков. Разработал методы борьбы с чумой
рогатого скота.
Данилевский Александр Яковлевич (10.12.1838, Харьков - 18.06.1923,
С.-Петербург), зав кафедрой медицинской химии и
физики (1863-1871), нормальной физиологии (18631865), фармакологии (1866-1869). В Казани А.Я.
Данилевский начал
исследования в области
строения и свойств белков, что явилось его
основным научным направлением
Бах Алексей Николаевич (5 [17] марта 1857,
Золотоноша, Полтавская губерния — 13 мая 1946,
Москва) — советский биохимик и физиолог растений,
академик АН СССР (с 12 января 1929 г.), Герой
Социалистического Труда (1945), лауреат Сталинской
премии первой степени, основоположник российской
биохимии. В 1936 году по его инициативе создается
первый всесоюзный журнал «Биохимия», редактором
которого он становится.
М.В. Ненцкий, А. Я. Данилевский, А. Н. Бах
выявили сходство
основных механизмов биохимических превращений у живых организмов
различных групп.
О́тто Ге́нрих Ва́рбург (нем. Otto Heinrich Warburg;
8 октября 1883, Фрайбург, Баден — 1 августа 1970,
Западный Берлин) — немецкий биохимик, доктор и
физиолог, ученик Эмиля Фишера, лауреат Нобелевской
премии, член Лондонского королевского общества. Один
из выдающихся учёных двадцатого века в области
цитологии.
Ханс Адольф Кребс (нем. Hans Adolf Krebs, 25 августа 1900, Хильдесхейм —
22 ноября 1981) — немецко-английский биохимик. Член
Лондонского
королевского
общества
(1947)
и
Национальной Академии наук США (1964). Внёс
основной вклад в разработку цикла трикарбоновых
кислот (цикл Кребса). В 1932 описал орнитиновый цикл
синтеза мочевины в печени животных.
О́тто Фриц Ме́йергоф (нем. Otto Fritz Meyerhof; 12
апреля 1884, Ганновер, Германия — 6 октября 1951,
Филадельфия, США) — немецкий биохимик и врач.
Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине
в 1922 году (совместно с Арчибалдом Хиллом) за труды в
области мышечного метаболизма (включая гликолиз).
Исследовал
ферментативные
превращения
углеводов и сопряжённые с ними превращения аденозинтрифосфата и
креатинфосфата. Описал связь анаэробного распада и аэробного синтеза
углеводов в работающей и отдыхающей мышце (т. н. цикл Пастера —
Мейергофа), показал, что энергия, освобождающаяся в ходе химических
превращений углеводов, используется в процессе мышечного сокращения.
О. Варбург, Г. Эмбден, О. Мейергоф, Х. Кребс установили основные
этапы процессов брожения и биологического окисления. Описан цикл
Кребса.
Джеймс Бетчеллер Самнер (англ. James Batcheller
Sumner) (19 ноября 1887, Кантон, Массачусетс, — 12
августа 1955, Буффало, Нью-Йорк) — американский
биохимик. Член Национальной АН США и Американской
академик искусств и наук. Работы по препаративной
химии
белков
и
ферментов,
впервые
выделил
кристаллический фермент (уреазу), доказав в 1926 г.
белковую природу ферментов. Нобелевская премия по химии (1946,
совместно с У. Стэнли и Дж. Нортропом).
Кирхгоф Константин Сигизмундович (Готлиб
Сигизмунд Константин)
Русский
(19.II.1764—26.II.1833).
Петербургской
АН
(Мекленбург-Шверин,
(с
1812).
Германия).
химик,
Р.
в
акад.
Тетерове
Открыл
(1811)
каталитическую реакцию получения глюкозы при
нагревании крахмала с разбавленной серной кислотой.
Это открытие положило начало изучению каталитических процессов. В 1814
г. К.С. Кирхгоф обнаружил осахаривание крахмала под действием фермента.
Липман (Lipmann) Фриц Альберт (1899-1986), американский биолог
немецкого происхождения, выделивший и частично
объяснивший молекулярную структуру коэнзима А
(1943 г.), производного от пантотеновой кислоты витамина В. За эту и другие работы по вопросам
метаболизма он в 1953 г. получил Нобелевскую
премию в области физиологии и медицины вместе с
Хансом Кребсом, открывшем цикл трикарбоновых
кислот. В 1950 г. продемонстрировал получение лимонной кислоты из
щавелевого ацетата и ацетата, и обнаружил, что для этого процесса
необходим коэнзим А. Определил, каким образом клетка получает энергию и
что ключевую роль в этом процессе играет АТФ.
Ленинджер Альберт Лестер – американский
биохимик, член Национальной АН США (с 1956 г.).
Родился
в
17.02.1917
в
Бриджпорте
(штат
Коннектикут). Окончил Уэслеянский университет в
Мидлауне (1939). Преподавал в Висконсинском
(1942-1945), в Чикагском университетах (1945-1952),
с 1952 г. — профессор университета Дж. Хопкинса в
Балтиморе. Основные научные работы посвящены изучению механизма
биохимических процессов, происходящих в митохондриях. В 1949 г. показал,
что митохондрии являются тем местом, где осуществляется окислительное
фосфорилирование. Обнаружил, что процесс переноса электронов в
митохондриях
транспортом
сопровождается
ионов.
Автор
их
книги
структурными
"Биохимия"
изменениями
(1972).
и
Президент
Американского биохимического общества (1972-1973). Член Американской
академии искусств и наук (с 1959 г.).
Джеймс Дью́и Уо́тсон (англ. James Dewey Watson,
род.
6
апреля
1928,
Чикаго,
Иллинойс)
—
американский биолог. Лауреат Нобелевской премии
по физиологии и медицине 1962 года — совместно с
Фрэнсисом Криком и Морисом Х. Ф. Уилкинсом за
открытие структуры молекулы ДНК.
Фрэнсис Крик (англ. Francis Crick; 8
июня 1916, Нортгемптон, Англия — 28 июля
2004, Сан-Диего, Калифорния, США) —
британский молекулярный биолог, врач и
нейробиолог. Лауреат Нобелевской премии
по физиологии и медицине 1962 года —
совместно с Джеймсом Д. Уотсоном и
Морисом Х. Ф. Уилкинсом с формулировкой «за открытия, касающиеся
молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи
информации в живых системах».
В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик доказали, что ДНК состоит из двух
цепей.
К. Ниренберг расшифровал генетический код ДНК.
А.
"Я всю жизнь работал только
в России"
Спирин
получил
первое
свидетельство
существования некодирующих РНК (в 1957
году); совместно с А. Н. Белозерским обнаружил
фракцию
ДНК-подобной
РНК
(информационную, или матричную РНК) в 1958
году.
Сформулировал
основные
принципы
макромолекулярной структуры РНК (1959—
1963).
Открыл
разворачивание
рибосомных
субъединиц и на этой основе сформулировал
один из главных принципов строения рибосомы
(1963—1966). Исследовал разборку и обратную самосборку рибосом (1963—
1966). Открыл существование информосом и сформулировал теорию
«маскированной» мРНК (1964—1969).
Методы исследования. В биохимии растений для изучения обменных
процессов, протекающих в организме, широко используются
химические;
физические;
ферментативные
методы;
методы:
молекулярно-
генетические:
1. Методы препаративной химии и биохимии.
2. Методы выделения органелл.
3. Хроматография.
4. Электрофорез.
5. Спектральные методы.
6. Методы меченых атомов.
7. Генная инженерия.
Совершенствование методов выделения, очистки, фракционирования,
анализа и изучение веществ живой природы на базе биохимии привело к
возникновению новых направлений, таких как молекулярная биология,
физическая
биохимия,
биоорганическая
и
бионеорганическая
химия,
химическая энзимология. Исследования в этих направлениях являются
теоретической базой для прикладной биотехнологии.
Лекция 2
Метаболизм
План лекции
1.Метаболизм и его регуляция.
2. Типы метаболических путей.
3. Катаболические пути.
4. Анаболические пути.
5. Центральные пути обмена.
6. Соотношение катаболизма и анаболизма.
7. Анаплеротический путь.
Метаболизм и его регуляция. Сложной и ответственной задачей,
стоящей перед биохимией растений, является изучение обмена веществ у
растений и влияние на него факторов внешней среды. Обмен веществ в
клетке или организме можно определить как совокупность всех химических
процессов, которые могут в них протекать; то есть вся совокупность
химических реакций в клетке называется метаболизмом. Метаболизм
представляет
собой
высококоординированную
клеточную
активность,
обеспечиваемую
и
целенаправленную
участием
многих
мультиферментных систем. Он выполняет четыре основные функции:
1. снабжение клетки химической энергией, которая добывается путем
расщепления богатых энергией пищевых веществ, поступающих в организм
из среды у гетеротрофных организмов, или путем преобразования
улавливаемой энергии солнечного света у автотрофных организмов;
2. превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые
затем используются клеткой для построения новых макромолекул;
3. сборка белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и прочих
клеточных компонентов из этих блоков;
4.
синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для
выполнения каких-либо специфических функций данной клетки
Обмен веществ не представляет собой чего-то неизменного. В любой
данный момент времени реализуются только одни какие-то его возможности,
другие остаются невыраженными.
Процесс взаимодействия с внешней средой может происходить и у
неорганических тел, однако химические реакции, лежащие в основе этого
взаимодействия, приведут к разрушению данного тела. Естественно
возникает вопрос о факторах, контролирующих их обмен веществ. Этим
факторам в современной биологии уделяется большое внимание. Регуляция
обмена веществ осуществляется с помощью взаимосвязанных механизмов,
куда входят внутренние компоненты (наследственные, генетические).
Совокупность признаков, свойственная данному виду или сорту растения,
исторически
сложилась
под
влиянием
условий
внешней
среды
и
определяется специфическим обменном веществ. Следовательно, регуляция
обмена осуществляется и с помощью внешних факторов.
Обмен веществ слагается из множества отдельных химических
реакций, протекающих в организме. Все эти реакции теснейшим образом
связаны друг с другом. Данные свидетельствуют о тесной взаимосвязи и
неразрывности усвоения и поглощения питательных веществ. Обмен
углеводов теснейшим образом связан с обменом белков, липидов, витаминов.
Существование организма невозможно без этого взаимодействия.
Огромное количество биохимических реакций, совершающихся в организме
во время ассимиляции и диссимиляции, теснейшим образом связаны друг с
другом и направлены на самообновление и самосохранение организма в
целом. Однако ведущая роль в обменных процессах принадлежит белкам,
нуклеиновым кислотам. И это не случайно, так как белковые вещества не
только являются компонентами протоплазменных структур в организме, но и
являются составной частью ферментов. Считается, что обмен веществ и его
регуляцию
можно
прямо
или
косвенно
объяснить,
исходя
из
ферментативного оснащения организма. Белки будут определять скорость и
направленность метаболических реакций, а нуклеиновые кислоты играют
огромную роль в наследственности, изменчивости, в синтезе белка, являются
источником различных коферментов нуклеотидов. Поскольку все процессы
обмена веществ взаимосвязаны во времени и пространстве, образуя единое
целое, то любые воздействия затрагивают весь обмен в целом, хотя для
удобства мы можем сосредоточить наше внимание на какой-то одной
реакции и ее участниках.
Будем рассматривать метаболические пути, то есть цепи или
последовательности катализируемых ферментами химических реакций, в
результате
которых
осуществляются
превращения
определенных
органических соединений жизненно важных для организма. Вовлекаемые в
такие реакции соединения называются метаболитами. Сопряженность
отдельных реакций проявляется не только в слаженности и строго
определенной последовательности этих реакций, но также в сопряженности
превращения энергии, происходящих в течение всей жизни организмов.
Ассимиляция питательных веществ, их превращение требуют непрерывного
притока энергии. Так ассимиляция углекислоты растением происходит в
нем в процессе фотосинтеза за счет солнечной энергии. Взаимосвязь реакций
обмена проявляется и во взаимодействии обмена веществ различных частей и
органов растительного организма.
Типы метаболических путей. Метаболизм - это обмен веществ,
химические
превращения,
протекающие
от
момента
поступления
питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные
продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду. К метаболизму
относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы
клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ
извлекается энергия. Иногда для удобства рассматривают по отдельности две
стороны метаболизма – анаболизм и катаболизм, т.е. процессы созидания
органических веществ и процессы их разрушения.
Рис. 2.1. Типы метаболических путей
Катаболические пути – это процессы деградации, в ходе которых
крупные органические молекулы
разрушаются (обычно в окислительных
реакциях) до простых клеточных компонентов с одновременным выделением
свободной химической энергией. Эта энергия используется затем организмом
для поддержания жизнедеятельности, для роста и развития организмов, а
также преобразуется в другие формы энергии – механическую, химическую,
тепловую (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Катаболический цикл
В
ходе
катаболизма
углеводов
сложные
сахара
расщепляются
до
моносахаридов, которые усваиваются клетками. Попав внутрь, сахара
(например, глюкоза и фруктоза) в процессе гликолиза превращаются в
пируват,
при
этом
вырабатывается
некоторое
количество
АТР.
Пировиноградная кислота (пируват) является промежуточным продуктом в
нескольких метаболических путях. Основной путь метаболизма пирувата —
превращение в ацетил-КоА и далее поступление в цикл трикарбоновых
кислот. При этом в цикле Кребса в форме АТР запасается часть энергии, а
также восстанавливаются молекулы NADH и FAD. В процессе гликолиза и
цикла трикарбоновых кислот образуется диоксид углерода, который является
побочным продуктом жизнедеятельности. В анаэробных условиях в
результате
гликолиза
из
пирувата
при
участии
фермента
лактатдегидрогеназы образуется лактат, и происходит окисление NADH до
NAD+, который повторно используется в реакциях гликолиза. Существует
также
альтернативный
путь
метаболизма
моносахаридов —
пентозофосфатный путь, в ходе реакций которого энергия запасается в форме
восстановленного кофермента NADPH и образуются пентозы, например,
рибоза, необходимая для синтеза нуклеиновых кислот. Жиры на первом
этапе катаболизма гидролизуются в свободные жирные кислоты и глицерин.
Жирные кислоты расщепляются в процессе окисления с образованием
ацетил-КоА, который в свою очередь далее катаболизируется в цикле Кребса,
либо идет на синтез новых жирных кислот. Жирные кислоты выделяют
больше энергии, чем углеводы, так как жиры содержат удельно больше
атомов водорода в своей структуре. Аминокислоты либо используются для
синтеза белков и других биомолекул, до диоксида углерода и служат
источником
энергии.
начинается
с
Окислительный
удаления
аминогруппы
путь
катаболизма
ферментами
аминокислот
трансаминазами.
Аминокислоты, лишённые аминогрупп называют кетокислотами. Некоторые
кетокислоты — промежуточные продукты цикла Кребса. Например, при
дезаминировании
глутамата
образуется
альфа-кетоглутаровая кислота.
Гликогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу в
реакциях глюконеогенеза.
Анаболические пути – это процессы синтеза. В ходе этих процессов из
относительно простых предшественников строятся сложные органические
компоненты клетки. Синтез часто включает восстановительные этапы и
сопровождается затратой свободной химической энергией (рис. 2.3.).
Рис. 2.3. Анаболический цикл
Изучение обмена веществ показало, что метаболические системы
отличаются поразительной упорядоченностью и простотой, несмотря на
широчайшее
разнообразие
метаболитов,
как
потребляемых,
так
и
образующихся.
Особенно большое значение имеет открытие центральных путей
обмена, которые примыкают и к катаболическим, и к анаболическим путям,
то есть непосредственно связывают между собой те и другие пути.
На начальных стадиях катаболизма крупные молекулы, разрушаясь,
образуют очень ограниченное число небольших органических молекул, не
считая СО2 и Н2О. Этот процесс сопровождается освобождением примерно
1/3 всей доступной свободной энергии. При разрушении углеводов
образуются триозофосфаты и (или) пируват. При разрушении липидов
образуются ацетил КоА, пропионил КоА и глицерин. При разрушении белков
образуются ацетил КоА, оксалоацетат, α-кетоглутарат, фумарат, сукцинат.
Одним из важных открытий обмена веществ было обнаружение того
факта, что одни и те же реакции, которые можно объединить в одно понятие
– центральные пути обмена, протекают на всех трех ключевых этапах
метаболизма. Это следующие этапы:
1. Взаимопревращение
катаболизма.
различных
вышеупомянутых
продуктов
2. Полное окисление этих продуктов до СО2
и Н2О, что дает
организму использовать 2/3 запаса энергии.
3. Обеспечение
анаболических
процессов
наиболее
важными
промежуточными продуктами.
Центральные пути обмена веществ включают относительно небольшое
число превращений. Это следующие реакции:
триозофосфат ↔ пируват;
пируват ↔ ацетил КоА;
оксалоацетат ↔ аспартат;
α-кетоглутарат ↔ глутамат;
циклическая система реакций, в ходе которых ацетил КоА окисляется
до СО2 и Н2О.
Соотношение
катаболизма
и
анаболизма.
О
соотношении
катаболических и анаболических путей обмена можно сказать следующее:
-
В
ходе
катаболизма
из
источников
углерода
образуются
взаимопревращаемые промежуточные продукты центральных путей обмена.
При
анаболизме
из
этих
промежуточных
продуктов
образуются
строительные блоки. Таким образом, если катаболические пути имеют
совершенно
определенные
исходные
вещества,
но
не
имеют
идентифицируемых конечных продуктов, то анаболические пути, начинаясь
от неопределенных рубежей, ведут к определенным конечным продуктам.
- Катаболические и анаболические пути очень редко повторяют друг
друга. Так при распаде ароматических аминокислот образуются ацетил Ко А
и фумаровая или янтарная кислота; тогда как для синтеза тех же аминокислот
исходными продуктами являются ФЭП и ДОАФ.
Однако между катаболизмом и анаболизмом существует связь, которая
проявляется на трех уровнях:
- На уровне источников углерода. Продукты катаболизма через
посредство
центральных
анаболических реакций.
путей
обмена
становятся
субстратами
- На уровне снабжения энергией. В процессе катаболизма образуется
АТФ или соединения легко превращающиеся в АТФ, анаболические пути
нуждаются в энергии и потребляют АТФ.
- На уровне восстановительной способности. Процессы катаболизма
являются в основном окислительными, они нуждаются в окислительной
способности
и
служат
источником
восстановительной.
Обратное
справедливо для анаболизма.
Анаплеротический
путь.
Корнберг
показал
существование
четвертого типа метаболических путей – анаплеротический путь. Известно,
что конечные стадии катаболизма приводят обычно к полному удалению с
общих метаболических путей большинства метаболитов в виде СО2 и Н2О,
NH4+ и т.д., при анаболизме также происходит постоянная утечка запасов
промежуточных продуктов и удаление их с общих путей. Следовательно,
необходим механизм, который обеспечивал бы пополнение этих запасов.
Вспомогательные последовательности реакций, осуществляющие эту
функцию, называются анаплеротическими.
Таким образом, обмен веществ представляет собой совокупность
химических реакций; поток веществ, идущий по различным путям обмена, не
носит случайного характера, он очень точно «настроен» и приспособлен к
потребностям организма. Эта поразительная слаженность и сопряженность
отдельных биохимических реакций можно объяснить тем, что состав
окружающей среды влияет на скорость и интенсивность синтеза различных
ферментов, обмен веществ регулируется за счет ферментативных реакций.
В центральных метаболических путях исходные вещества могут быть
активаторами ключевых ферментов метаболического пути. Как правило, при
этом аллостерической активации подвергаются ферменты, катализирующие
ключевые реакции заключительных этапов метаболического пути. В качестве
примера
можно
рассмотреть
принципы
регуляции
гликолиза
-
специфического (начального) пути распада глюкозы (рис. 2.3). Один из
конечных продуктов распада глюкозы - молекула АТФ. При избытке в клетке
АТФ
происходит
фосфофруктокиназы
количества
активацию
ингибирование
и
пируваткиназы.
фруктозо-1,6-бисфосфата
фермента
пируваткиназы.
аллостерических
При
образовании
наблюдают
Благодаря
ферментов
большого
аллостерическую
такой
регуляции
осуществляется слаженность протекания метаболического пути распада
глюкозы.
Рис. 2.3. Схема положительной и отрицательной регуляции катаболизма
глюкозы.
Метаболические пути необратимы. Распад никогда не идет по пути,
который являлся бы простым обращением реакций синтеза. В нем участвуют
другие ферменты и другие промежуточные продукты.
Молекула АТФ участвует в ретроингибировании аллостерических ферментов
фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Фруктозе-1,6-бисфосфат - активатор
метаболического пути распада глюкозы. Плюсами отмечена активация,
минусами - ингибирование ферментов.
Нередко противоположно направленные процессы протекают в разных
отсеках клетки. Так, жирные кислоты синтезируются в цитоплазме при
участии одного набора ферментов, а окисляются в митохондриях при
участии совсем другого набора. В биосинтетических процессах участвует
сравнительно небольшое число строительных блоков, каждый из которых
используется для синтеза многих соединений. В живом организме анаболизм
и катаболизм должны быть уравновешены. Если один процесс существенно
преобладает над другим, то обмен веществ и энергии нарушается и,
следовательно, нарушается жизнедеятельность клетки, а затем и всего
организма.
Раздел 2
Углеводы
Лекция 3
Взаимопревращения углеводов
План лекции
1. Киназные реакции.
2. Мутазные реакции.
3. Изомеразные реакции.
4. Эпимеразные реакции.
5. Альдолазные реакции.
6. Транскетолазные реакции.
7. Декарбоксилирование.
8. Нуклеотидные производные сахаров.
При
рассмотрении
химических
процессов,
происходящих
при
фотосинтезе, первичным улавливаемым продуктом фотосинтеза является
фосфоглицериновая кислота (ФГК). Подвергаясь дальнейшим превращениям,
она дает различные моносахариды. Встречающиеся в природе моносахариды
являются производными распространенных гексоз – фруктозы и глюкозы.
Рассмотрим реакции, осуществляющие взаимопревращение наиболее важных
полисахаридов.
Киназные реакции. Обмен сахаров происходит в основном путем
образования их фосфорилированных производных. Поэтому растения, так же
как
и
другие
организмы,
обладают
ферментами,
которые
катализируютперенос фосфорильной группы от АТФ к тому или иному
сахару.
К
этим
ферментам относится гексокиназа, катализирующая
образование глюкозо-6-фосфата из глюкозы:
глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат
Равновесие этой реакции в значительной степени сдвинуто в сторону
образования глюкозо-6-фосфата, однако, применяя субстраты, меченные
радиоактивными изотопами, удалось показать обратимость этой реакции.
Гексокиназа способна катализировать не только фосфорилирование
глюкозы, но также фосфорилирование фруктозы, маннозы, глюкозамина:
фруктоза + АТФ → фруктозо-6-фосфат
манноза + АТФ → манн озо-6-фосфат
.
Гексокиназа специфична по отношению к АТФ. Гексокиназа из
растений
проявляет
активность
с
глюкозой,
фруктозой,
маннозой,
глюкозамином.
Для действия гексокиназы необходимы ионы магния. Данный фермент
расщепляет связь Р – О, а не С - О.
В фосфорилировании других сахаров участвуют другие киназы.
Фосфофруктокиназа катализирует превращение фруктозо-6-фосфат в
фруктозо-1,6-дифосфат:
фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1,6-дифосфат.
Данный фермент весьма специфичен, требует присутствия ионов
магния, и его действие необратимо.
Д-галактокиназа катализирует превращение Д-галактозы в Д-галактозо6-фосфат:
Д-галактоза + АТФ → Д-галактозо-6-фосфат
Гекcозофосфорные эфиры найдены у растений.
Мутазные реакции. Превращение глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1фосфат катализируется фосфоглюкомутазой. В этой реакции в качестве
промежуточного продукта образуется глюкозо-1,6-дифосфат:
- глюкозо-6-фосфат + фосфо-фермент ↔ глюкозо-1,6-дифосфат
- глюкозо-1,6-дифосфат + фермент ↔ глюкозо-1-фосфат + фосфофермент
Фермент, содержащий связанную фосфорильную группу, отдает ее
молекуле глюкозо-6-фосфат, так что образуется глюкозо-1,6-дифосфат.
Последний реагирует с дефосфорилированным ферментом, и регенерация
фосфорилированного фермента сопровождается образованием глюкозо-1фосфат. Этот фермент получен в кристаллическом виде из картофеля.
Глюкозо-1,6-дифосфат является коферментом. Для действия фермента
необходимы ионы магния. Мутазные реакции, подобные приведенной выше,
обнаружены для обратимых превращений:
галактозо-6-фосфат → галактозо-1-фосфат,
маннозо-1-фосфат → маннозо-6-фосфат,
рибозо-1-фосфат → рибозо-6-фосфат.
Во всех этих случаях в качестве промежуточного продукта является
соответствующий дифосфат сахара.
Изомеразные
фосфоальдоз
реакции.
катализируются
Взаимопревращение
изомеразами,
фосфокетоз
типичным
и
представителем
которых является фосфоглюкоизомераза:
глюкозо-6-фосфат ↔ фруктозо-6-фосфат
К числу широко распространенных ферментов группы изомераз
относятся фосфорибозоизомеразы и триозофосфатизомеразы:
рибозо-5-фосфат ↔ рибулозо-5-фосфат
3-фосфоглицериновый альдегид ↔ диоксиацетонфосфат
Эпимеразные
реакции.
Эпимеразы
катализируют
инверсию
гидроксильной группы относительно определенного углеродного атома
специфического фосфорилированного сахара:
ксилулозо-5-фосфат ↔ рибулозо-5-фосфат
Сахара, различающиеся только конфигурацией по месту одного
углеродного атома, называются «эпимерами», а ферменты, катализирующие
их взаимное превращение, - эпимерами.
Альдолазные
альдольной
реакции.
конденсации
между
Альдолазы
осуществляют
кетопроизводными
и
реакции
енеольными
производными сахаров или фосфорилированными сахарами. Классическим
примером подобных реакций служит обратимая реакция расщепления
фруктозо-1,6-дифосфата на два триозофосфата:
фруктозо-1,6-дифосфат ↔ диоксиацетонфосфат + 3-фосфоглицериновый
альдегид
Однако альдолаза обладает более широкой специфичностью. Так
диоксиацетонфосфат
и
эритрозо-4-фосфат
образованием седогептулозо-1,7-дифосфат:
могут
конденсироваться
с
диоксиацетонфосфат + эритрозо-4-фосфат ↔ седогептулозо-1,7-дифосфат
.
В свою очередь седогептулозо-1,7-дифосфат может расщепляться на
диоксиацетонфосфат и эритрозо-4-фосфат.
Трансальдолазы обладают широкой специфичностью по отношению к
донорам и акцепторам и не требуют кофакторов. Субстратом трансальдолазы
служат монофосфаты сахаров.
Альдолаза чрезвычайно широко распространена в растительном мире.
В наибольшем количестве альдолаза содержится в активно растущих частях
растений. Альдолаза играет важнейшую роль в процессах превращения
сахаров в растениях.
В результате действия альдолазы могут образовываться пентозы, при
взаимодействии диоксиацетонфосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида
происходит образование фруктозо-1,6-дифосфат. Под действием альдолазы
диоксиацетонфосфат может обратимо конденсироваться не только с 3фосфоглицериновым альдегидом, но также с целым рядом других
альдегидов, найденных в растениях:
Диоксиацетонфосфат + уксусный альдегид ↔ фосфорнокислый эфир
5-дезоксикетопентоза
.
При аналогичной реакции с гликолевым альдегидом образуется
фосфорилированная кетопентоза.
Таким образом, в результате альдолазных реакций образуются как
гексозы, так и триозы, тетрозы, пентозы и гептозы.
Транскетолазные реакции. Этот фермент осуществляет перенос
двууглеродного фрагмента от одной фосфорилированной альдолазы на
другую. Продуктом переноса является кетоза:
фруктозо-6-фосфат + 3-фосфоглицериновый альдегид → ксилулозо-5-фосфат
+ эритрозо-4-фосфат.
Транскетолаза переносит первый и второй углеродные атомы
фруктозы-6-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием
ксилулозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата или же на рибозо-5-фосфат с
образованием седогептулозо-7-фосфат:
фруктозо-6-фосфат + рибозо-5-фосфат → седогептулозо-7-фосфат.
Декарбоксилирование. Декарбоксилирование
глюкозо-6-фосфата с
образованием рибулозо-5-фосфат представляет собой исходную реакцию
пентозофосфатного пути расщепления углеводов:
глюкозо-6-фосфат – СО2 → рибулозо-5-фосфат.
Декарбоксилирование начинается с двух последовательных реакций,
катализируемых двумя НАДФ – зависимыми дегидрогеназами:
-глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой,
ее
продуктом
является
фосфогюконат и 6-фосфатдегидрогеназой:
глюкозо-6-фосфат → 6-фосфогюконат - СО2 → рибулозо-5-фосфат.
6-
Декарбоксилирование происходит на второй ступени.
Нуклеотидные
взаимопревращениях
производные
сахаров.
моносахаридов
Центральную
играют
роль
в
сахарнуклеотиды.
Сахарнуклеотиды представляют большой интерес как доноры гликозильной
группы в синтезе сахаров, с другой стороны они играют важную роль в
превращениях моносахаридов как таковых. Эпимеризация глюкозы в
галактозу катализируется УДФ-галактозо-4-эпимеразой. Субстратом служит
УДФ глюкоза:
УДФ- глюкоза ↔ УДФ- галактоза.
В растениях найдены изомеразы, катализирующие, катализирующие
взаимопревращения уроновых кислот:
УДФ-D-глюкуроновая кислота ↔ УДФ-D-галактуроновая кислота,
а также ксилозы и арабинозы:
УДФ-D-ксилоза ↔ УДФ-L-арабиноза.
Возможно образование УДФ-галактозы из УДФ-глюкозы и галактозы1-фосфата:
УДФ-глюкоза + галактозо-1-фосфат ↔ УДФ-галактоза + глюкозо-1фосфат. Реакцию катализирует УДФ-трансфераза.
УДФ-глюкуроновая кислота и УДФ-галактуроновая кислота могут
превращаться в соответствующие УДФ-пентозы путем ферментативного
декарбоксилирования:
УДФ-глюкуроновая кислота – СО2 ↔ УДФ-D-ксилулоза
УДФ-галактуроновая кислота – СО2 ↔ УДФ-L-арабиноза.
Ферментативное
восстановление
дезоксисахаров происходит при
сахаров
участии
с
образованием
нуклеотидных
производных
сахаров.
В растениях широко распространена сахароза, играющая большую
роль в обмене веществ у растений. Синтез сахарозы в растениях происходит
путем реакции трансгликозилирования.
У
пшеницы,
кукурузы,
бобов
и
других
имеется
фермент
сахарозосинтаза, катализирующая реакцию:
УДФ-глюкоза + фруктоза ↔ УДФ + сахароза.
У шпината, сахарной свеклы обнаружен фермент – сахарозофосфатсинтаза, катализирующий синтез сахарозо-6-фосфата:
УДФ-глюкоза + фруктозо-6-фосфат ↔ УДФ + сахарозо-6-фосфат.
УДФ-глюкоза играет важную роль в синтезе гликозидов.
При участии УДФ-гюкозы или АДФ-глюкозы происходит синтез
крахмала.
Лекция 4
Восстановительный пентозофосфатный цикл
План лекции
1. История открытия цикла Кальвина.
2. Карбоксилирование.
3. Восстановление
4. Регенерация.
5. Основные характеристики карбоксилирования.
История открытия цикла Кальвина. Образующиеся в процессе
фотофосфорилирования
АТФ
и
восстановленный
НАДФ
могут
использоваться для осуществления различных реакций в хлоропластах.
Наиболее
мощный
потребитель
фотосинтетического усвоения СО2.
этих
продуктов
–
это
процесс
Изучение химизма фиксации СО2 имеет большую историю. Долгое
время общепринятой была гипотеза Байера, в основе которой лежало
представление о фоторазложении углекислого газа с образованием окиси
углерода (СО) и затем формальдегида, способного конденсироваться с
образованием сахаров.
Работы Ван-Ниля и особенно Виноградова и Тейс, а также Рубена заставили
отвергнуть точку зрения о фоторазложении СО2 и сделали более вероятной
идею о восстановлении углекислого газа.
Химизм фиксации
СО2 удалось расшифровать лишь после использования
метода радиоактивных индикаторов. Первые работы в этом направлении
были проведены Рубеном, применившим изотоп углерода С11 с очень
коротким периодом полураспада, который составлял всего 20 минут. В связи
с этим опыты с С11 имели ряд неудобств. Но не смотря
на
это
удалось
выдвинуть
ряд
принципиальных
положений:
- установлено, что усвоение СО2 начинается с
реакции
карбоксилирования
альдегидной
группы
неизвестного соединения;
процессам
-
фотофосфорилирования отводилась решающая роль в
фиксации СО2.
Последнее положение полностью подтвердилось через
несколько
лет,
Кальвин
с
Калифорнийском
после
того
как
сотрудниками
в
университете
в
Беркли стали использовать для изучения химизма
фотосинтеза удобный радиоактивный изотоп углерода
С14, имеющий период полураспада 5720 лет, что
позволило
заняться
детальным
исследованием
превращения продукта фиксации СО2. В 1946 – 1953 годы Кальвин и его
сотрудники: Бенсон и Бэссхем расшифровали механизм фотосинтетической
ассимиляции СО2. В 1961 году за это фундаментальное открытие Кальвин
был награжден Нобелевской премией. Кальвину удалось показать, что 3фосфоглицерат является первым стабильным продуктом фиксации СО2.
Фиксация СО2 происходит в циклическом процессе, который получил
название цикла Кальвина.
Восстановительный пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина) является
основным путем усвоения углекислого газа растениями. Этот цикл
представляет
собой
важнейший
способ
поглощения
СО2
фотосинтезирующими растениями. Цикл Кальвина – универсальный цикл
для всех фотоавтотрофных зеленых растений.
Ферменты, катализирующие реакции цикла Кальвина, локализованы в
строме хлоропластов. Только в трех реакциях цикла из тринадцати требуются
кофакторы:
АТФ
и
восстановленный
НАДФ,
которые
должны
регенерироваться в световых реакциях фотосинтеза, протекающих в
тилакоидах. В самом цикле нет фотохимических стадий, однако световые
реакции могут опосредованно влиять на реакции пентозофосфатного цикла,
не требующие АТФ и восстановленного НАДФ.
Цикл Кальвина локализован в хлоропластах, однако продукты этого
цикла могут транспортироваться в цитоплазму (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Цикл Кальвина
Цикл Кальвина слагается из следующих этапов:
- карбоксилирование,
- восстановление,
- регенерация.
Карбоксилирование. Центральным звеном или ключевой реакцией
цикла Кальвина является взаимодействие углекислого газа с рибулезо-1,5дифосфатом
(РуБФ).
Реакция
катализируется
рибулезодифосфат-
карбоксилазой (РуБФ-карбоксилаза). На этом этапе образуется две молекулы
3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК). В этой реакции равновесие сильно
сдвинуто в сторону ФГК:
Рибулезо-1,5-дифосфат + СО2 + Н2О → 2∙ 3-фосфоглицерат.
В результате этой реакции СО2 присоединяется к рибулезо-1,5дифосфату
с
образованием
в
качестве
промежуточного
продукта
нестабильного сахара с шестью углеродными атомами, который затем
распадается на две молекулы 3-фосфоглицерата (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Превращение рибулезо-1,5-дифосфат в 3-фосфоглицерат
Эта реакция сложна и осуществляется в несколько этапов (рис. 4.3):
Рис. 4.3. Этапы превращения рибулезо-1,5-дифосфат в 3-фосфоглицерат
Рибулезо-1,5-дифосфат таутомеризуется и переходит в енольную
1)
форму.
2)
В
дальнейшем
карбоксилируется
по
енольная
второму
форма
атому
рибулезо-1,5-дифосфата
углерода
с
образованием
промежуточного продукта β-кетокислоты – 1,5-дифосфат-2 –карбокси- 3кетопентит.
Присоединение СО2 к енольной форме рибулезо-1,5-дифосфата
произойдет в том случае, если второй атом углерода станет нуклеофильным,
а это произойдет в том случае, если ОН – группа при третьем атоме углерода
лишится протона, то есть если молекула станет енолат – анионом, который и
вступает в реакцию β-карбоксилирования (А).
3) Распад кетокислоты (Б):
1,5-дифосфат-2 –карбокси- 3-кетопентит + Н2О →2∙3ФГК.
РуБФ-карбоксилаза составляет около 50% всех растворимых белков в
листьях. Имеет молекулярную массу около 5,5∙105 и состоит из восьми
больших (мол. масса 51000 – 58000) и восьми малых субъединиц (мол. масса
12000 – 18000), организованных в единую структуру (рис. 4.4). Большие
субъединицы кодируются хлоропластной ДНК, малые – ядерной ДНК.
Рис. 4.4. Строение РуБФ-карбоксилазы
Восстановление. 3ФГК восстанавливается до 3-фосфоглицеринового
альдегида (ФГА).
Первоначально происходит образование 1,3-дифосфоглицерата,
1)
реакция катализируется ферментом фосфоглицераткиназой:
3-фосфоглицерат + АТФ ↔ 1,3-дифосфоглицерат + АДФ.
Данная реакция идет с затратой АТФ. Между новым остатком
фосфорной кислоты и карбоксильной группой образуется смешанный
ангидрид. Поскольку свободная энергия гидролиза этого ангидрида
примерно такая же, как у фосфатного ангидрида в молекуле АТФ, реакция
фосфоглицераткиназы обратима. Однако днем на свету все время происходит
фотофосфорилирование, расход АТФ восполняется и равновесие реакции
смещено в сторону образования 1,3-дифосфоглицерата.
Восстановление 1,3-дифосфоглицерата до 3-фосфоглицеринового
2)
альдегида протекает с участием НАДФН + Н+,
катализирует данную
реакцию фермент глицеральдегидфосфатдегидрогеназа:
1,3-дифосфоглицерат + НАДФН ↔ 3-фосфоглицериновый альдегид +
НАДФ + Рн.
Затем
фосфоглицериновый альдегид за счет триозофосфатизомеразы
изомеризувется в диоксиацетонфосфат (ДОАФ):
фосфоглицериновый альдегид ↔ диоксиацетонфосфат.
Регенерация. В результате фиксации трех молекул СО2 в цикле
Кальвина образуются шесть молекул триозофосфата. Одна из них выходит из
цикла и вступает в дальнейшие биосинтетические процессы. Остальные пять
молекул
триозофосфата необходимы для регенерации трех молекул
рибулезо-1,5-дифосфата, которые вновь вступают в цикл:
фосфоглицериновый альдегид + диоксиацетонфосфат ↔ фруктозо-1,6дифосфат
Реакция катализируется альдолазой.
Фруктозо-1,6-дифосфат – это первая гексоза, которая образуется при
фотосинтезе. Фруктозо-1,6-дифосфат гидролизуется до фруктозо-6-фосфат в
необратимой реакции, катализируемой фруктозо-1,6-дифосфатазой. Фермент
активен в присутствии ионов магния:
фруктозо-1,6-дифосфат + Н2О → фруктозо-6-фосфат + Н3РО4.
Два верхних атома
фруктозо-6-фосфата под действием фермента
транскетолазы переносятся на фосфоглицериновый альдегид. Продуктами
этой обратимой реакции являются ксилулозо-5-фосфат и эритрозо-4-фосфат:
фруктозо-6-фосфат + фосфоглицериновый альдегид ↔ ксилулозо-5фосфат + эритрозо-4-фосфат.
Кофактор транскетолазы – тиаминпирофосфат (ТПФ). Он выполняет в
этой реакции роль посредника:
а) ТПФ-СН3 + фруктозо-6-фосфата → эритрозо-4-фосфат +ТПФ-СН2СНОН-СН2ОН
б)
гликольальдегидтиаминпирофосфат
переносит
гликоль
на
фосфоглицериновый альдегид и образуется ксилулозо-5-фосфат:
ТПФ-СН2-СНОН-СН2ОН
+
фосфоглицериновый
альдегид
→
ксилулозо-5-фосфат + ТПФ.
Далее
фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза катализирует конденсацию
эритрозо-4-фосфата с диоксиацетонфосфатом с образованием седогептулозо1,7-дифосфата:
эритрозо-4-фосфата + диоксиацетонфосфатом ↔ седогептулозо-1,7дифосфат.
Седогептулозо-1,7-дифосфат
дефосфорилируется,
образуется
седогептулозо-7-фосфат. Седогептулозо-1,7-дифосфатаза катализирует
эту
необратимую реакцию:
седогептулозо-1,7-дифосфат + Н2О → седогептулозо-7-фосфат +
Н3РО4.
Углеводный
транскетолазой
с
остаток
с
двумя
атомами
седогептулозо-7-фосфата
на
углерода
передается
3-фосфоглицериновый
альдегид. Образуются рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат:
седогептулозо-7-фосфат + 3-фосфоглицериновый альдегид ↔ рибозо-5фосфат + ксилулозо-5-фосфат.
Три образовавшихся пентозофосфата преобразуются в рибулозо-5фосфат.
Ксилулозо-5-фосфат
подвергается
катализируется рибулозофосфатэпимеразой:
эпимеризации.
Реакция
ксилулозо-5-фосфат ↔ рибулозо-5-фосфат.
Рибозо-5-фосфат изомеризуется до
рибулозо-5-фосфат. Реакцию
катализирует фермент рибозофосфатизомераза:
рибозо-5-фосфат ↔ рибулозо-5-фосфат.
Три молекулы
рибулозо-5-фосфата превращаются в рибулозо-1,5-
дифосфат, катализируется эта реакция рибулозофосфаткиназой. Реакция идет
с затратой АТФ. Эта реакция необратима, потому что фосфат переносится из
макроэргической ангидридной связи в молекуле АТФ в эфирную связь с
низкой свободной энергией гидролиза:
рибулозо-5-фосфат + АТФ → рибулозо-1,5-дифосфат +АДФ.
Фотосинтетический цикл замыкается.
В цикле есть четыре необратимые реакции:
- карбоксилирование,
- гидролиз фруктозодифосфата,
- гидролиз седогептулозодифосфата,
- фосфорилирование рибулозо-5-фосфата.
Пять
ферментов
цикла
Кальвина
рибулезодифосфаткарбоксилаза,
активируются
светом:
триозофосфатдегидрогеназа,
фруктозодифосфатаза, седогептулозодифосфатаза, фосфорибулозокиназа.
Фиксация одной молекулы СО2 требует двух молекул НАДФН и трех
АТФ.
Для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимо 12
молекул НАДФН и 18 молекул АТФ.
Основные характеристики карбоксилирования. Главный механизм
карбоксилирования
при
фотосинтезе
обязан
отвечать
следующим
требованиям:
1. Должен обеспечивать регенерацию акцептора СО2.
2.
Должен
функционировать
автокаталитически
в
качестве
производительной реакции, в ходе которой субстрата образуется больше, чем
используется.
3.
Равновесие
энергетически
реакции
очень
карбоксилирования
выгодным,
чтобы
должно
компенсировать
быть
низкую
концентрацию СО2 в окружающей среде.
4.
Катализирующая
реакцию
карбоксилаза
должна
обладать
высоким сродством к СО2, чтобы ее функционирование при низкой
концентрации СО2 было эффективным.
Этим
требованиям
удовлетворяет
только
восстановительный
пентозофосфатный цикл.
Лекция 5
Фотодыхание
План.
1. Понятие фотодыхания.
2. История открытия цикла.
3. Химизм фотодыхания.
4. Особенности гликолатного цикла.
5. Регуляция фотодыхания.
6. Физиологическая роль фотодыхания.
Понятие фотодыхания. Фотодыхание – это поглощение растениями
кислорода и выделение углекислого газа на свету. У С3-растений его
интенсивность может составлять до 50 % от интенсивности фотосинтеза. У
С4-растений
фотодыхания
фотодыхание
связан
с
практически
оксигеназной
отсутствует.
активностью
Начальный
фермента
этап
РуБФ-
карбоксилаза и осуществляется в хлоропластах, последующие реакции
проходят в пероксисомах и митохондриях. Фотодыхание имеет ряд отличий
от «темнового» дыхания клеток, связанного с процессами окисления
органических
соединений
в
ходе
цикла
электронтранспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий:
Кребса
и
работы
- фотодыхание активируется светом высокой интенсивности, тогда как
процессы «темнового» дыхания митохондрий на свету ингибируются;
- фотодыхание усиливается в присутствии высоких концентраций
кислорода, что связано с активацией в этих условиях оксигеназной функции
фермента
РуБФ-карбоксилазы;
максимум
«темнового»
дыхания
наблюдается при концентрации кислорода около 2 %;
- фотодыхание требует совместного функционирования хлоропластов,
пероксисом и митохондрий; «темновое» дыхание связано исключительно с
митохондриями;
- первичным продуктом фотодыхания являются двууглеродные
органические
кислоты
–
фосфогликолат,
гликолат,
глиоксилат,
преобразование их приводит к образованию аминокислот – глицина и серина.
Метаболизм фотодыхания представлен на рис.5.1.
Рис. 5.1. Метаболизм фотодыхания
История открытия цикла. Еще в 1779 году Я. Ингенгауз,
проверявший результаты опытов Д. Пристли, который доказал, что на свету
зеленые
растения
улучшают
воздух,
испорченный
горением, обнаружил, что иногда днем, при очень
большой
освещенности
выделяют СО2
и
температуре,
растения
и поглощают О2. Я. Ингенгауз решил
забыть об этих странных для него результатах и объявил,
что
Д. Пристли был прав. Это явление доказывало и
большинство из его собственных 500 опытов.
В 1920 году О. Варбург заметил, что интенсивность
фотосинтеза водорослей резко возрастает, если снизить
концентрацию кислорода во внешней среде. Это означает,
что одновременно с фотосинтезом происходят какие-то
окислительные реакции, сопровождающиеся выделением
углекислого газа и снижающие эффективность фотосинтеза.
Вспомнили об этом феномене только через полтора
века и назвали его по типу газообмена, активирующегося на свету в зеленых
клетках, фотодыханием.
О.В. Заленский пришел к выводу, что выделение
углекислого
газа
листьями
на
свету
необходимо
рассматривать, «как самостоятельный физиологический
процесс, связанный, но не идентичный происходящим в
листе процессам фотосинтеза и дыхания»
Когда в 60 годы 20 века начали изучать
фотодыхание, то оказалось, что большую роль в этом процессе играет
рибулезодифосфат-карбоксилаза. Если мало СО2 и много О2, то она может
присоединять к рибулезо-1,5-дифосфату не углекислый газ, а кислород, то
есть этот фермент выполняет не только карбоксилирующую, но и
оксигенирующую функцию. Кислород и углекислый газ ведут себя как
субстраты, конкурирующие друг с другом за взаимодействие с РуБФ-
карбоксилазой/оксигеназой (РуБФК/О), то есть кислород ингибирует
карбоксилазную, углекислый газ – оксигеназную функцию этого фермента.
Данный фермент может функционировать не только как карбоксилаза, но и
как оксигеназа и катализировать окислительное расщепление рибулезо-1,5дифосфата до фосфоглицириновой кислоты и фосфогликолевой кислоты.
Впервые процесс фотодыхания был описан в 1948 году П.А.
Колесниковым, а затем в 1949 году – Клаггетом с сотрудниками.
Химизм
фотодыхания.
Упрощенная
схема
гликолатного
пути
представлена на рис.5.2.
Рис.5.2. Упрощенная схема гликолатного пути
Ключевой реакцией фотодыхания является окисление рибулезо-1,5дифосфат при участии кислорода. Присоединение кислорода к молекуле
рибулезо-1,5-дифосфату приводит к тому, что вместо двух молекул
фосфоглицериновой (ФГК) кислоты образуется одна молекула ФГК и одна
молекула фосфогликолата:
2 рибулезо-1,5-дифосфат + 2 О2 → 2 ФГК + 2 фосфогликолат.
Реакция осуществляется благодаря оксигеназной активности фермента
РуБФ-карбоксилазы.
Рециклирование фосфогликолата начинается с отщепления фосфорного
остатка, которое катализирует фосфогликолатфосфатаза, локализованная в
строме хлоропластов. Продукт этой реакции – гликолат. Гликолат покидает
хлоропласт и поступает в специальную органеллу – пероксисому:
2 фосфогликолат – 2 Рн → 2 гликолат.
Гликолат выносится из хлоропластов с помощью специфического
транспортера и поступает в пероксисомы через неспецифические поры в их
мембранах, которые образованы порином.
В
пероксисоме
гликолат
реагирует
с
поглощаемым
клеткой
кислородом; в результате образуются глиоксилат и перекись водорода.
Реакцию катализирует
гликолатоксидаза. Гликолатоксидаза содержит
кофактор флавинмононуклеотид (ФМН), который функционирует как
редокс-посредник между гликолатом и кислородом:
2 гликолат + 2 О2 → 2 глиоксилат + 2 Н2О2.
Перекись разлагается каталазой, которая находится в пероксисомах, на
воду и кислород, который выделяется в атмосферу:
2 Н2О2 → 2 Н2О + О2.
Суммарно для окисления одного моля гликолата до глиоксилата
потребляется 0,5 моля кислорода.
В пероксисоме происходит реакция аминирования глиоксилата.
Фермент
глиоксилатглицинаминотрансфераза
осуществляет
переноса аминогруппы с аминокислоты на глиоксилат.
реакции
трансаминирования,
идущей
реакцию
Глиоксилат в
при
участии
глиоксилатглицинаминотрансферазы, превращается в глицин, который
транспортируется в митохондрию. 2 глиоксилат + 2 глутаминовая кислота →
2 глицин + 2 NH3 + 2 α-кетоглутаровая кислота.
Превращение глиоксилата в глицин происходит в двух реакциях.
Фермент
глутамат-глиоксилатаминотрансфераза
катализирует
перенос
аминогруппы от донора (глутамата) на акцептор глиоксилат. В другой
реакции
фермент
серин-глиоксилатаминотрансфераза
катализирует
переаминирование глиоксилата серином. Эти два фермента, как и другие
аминотрасферазы, содержит связанный пиридоксальфосфат с активной
альдегидной группировкой:
2 глиоксилат + 2 глутаминовая кислота → 2 глицин + 2 NH3 + 2 αкетоглутаровая кислота.
2 глиоксилат + 2 серин → 2 глицин + 2 NH3 + 2 гидроксипируват.
Глицин выходит из пероксисом через поры и транспортируется в
митохондрии. Механизм транспорта до конца не изучен. Полагают, что он
происходит с участием специфического переносчика.
Здесь из двух молекул глицина синтезируется одна молекула серина,
образуется углекислый газ, аммиак. При этом происходит восстановление
НАД. Реакция идет в две стадии и катализируется глициндекарбоксилазосерингидроксиметилтрансферазным комплексом:
2 глицин → серин + СО2 + NH3 + НАДН + Н+.
Этот мультиферментный комплекс состоит из четырех различных
субъединиц.
Глициндекарбоксилазный
комплекс
митохондрий
может
составлять до 30 % - 50 % всех растворимых белков митохондрий в зеленых
тканях. В митохондриях
нефотосинтезирующих клеток растений белки
окисления глицина присутствуют лишь в очень небольших количествах или
вовсе отсутствуют.
СО2 или выделяется в атмосферу, то есть теряется для растения, или
используется в С3-цикле. Предполагают, что НАДН может включиться в
электронтранспортную цепь дыхания или экспортироваться из митохондрий
за счет челночных механизмов в другие клеточные компартменты.
Серин транспортируется из митохондрии с участием специфического
переносчика в пероксисому, где после дезаминирования превращается в
оксипируват:
серин → оксипируват + NH3.
Реакция катализируется серин-глиоксилат-аминотрансферазой.
Оксипируват
затем
восстанавливается
при
участии
глиоксилатредуктазы в глицерат за счет НАДН:
оксипируват + НАДН → глицерат + НАД.
Глицерат
транспортируется
в
хлоропласт.
Вход
глицерата
в
хлоропласты осуществляется с участием того же переносчика, который
обеспечивает
выход
из
хлоропластов
гликолата.
Этот
переносчик
осуществляет обмен гликолата на глицерат, а также котранспорт гликолата с
протоном. Таким образом, этот переносчик делает возможным экспорт двух
молекул гликолата в обмен на импорт одной молекулы глицерата.
Глицерат в хлоропластах фосфорилируется за счет АТФ в присутствии
глицераткиназы, и образуется ФГК:
глицерат + АТФ → фосфоглицерат + АДФ.
ФГК – это конечный продукт цикла.
ФГК может поступать в С3-цикл для регенерации рибулезо-1,5дифосфата или использоваться для синтеза сахарозы и крахмала.
Таким образом, в ходе фотодыхания происходят реакции, связанные с
поглощением кислорода (в хлоропластах и пероксисомах) и выделением
углекислого газа (в митохондриях) (рис. 5.3.).
Рис.5.3. Возможный челночный перенос метаболитов между пероксисомами,
митохондриями и хлоропластами в ходе гликолатного цикла
Особенности гликолатного цикла. Особенности гликолатного цикла:
- СО2 образеется во время превращения двух молекул глицина в серин;
- О2 расходуется для синтеза гликолата и глиоксилата;
- поглощается кислород и выделяется углекислый газ на свету в
процессе метаболизма гликолата;
-
образуется
свободный
аммиак,
который
используется
для
аминирования оксиглутарата, в результате чего образуется глутамат;
- гликолатный путь является глюконеогенетическим. ФГК – это
продукт, который может использоваться для синтеза сахарозы и крахмала.
При фиксации СО2 для превращения углекислого газа в триозофосфат
требуется три молекулы АТФ и две молекулы НАДФН, оксигеназная реакция
требует пяти молекул АТФ и трех молекул НАДН в расчете на одну
молекулу кислорода.
В таблице отражен дополнительный расход АТФ и НАД(Ф)Н при
разных соотношениях карбоксилазной и оксигеназной реакций.
Таблица 5.1– Дополнительные затраты на оксигеназную реакцию с
участием рибулезо-1,5-дифосфата в отношении к затратам на фиксацию
углекислого газа
Отношение
Дополнительные затраты
карбоксилирование/оксигенирование АТФ
НАД(Ф)Н
2
83 %
75 %
4
42 %
38 %
В листе, где это соотношение составляет от двух до четырех
карбоксилазных реакции на одну оксигеназную, дополнительный расход
АТФ и НАД(Ф)Н для компенсации оксигеназной реакции составляет более
чем 50 % от затрат на фиксацию СО2.
Таким образом, побочная оксигеназная реакция
рибулезо-1,5-
дифосфаткарбоксилазы стоит растениям более чем трети перенесенных через
тилакоидную мембрану протонов.
Реакции гликолатного цикла происходят в хлоропластах, пероксисомах
и митохондриях. Следовательно, процесс фотодыхания требует совместной
работы трех органелл клетки. В пероксисоме находятся главные ферменты
этого
цикла:
гликолатоксидаза,
каталаза
и
глиоксилатредуктаза.
В
митохондриях локализованы ферменты, с помощью которых происходит
декарбоксилирование глицина с образованием серина и выделением
углекислого газа. Цикл начинается и кончается в хлоропластах. В
хлоропластах находятся РуБФ-карбоксилаза/оксигеназа и глицераткиназа. В
клетке эти органеллы примыкают друг к другу. Они функционально зависят
друг от друга.
С помощью гликолатного цикла азот переносится из пероксисомы в
митохондрию. В течение гликолатного цикла происходит потеря СО2,
поглощенного в С3-цикле. На десять оборотов цикла из десяти молекул
рибулезо-1,5-дифосфата, образовавшихся в цикле Кальвина, одна молекула
разрушается:
10 рибулезо-1,5-дифосфата + 10 О2 → 10 фосфогликолат + 10 ФГК
10 ФГК → 5 ФГК + 5 СО2;
10 ФГК + 5 ФГК → 15 ФГК → 9 рибулезо-1,5-дифосфата.
Регуляция фотодыхания. Фотодыхание связано с работой фермента
РуБФ-карбоксилазы/оксигеназы, соотношение двух путей использования
рибулезо-1,5-дифосфата будет зависеть от соотношения карбоксилазной и
оксигеназной активности этого фермента. Следовательно, кинетические
свойства фермента, температура и субстрату реакций – углекислый газ и
кислород определяют направление ферментативной активности РуБФкарбоксилазы и будут модулировать скорость фотодыхания. Повышение
температуры, повышение интенсивности света и снижение парциального
давления углекислого газа активирует фотодыхание.
Физиологическая роль фотодыхания. Гликолатный цикл выполняет
важные функции в растительном организме:
1.
является источником промежуточных веществ для различных
синтезов;
2.
играет важную роль в образовании аминокислот (серина и
глицина), то есть связан с азотным обменом растений;
3.
при
образовании
серина
из
глицина
восстанавливается
митохондриальный НАД, при окислении которого образуется АТФ;
4.
избыток продуктов цикла Кальвина увеличивает скорость
гликолатного цикла, а их недостаток усиливает интенсивность С3-цикла.
Лекция 6
С4-тип фотосинтеза
План.
1. История открытия С4-пути фотосинтеза.
2. С4-метаболизм у растений НАДФ-малатдегидрогеназного типа.
3. С4-метаболизм у растений НАД-малатдегидрогеназного типа.
4. С4-метаболизм у растений ФЭП-карбоксилазного типа.
5. Разнообразие С4-метаболизма.
История открытия С4-пути фотосинтеза. В течение ряда лет
считалось, что первым акцептором углерода служит рибулозодифосфат и что
первыми стабильными продуктами фотосинтеза являются трехуглеродные
соединения. Представление это подверглось пересмотру после того, как
выяснилось, что в опытах с
сахарный тростник
СО2 некоторые растения, например: кукуруза,
14
и родственные им тропические злаки ведут себя
необычно: метка включается у них в четырехуглеродные органические
кислоты: щавелевоуксусную кислоту (ЩУК), яблочную, аспарагиновую
гораздо быстрее, чем в ФГК. Такие растения стали называть С4-растениями.
История открытия С4-пути фотосинтеза у некоторых высших растений
ведет свое начало от исследований Корщака с сотрудниками. Они в конце
пятидесятых годов заметили, что листья сахарного тростника после
кратковременной инкубации в атмосфере с
14
СО2 на свету включают
значительную часть радиоактивной метки в малат и аспартат. Сходные
результаты были получены на кукурузе Ю. Карпиловым с сотрудниками в
Казани. Данные советских исследователей стали известны более широкому
кругу ученых в середине шестидесятых годов только после публикации
работы Коршака. Наконец, группой Хэтча (1966 – 1969 гг) в Австралии
данный эффект был обнаружен у многих других растений тропического
происхождения. Они провели исследования по разбавлению импульсной
метки у сахарного тростника; идентифицировали ряд ферментов С4-пути;
показали, что у кукурузы некоторые ферменты по - разному распределены
между хлоропластами мезофилла и хлоропластами обкладки проводящих
пучков; выявили несколько других видов растений, у которых характер
включения метки был точно таким же, как у сахарного тростника.
По мнению Ю. Карпилова «Хэтч и Слэк первыми указали, что эти виды
имеют углеродный метаболизм фотосинтеза, принципиально отличающийся
от
обычного,
«Кальвиновского»,
и
описали
его
как
новый
путь
карбоксилирования».
Анатомически С3- и С4- растения отличаются друг от друга. У С4растений имеются клетки обкладки и клетки мезофилла. Подобное строение
получило название кранц-анатомией (Kranz – венец, корона, рис.6.1).
Рис. 6.1. Характерная анатомия листа С4-растения:
Хлоропласты в обеих этих клетках морфологически различны.
Таблица 6.1 – Особенности хлоропластов мезофилла и хлоропластов клеток
обкладки у С4- растений
Хлоропласты мезофилла
Хлоропласты клеток обкладки
Граны крупные.
Граны отсутствуют, либо их очень
мало и они мелкие.
Активность
ФС-II
высока
и
Активность
ФС-II
мала
и
генерируется много АТФ, НАДФН и генерируется мало НАДФН и О2,
О2.
некоторое
количество
АТФ
поставляет ФС-II.
РуБФ-карбоксилазы практически нет, Концентрация
активность
РуБФ-карбоксилазы
ФЭП-карбоксилазы велика.
велика.
Крахмала нет.
Крахмальные зерна в изобилии.
Обе эти группы клеток у С4-растений кооперативно осуществляют
превращение СО2 в гексозу и последующее ее превращение в крахмал.
С4-цикл можно разделить на две стадии: стадию карбоксилирования,
происходящую в клетках мезофилла, и стадию декарбоксилирования,
идущую в клетках обкладки. Первая из этих реакций протекает в клетках
мезофилла. Здесь локализованы ферменты: пируват, ортофосфат – дикиназа,
ФЭП-карбоксилаза,
НАДН-малатдегидрогеназа.
Они
участвуют
в
карбоксилирующей стадии С4-пути:
Пируват + Рн + АТФ → ФЭП + АМФ + РРн (пируват, ортофосфат –
дикиназа)
ФЭП + СО2 → ЩУК + Рн (ФЭП-карбоксилаза)
ЩУК + НАДФН → малат + НАДФ (НАДН-малатдегидрогеназа).
Стадия декарбоксилирования протекает в клетках обкладки. Малат
диффундирует через плазмодесмы в клетки обкладки, где происходит
высвобождение
СО2
и
его
ассимиляция
с
участием
рибулезо-1,5-
дифосфаткарбоксилазы. У большинства С4-растений декарбоксилирование
малата катализируется ферментом малик – энзимом (декарбоксилирующей
малатдегидрогеназой):
Малат – СО2 - НАД(Ф) → пируват + НАД(Ф)Н.
На рис.6.2 показана упрощенная схема С4-метаболизма.
Рис.6.2. Упрощенная схема С4-метаболизма.
В настоящее время С4–растения подразделяются на три основные
подгруппы в соответствии с механизмом первичного декарбоксилирования.
Соотношение метаболических путей, ведущих к образованию малата или
аспартата, варьирует.
С4-путь фотосинтеза чаще всего имеет место у растений засушливых и
тропических районов.
С4-метаболизм у растений НАДФ-малатдегидрогеназного типа. В
эту
группу растений входят такие культуры, как кукуруза, сахарный
тростник, сорго, росичка кровяная, сыть округлая, ежовник, щетинник,
бородач.
На
рис.
компартментация.
6.3
Показана
последовательность
реакций
и
их
Рис. 6.3. Механизм концентрирования СО2 в растениях НАДФмалатдегидрогеназного типа:Т – переносчик
В превращении пирувата и СО2 в малат (пируват + СО2 → малат)
участвуют пять ферментов:
1.
пируват + Рн
ортофосфат-дикиназа).
В
+ АТФ
→
данной
ФЭП + АМФ + РРн
реакции
один
фосфатный
(пируват,
остаток
передается с АТФ на неорганический фосфат, это приводит к образованию
пирофосфата. Второй остаток
передается на гистидиновый остаток
каталитического центра фермента (E – His). В качестве промежуточного
продукта образуется фосфорный амид, фосфорный остаток передается на
пируват, что приводит к образованию ФЭП. Механизм реакции:
Е –His + ATФ + Рн ↔ E – His – Рн + АМФ + РРн
E – His – Рн + пируват ↔ Е –His + ФЭП.
2. РРн → 2 Рн (пирофосфатаза)
3. АМФ + АТФ → 2 АДФ (аденилаткиназа)
4. ФЭП + СО2 → ЩУК + Рн (ФЭП-карбоксилаза)
5. ЩУК + НАДФН → малат + НАДФ (НАДФ-малатдегидрогеназа)
-------------------------------------------------------------------------------------------В итоге: пируват + СО2 + 2 АТФ + НАДФН → малат + НАДФ + 2 АДФ
+ 2 Рн
ЩУК, образующийся в результате карбоксилирования ФЭП, с
помощью специфического переносчика транспортируется в хлоропласты, где
восстанавливается НАДФ-малатдегидрогеназой до малата. Образовавшийся
малат диффундирует из клеток мезофилла в клетки обкладки через
плазмодесмы. Для фиксации одной молекулы СО2 требуется две молекулы
АТФ и одна молекула НАДФН.
Диффузионный ток малата между двумя клетками требует наличия
диффузионного градиента величиной примерно в 2 ∙ 10 -3 М. Малик-энзим,
который локализован в хлоропластах клеток обкладки, катализирует
превращение малата в пируват с выделением СО2:
Малат + НАДФ
→
пируват + СО2
+ НАДФН (НАДФ-
малатдегидрогеназа декарбоксилирующая).
Этот
механизм
связывает
декарбоксилирование
малата
с
восстановительным пентозофосфатным циклом (ВПФ – цикл).
Образовавшийся пируват с участием специфического переносчика
экспортируется из хлоропластов клеток обкладки через плазмодесмы в
клетки мезофилла, где он с помощью другого переносчика входит в
хлоропласты клеток мезофилла. Здесь пируват вновь превращается в ФЭП.
С4-метаболизм у растений НАД-малатдегидрогеназного типа. В эту
группу растений входят такие культуры, как щирица колосистая, портулат
огородный, просо южное, свинорой, амарант, иван-чай.
На
рис.
компартментация.
6.4
показана
последовательность
реакций
и
их
Рис. 6.4. Механизм концентрирования СО2 в растениях НАДмалатдегидрогеназного типа, где Glu – глутамат, α- KG – α – кетоглутарат, Т
– переносчик
В превращении аланина и СО2 в аспартат (аланин + СО2 → аспартат)
участвуют шесть ферментов:
1. аланин + α – кетоглутарат → пируват + глутамат
(аланинаминотрансфераза)
2. пируват + Рн + АТФ → ФЭП + АМФ + РРн (пируват, ортофосфат дикиназа)
3. пирофосфаат → 2 Рн (пирофосфатаза)
4. АМФ + АТФ → 2 АДФ (аденилаткиназа)
5. ФЭП + СО2 → ЩУК + Рн (ФЭП-карбоксилаза)
6. ЩУК
+
глутамат
→
аспартат
+
α
–
кетоглутарат
(аспартатаминотрансфераза)
В итоге: аланин + СО2 + 2 АТФ → аспартат + 2 АДФ + 2 Рн
Для превращения аланина и СО2 в аспартат необходимо затратить две
молекулы АТФ.
Концентрация ЩУК в клетке меньше, чем 10-3 М, поэтому ЩУК не
может образовывать достаточно большой диффузионный градиент, чтобы
обеспечить интенсивный ток соединения в клетки. В то же время
концентрация глутамата в клетке велика, и в результате переаминирования
ЩУК концентрация аспартата достигает 5∙ 10-3 М. В связи с этим аспартат
удобен для поддержания диффузионного тока между клетками мезофилла и
обкладки.
После
диффузии
в
клетки
обкладки
аспартат
специфическим
переносчиком транспортируется в митохонлрии, где аспартат превращается в
ЩУК:
Аспартат
+
α-кетоглутарат
→
ЩУК
+
глутамат
(аспартатаминотрансфераза).
Затем ЩУК восстанавливается до малата:
ЩУК + НАДН → малат + НАД (НАД-малатдегидрогеназа).
Малат
декарбоксилируется
с
образованием
пирувата
а
НАД,
образовавшийся в реакции восстановления ЩУК, вновь восстанавливается до
НАДН:
Малат + НАД → пируват + СО2 + НАДН (НАД-малик-энзим)
Образовавшийся СО2 диффундирует в хлоропласты, где включается в
цикл Кальвина. Пируват выходит из митохондрий через специфический
переносчик в цитозоль, где превращается в аланин:
Пируват
+
глутамат
(аланинаминотрансфераза).
→
аланин
+
α-кетоглутарат
Так как эта реакция равновесная, концентрация аланина выше, чем
пирувата, то возникает диффузионный ток аланина в клетки мезофилла.
Здесь аланин превращается в пируват, реакция катализируется ферментом
аминотрансферазой.
Пируват
транспортируется
в
хлоропласты,
где
превращается в ФЭП под действием фермента пируватфосфатдикиназы.
Все молекулы НАДН, синтезируемые в митохондриях, используются
для
восстановления
окислительного
ЩУК.
Для
образования
фосфорилирования
образованные в клетках мезофилла,
АТФ
некоторые
в
результате
молекулы
ЩУК,
восстанавливаются в хлоропластах
клеток мезофилла до малата. Образовавшийся малат диффундирует в клетки
обкладки, входит в митохондрии, где окисляется с помощью малик – энзима
с образованием НАДН, который окисляется затем в дыхательной цепи с
образованием АТФ.
С4-метаболизм у растений ФЭП-карбоксилазного типа. В эту
группу растений входят такие культуры, как баклажаны, просо крупное,
хлорис.
На
рис.
6.5
показана
последовательность
реакций
и
их
компартментация.
Для превращения 3-ФГК и СО2 в малат и Рн требуются четыре
фермента:
3-ФГК → 2-ФГК (фосфоглицеромутаза)
2-ФГК → ФЭП (енолаза)
ФЭП + СО2 → ЩУК + Рн (ФЭП-карбоксилаза)
ЩУК +НАДФН → малат + НАДФ (НАДФ-малатдегидрогеназа)
В итоге: 3-ФГК + СО2 + НАДФН → малат + НАДФ + Рн
Это превращение не требует АТФ, но для фиксации одной молекулы
СО2 необходима одна молекула НАДФН.
Рис. 6.5. Механизм концентрирования СО2 в растениях ФЭПкарбоксилазного типа
ЩУК превращается в аспартат в клетках мезофилла, аспартат
диффундирует в клетки обкладки, где с участием аминотрансферазы,
локализованной в цитозоле, происходит регенерация оксалоацетата, в
цитозоле под действием ФЭП-карбоксилазы ЩУК превращается в ФЭП и
СО2 с затратой АТФ. СО2 диффундирует в хлоропласты, а ФЭП – обратно в
клетки мезофилла.
мезофилла,
Некоторая часть малата, образованная в клетках
диффундирует
в
клетки
обкладки,
там
окисляется
митохондриальным НАД-маликэнзимом. Образовавшийся НАДН является
субстратом
для
образования
АТФ
в
процессе
митохондриального
окислительного фосфорилирования. СО2 поступает в цикл Кальвина.
В метаболизме С4- ФЭП-карбоксилазного типа небольшая часть СО2
высвобождается в митохондриях, а большая – в цитозоле.
Разнообразие С4-метаболизма. У некоторых растений фиксация СО2
ФЭП-карбоксилазой и окончательная фиксация СО2 РуБФ-карбоксилазой
может осуществляться иначе. Для некоторых видов Chenopodiaceae
показано, что у данных видов С4-метаболизм происходит в удлиненных
клетках однотипного строения, в которых цитоплазма на периферическом
конце обогащена ФЭП-карбоксилазой, а на другом конце находятся
хлоропласты, содержащие РуБФ-карбоксилазу.
Лекция 7
Метаболизм по типу толстянковых.
План.
1. Общие представления о САМ-метаболизме.
2. Фиксация СО2 .
3. Реакции, происходящие на свету.
4. Энергетические затраты при САМ метаболизме.
5. Особенности САМ-растений.
Общие
представления
о
САМ-метаболизме.
Суккуленты,
произрастающие в засушливых областях, фиксируют атмосферный СО2 с
образованием четырехуглеродных соединений. Однако эти растения по
своему физиологическому поведению отличается от С4-растений. Устьица у
них открыты ночью и закрыты днем. Такой тип поведения устьиц
представляет несомненную выгоду для растений пустыни. Эти растения
поглощают в ночное время атмосферный СО2, образуя четырехуглеродные
органические кислоты, главным образом яблочную кислоту. Роль первичного
акцептора играет ФЭП, как и у
С4-растений. Днем, когда хлорофилл
активируется светом, яблочная кислота декарбоксилируется с образованием
трехуглеродного соединения и СО2, которая используется в цикле Кальвина
для построения шестиуглеродных соединений. Из
трехуглеродных
соединений регенерируется ФЭП, которая вновь может выступать в роли
акцептора
СО2.
У
САМ-растений
первичное
карбоксилирование
и
образование шестиуглеродных сахаров протекают в одних и тех же клетках,
но в разное время суток, а у С4-растений процессы происходят
одновременно. Принципиальная схема САМ-метаболизма представлена на
рис. 7.1
Рис. 7.1. Схема САМ-метаболизма
Фиксация СО2 . Фиксация СО2 у САМ-растений происходит ночью в
реакции с ФЭП, катализируемой ферментом ФЭП-карбоксилазой:
ФЭП + СО2 + Н2О → ЩУК + Рн (реакция 1)
У многих САМ-растений ФЭП образуется при гликолитическом
распаде крахмала, у других растений источником углерода могут служить
растворимые
углеводы
такие,
как
сахароза
и
фруктаны.
Крахмал,
локализованный в хлоропластах, деградирует до триозофосфата, который
экспортируется с помощью триозофосфат – фосфатного переносчика в
цитозоль и там превращается в ФЭП (реакция 1).
ЩУК, образовавщийся в результате фиксации СО2, восстанавливается
до малата в цитозоле:
ЩУК + НАДН → малат + НАД (реакция 2)
Реакция 2 катализируется НАД-малатдегидрогеназой (рис. 7.2).
Рис. 7.2. САМ-метаболизм ночью
НАДН, используемый в этой реакции, образуется за счет окисления
триозофосфата в цитозоле. Малат с затратами энергии поступает в вакуоль.
Малат благодаря градиенту протонов переносится в вакуоль через малатный
канал и в течение ночи хранится там. Происходит закисление. К утру рН
вакуолярного сока может снижаться до 3. АТФ, необходимая для САМметаболизма, генерируется в процессе окислительного фосфорилирования в
митохондриях при окисления малата.
Реакции, происходящие на свету. Малат днем через малатный канал
транспортируется в цитоплазму, а затем
- в хлоропласт. Затем малат
декарбоксилируется.
вида
В
зависимости
от
растения
СО2
может
высвобождаться различными путями (с помощью НАДФ-маликэнзима, НАДмаликэнзима или ФЭП-карбоксикиназы):
НАДФ-маликэнзим:
малат + НАДФ → пируват + НАДФН + СО2;
НАД-маликэнзим:
малат + НАД → пируват + НАДН + СО2;
НАД-маликэнзим и ФЭП-карбоксикиназа:
малат + НАД → ЩУК + НАДН,
ЩУК + АТФ → ФЭП + АДФ + СО2.
САМ-метаболизм НАДФ-маликэнзимного типа представлен на рис. 7.3.
СО2
поступает
в
цикл
Кальвина.
Пируват
с
помощью
пируватфосфатдикиназы превращается в ФЭП:
Пируват + АТФ + Рн → ФЭП + АМФ + РРн.
Образовавшийся
ФЭП
экспортируется
в
цитоплазму,
превращается 3-фосфоглицерат (рис.7.3). После входа
а
затем
в хлоропласты 3-
фосфоглицерат в триозофосфат, который поступает в цикл Кальвина.
Триозофосфаты используются для ресинтеза крахмала. Транспорт ФЭП, 3фосфоглицерата,
триозофосфата
и фосфата осуществляется с участием
триозофосфат – фосфатного переносчика.
Рис. 7.3. САМ-метаболизм днем.
Энергетические затраты при САМ метаболизме. Эдварс Дж. и
Уокер Д. полагают, что энергетические затраты, приходящиеся на фиксацию
СО2 у САМ-растений, рассматривают как затраты на:
- темновое закисление (рис. 7.4),
- декарбоксилирование С4-кислот,
- восстановительный пентозофосфатный цикл,
- превращения С3- продукта карбоксилирования в крахмал.
Рис. 7.4. Темновое закисление
Метаболизм кислот по типу толстянковых представлен на рис. 7.5.
САМ-растения хорошо приспособлены к полузасушливым условиям
окружающей среды. Днем в жару они запасают ту СО2, которая
высвобождается в процессе дыхания, а ночью, когда потери воды сведены к
минимуму, они ассимилируют СО2 из воздуха. Некоторые суккулентные
растения могут даже переходить к С3-фотосинтезу и использовать этот
процесс как дополнительное средство для роста в условиях водного
изобилия.
Рис.7.5. Метаболизм кислот по типу толстянковых
САМ-растения приспособлены не только к сбережению воды, они
также запасают углерод и у них сведены к минимуму потери той СО2,
которая высвобождается в процессе дыхания.
Особенности
САМ-растений.
Для
растений,
осуществляющих
метаболизм органических кислот по типу толстянковых, характерны
следующие особенности:
1.
Их устьица обычно открыты ночью и закрыты в течение дня. Эти
движения устьиц противоположны тем, что наблюдается у остальных
растений.
2.
Фиксация СО2 происходит в темное время суток в содержащих
хлоропласты клетках фотосинтезирующей ткани листа или стебля, причем
синтезируется значительные количества свободной яблочной кислоты.
3.
Эта яблочная кислота запасается в больших вакуолях, которые
характерны для клеток САМ-растений.
4.
В светлое время суток яблочная кислота декарбоксилируется,
высвобождающаяся
СО2 превращается в сахарозу и крахмал в световых
реакциях фотосинтеза С3-типа.
5.
В последующий темновой период часть запасного глюкана
распадается с образованием молекул – акцепторов для темновой реакции
фиксации СО2.
6.
В тканях САМ-растений существует суточный цикл: ночью
содержание запасного глюкана падает, содержание яблочной кислоты
повышается, днем происходят противоположные изменения.
Лекция 8
Окислительный пентозофосфатный путь
План.
1. Из истории открытия цикла.
2. Две фазы пентозофосфатного пути окисления глюкозы.
3. Фаза 1 - первый окислительный этап пентозофосфатного пути.
4. Фаза 2 - неокислительный этап.
5. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления глюкозы.
6. Функции окислительного пентозофосфатного пути.
Из истории открытия цикла. Первые работы по изучению химизма
окислительного пентозофосфатного пути – это работы О. Варбурга, Ф.
Диккенса, Б.Л. Хореккера (1935 -1938 гг.). Поэтому этот цикл иногда
называют путем Варбурга – Диккенса - Хореккера. Особенно много работ в
этом направлении появилось к концу 1940 и началу 1950 годов. К середине
1950 года был полностью изучен данный путь. Стало ясно, что любая живая
клетка способна к этому циклу. Все реакции этого пути протекают в
растворимой части цитоплазмы клетки, а также в пропластидах и
хлоропластах (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Пентозофосфатный путь окисления глюкозы.
Окислительный пентозофосфатный путь особенно активен в клетках, в
которых идет интенсивный синтез липидов, нуклеиновых кислот, элементов
клеточной стенки, фенольных соединений.
Две
фазы
пентозофосфатного
пути
окисления
глюкозы.
Окислительный пентозофосфатный путь можно разделить на две различные
фазы:
Фаза 1 – от глюкозо-6-фосфата до рибулезо-5-фосфата. Необратима в
физиологических условиях.
Фаза 2 – от рибулезо-5-фосфата до фруктозо-6-фосфата и 3фосфоглицеринового альдегида. Обратима.
Фаза 1 - первый окислительный этап пентозофосфатного пути.
Фаза 1(первый окислительный этап пентозофосфатного пути) начинается с
окисления глюкозо-6-фосфата до D-глюконо-δ-лактон-6-фосфата. Реакция
катализируется НАДФ-зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой. Эта
реакция сильно экзэргоническая и практически необратима.
Глюконо-δ-лактон-6-фосфат – соединение нестабильное и быстро
превращается либо спонтанно, либо с помощью 6-глюконолактонгидратазы в
6-фосфоглюконовую
кислоту,
которая
декарбоксилированию с образованием
подвергается
окислительному
D-рибулозо-5-фосфата. Реакция
катализируется НАДФ-зависимой 6-фосфоглюконат-дегидрогеназой. Эта
реакция идет с выделением СО2 и образованием НАДФН.
Этот процесс можно описать следующим образом:
6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + 2 Н2О → 6 рибулозо-5-фосфат + 12
НАДФН + 6 СО2 (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Две окислительные реакции пентозофосфатного пути
В фазе 1 на одну молекулу глюкозо-6-фосфата образуются две
молекулы НАДФН.
Фаза 2 - неокислительный этап. В ходе неокислительного этапа
происходит регенерация фруктозо-6-фосфата из пентоз. В фазе 2 рибулозо-5фосфат изомеризуется в D-рибозо-5-фосфат и D-ксилулозо-5-фосфат.
Реакции катализируют рибозофосфат-изомеразы и рибозофосфат-эпимеразы,
соответственно.
Рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат взаимодействуют друг с другом
с образованием 3-фосфоглицеринового альдегида (ФГА) и D-седогептулозо7-фосфата.
Реакция
катализируется
транскетолазой.
Транскетоллаза
расщепляет связь С – С между кетогруппой и соседним атомом углерода в
молекуле ксилулозо-5-фосфата, в результате чего образуется 3-ФГА и
двухуглеродный фрагмент, который переносится на альдегидную группу
рибозо-5-фосфата с образованием седогептулозо-7-фосфата:
Рибулозо-5-фосфат + ксилулозо-5-фосфат → 3-ФГА + седогептулозо-7фосфат.
3-ФГА и D-седогептулозо-7-фосфат взаимодействуют друг с другом,
образуются фруктозо-6-фосфат и D-эритрозо-4-фосфат при участии фермента
трансальдолазы. Трансальдолаза переносит трехуглеродный фрагмент от
седогептулозо-7-фосфата на 3-ФГА, образуя фруктозо-6-фосфат и эритрозо4-фосфат (рис. 8.3):
3-ФГА + седогептулозо-7-фосфат → фруктозо-6-фосфат + эритрозо-4фосфат.
Рис. 8.3. Перенос C3-фрагмента с кетона на альдегид
Из
эритрозо-4-фосфат
и
ксилулозо-5-фосфата
под
действием
транскетолазы образуются ФГА и фруктозо-6-фосфат. В данной реакции,
катализируемой
транскетолазой,
происходит
перенос
двууглеродного
фрагмента от ксилулозо-5-фосфата на эритрозо-4-фосфат, продукт реакции фруктозо-6-фосфат и 3-ФГА.
Суммарное
уравнение
пентозофосфатного
пути
окисления
глюкозы. В результате превращения трех пентоз образуются две гексозы
(фруктозо-6-фосфат) и одна триоза (3-ФГА):
3 фосфопентозы ↔ 2 фосфогексозы + ФГА.
Эта цепь реакций обратима, что позволяет клетке производить рибозо5-фосфат для биосинтеза нуклеотидов даже тогда, когда нет потребности
НАДФН.
Если в цикл вступают еще три пентозы, то образуется еще два
фруктозо-6-фосфата и один 3-ФГА. 3-ФГА
может изомеризоваться в
диоксиацетонфосфат (ДОАФ). В результате альдольной конденсации ФГА и
ДОАФ образуется пятая молекула фруктозо-6-фосфата.
Таким образом, на первом окислительном этапе из шести молекул
глюкозо-6-фосфата образуется шесть молекул рибулозо-5-фосфата и шесть
молекул СО2. Затем из шести молекул рибулозо-5-фосфата регенерируют
пять молекул глюкозо-6-фосфата. Все шесть молекул СО2 образуются из
первого углеродного атома каждой из шести молекул глюкозо-6-фосфата.
Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления глюкозы:
6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + 7 Н2О → 5 глюкозо-6-фосфат + 12
НАДФН + 6 СО2.
Следовательно, для того чтобы цикл был замкнут, необходимо участие
шести молекул глюкозо-6-фосфата и образование, соответственно, шесть
молекул рибулозо-5-фосфата. Перегруппировка молекул сопровождается
превращением шести молекул пятиуглеродных сахаров в пять молекул
шестиуглеродных сахаров. Скорость пентозофосфатного пути окисления
глюкозы регулируется в первую очередь концентрацией НАДФ.
У растений ферменты окислительного пентозофосфатного цикла
обнаружены как в цитозоле, так и в пластидах. Пластидные и цитозольные
изоформы кодируются разными ядерными генами. В гетеротрофных тканях
корня окислительный пентозофосфатный цикл в пластидах протекает
достаточно активно. На свету в хлоропластах действует цикл Кальвина,
многие
его
ферменты
–
фосфатазы,
транскетолазы,
триозофосфатизомераза – являются также ферментами
альдолаза,
окислительного
пентозофосфатного цикла. Полагают, что в хлоропластах окислительный
пентозофосфатный цикл действует только в темноте. «Выключение» цикла
на свету связано с механизмом регуляции пластидной изоформы глюкозо-6фосфатдегидрогеназы.
Функции окислительного пентозофосфатного пути. В процессе
полного окисления глюкозы образуется 12 молекул НАДФН, которые при
окислении в электрон-транспортной цепи могут дать 36 молекул АТФ.
Однако основная роль этого цикла не связана с синтезом АТФ, его роль
заключается в поддержании пластического обмена.
Функции окислительного пентозофосфатного пути:
1.
Генерация НАДФН, который используется как восстановитель во
многих
биосинтезах, а также для синтеза углеводов с разным числом
углеродных атомов и для восстановления NO3− и SO42-.
2.
Образующиеся пяти- и четыреуглеводы активно уходят из цикла,
так как необходимы для синтеза нуклеотидов, ароматических соединений,
витаминов, флавоноидов, полисахаридов клеточной стенки и так далее.
3.
Три- и шестисахара могут покидать цикл и включаться в процесс
гликолиза, который протекает в тех же компартментах (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Окислительный пентозофосфатный путь и его связь с другими
путями метаболизма
4.
Пентозофосфатный путь окисления глюкозы представляет собой
обращенный цикл Кальвина, поэтому и его компоненты могут участвовать и
в фиксации СО2.
5.
Нередко окисление глюкозы по пентозофосфатному пути может
на одном из этапов переходить на гликолитический путь. Образующиеся при
этом в хлоропластах триозофосфаты, поступая в гликолиз и цикл Кребса,
могут использоваться на синтез АТФ.
Аннотация. Данный конспект лекций, включая мультимедийную
презентацию, содержит 2 раздела, 8 лекций. Первый раздел включает две
лекции, в которых говорится об истории становления биохимиикак науки,
методах, используемых в данной науке. Во втором разделе (8 лекций)
рассматривается обмен углеводов. Главная цель – познакомить студента с с
обменом
углеводов,
особенностями,
функциями.
Конспект
лекций
предназначен для студентов, аспирантов и преподавателей направление
«Биология».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная
1.
Льюин, Б. Гены // ред. Д. В. Ребриков. - М.: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2011. - 896 с.
2. Клетки / / ред. Б. Льюин, Л. Кассимерис, В.П. Лингаппа, Д. Плоппер. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 951 с.
3. Хелдт Г.-В. Биохимия растений // под ред. А.М. Носова, В.В. Чуба. М.: Бином. Лаборатория знаний. 2011.- 472 с.
4. Щербаков В.Г., Лобанов В.Г., Прудникова Т.Н., Минакова А.Д.
Биохимия. Санкт-Петербург: ГИОРГ, 2005.
5. Plant Metabolomics Edited by K. Saito, R.A. Dixon, and L.Willmitzer
Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.
6. George Kvesitadze, Gia Khatisashvili, Tinatin Sadunishvili, Jeremy J.
Ramsden. Biochemical Mechanisms of Detoxification in Higher Plants.
Basis of Phytoremediation. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.
7. Wilfred Vermerris, Ralph Nicholson. Phenolic compound Biochemistry.
Springer Science + Business Media B.V. 2009
Дополнительная
1. Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология. Изд-во: Книжный
дом, 2004.
2. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. Под ред.
Северина Е.С., Николаева А.Я. ГЗОТАР – МЕД. 2001.
3. Гамбург К.З. Биохимия ауксина и его действие на клетки растений.
Новосибирск: Изд-во «Наука», 1976.
4. Гудвин Т., Мерсер А. Введение в биохимию растений. М.: Мир. Т. 1,2,
1986.
5. Дерфлинг К. Гормоны растений. Системный подход. М.: Мир, 1985.
6. Евстигнеева Р.П., Звонкова Е.Н., Серебренникова Г.А., Швец. В.И.
Химия липидов. М.: Химия, 1983.
7. Ершов Ю.А., Попков В.А. Общая химия. М.: Высшая школа, 2003.
8. Запрометов М.И. Основы биохимии фенольных соединений. М.:
Высшая школа, 1974.
9. Землянухин А. А., Землянухин Л.А., Епринцев А.Т., Игамбердиев А.У.
Глиоксилатный цикл растений. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1986.
10.Клейтон Р. Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели.
М.: Мир, 1984.
11.Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2004.
12.Красильников Л.А., Авксентьева О.А., Жмурко В.В., Садовниченко
Ю.А. Биохимия растений. Ростов: Тормсинг Феникс, 2004.
13.Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир. Т. 1-3, 1985.
14.Лобанов В.Г., Прудникова Т.Н., Щербаков В.Г. Биохимия: Учебник для
ВУЗов. Под ред. Щербакова В.Г. Изд-во: ГИОРД, 2003.
15.Ловкова М.Я. Биосинтез и метаболизм алкалоидов в растениях. М.:
Наука, 1981.
16.Мецлер Д. Биохимия. М.: Мир, 1980.
17.Осипов В.И. Гидроароматические кислоты в жизнедеятельности
хвойных. Новосибирск: Изд-во «Наука», 1979.
18.Полевой В.В. Фитогормоны. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1982.
19.Страер Р. Биохимия. М.: Мир. Т. 1-3, 1985.
20.Уоринг Ф., Филлипс И. Рост растений и дифференцировка. М.: Мир,
1984.
21.Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. Под ред.
Третьякова Н.Н. Москва: Колос, 2000.
22.Филипцова Г.Г., Смолич И.И. Основы биохимии растений. БГУ, 2004.
23.Фотосинтез: В 2 т. /Под ред. Говинджи. – М.: Мир, 1987.
24.Эдвардс С., Уокер Д. Фотосинтез С3 и С4 растений: механизмы и
регуляция. М.: Мир, 1986. 590 с.
25.СТО 4.2-07-2008. Система менеджмента качества. Общие требования к
построению, изложению и оформлению документов учебной и
научной деятельности [текст]/ разраб. Т.В. Сильченко, Л.В. Белошапко
и др. – Введ. Впервые 09.12.2008. – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. – 47
с.