Взаимопревращения моносахаридов

В фотосинтезирующих клетках растений первичные углеводы образуются в процессе фотосинтеза, который осуществляется в ходе реакций цикла Кальвина. В этом цикле синтезируются не свободные моносахариды, а их фосфорнокислые эфиры: 3-фосфоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон, эритрозо-4-фосфат, рибозо-5-фосфат, фруктозо-6-фосфат и др. Каждый из этих производных моносахаридов, вступая в реакции цикла, может превращаться в другие моносахариды. Конечный продукт цикла Кальвина фруктозо-6-фосфат путём изомеризации очень легко превращается в глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкозофосфатизомеразы:

⇄

фруктозо-6-фосфат глюкозо-6-фосфат

Вследствие того, что реакции изомеризации сопровождаются небольшим изменением свободной энергии, они в большинстве своём обратимы.

Под действием фермента маннозофосфатизомеразы фруктозо-6-фосфат изомеризуется в маннозо-6-фосфат:

⇄

фрукто-6-фосфат маннозо-6-фосфат

В результате действия соответствующих мутаз, осуществляющих внутримолекулярный перенос фосфатной группы, из глюкозо-6-фосфата образуется глюкозо-1-фосфат, а из маннозо-6-фосфата – маннозо-1-фосфат:

⇄

глюкозо-6-фосфат глюкозо-1-фосфат

⇄

маннозо-6-фосфат маннозо-1-фосфат

В нефотосинтезирующих клетках растений и у гетеротрофных организмов фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат включаются в реакции гликолиза или пентозофосфатного цикла. В ходе реакций гликолиза фосфорилированная гексоза расщепляется на две триозы – 3-фосфогли-цериновый альдегид и фосфодиоксиацетон, из которых при обращении реакций гликолиза может снова синтезироваться гексоза. В пентозофосфатном цикле образуется примерно такой же набор фосфорнокислых производных моносахаридов, как и в цикле Кальвина. Таким образом, мы видим, что в гликолитических реакциях осуществляются взаимные превращения гексоз и триоз на уровне их фосфорнокислых эфиров, а в пентозофосфатном цикле и цикле Кальвина происходят взаимные превращения фосфорилированных форм триоз, пентоз, эритрозы, глюкозы и фруктозы.

Включение свободных моносахаридов в различные реакции их превращений осуществляется путем фосфорилирования. В качестве донора фосфатных групп для реакций фосфорилирования чаще всего используется АТФ. Ферменты, катализирующие перенос фосфатных групп от АТФ на моносахариды, называют киназами.

Фосфорилирование глюкозы и маннозы катализирует фермент гексокиназа с образованием глюкозо-6-фосфата и маннозо-6-фосфата:

+ АТФ ⇄ + АДФ

глюкоза глюкозо-6-фосфат

+ АТФ ⇄ + АДФ

манноза маннозо-6-фосфат

По аналогичному механизму фруктокиназа катализирует образование фруктозо-1-фосфата из фруктозы, а фермент галактокиназа синтезирует галактозо-1-фосфат из галактозы.

Образование свободных моносахаридов из их фосфорилированных форм катализируют ферменты гидролитического типа – фосфатазы, которые отщепляют от фосфатов моносахаридов остатки фосфорной кислоты. Гидролиз глюкозо-6-фосфата происходит с участием глюкозо-6-фосфатазы, галактозо-1-фосфата – под действием галактозо-1-фосфатазы, фруктозо-6-фосфата – фруктозо-6-фосфатазы и т.д.

глюкозо-6-фосфатаза

+ Н₂О ¾¾® + Н₃РО₄

глюкозо-6-фосфат глюкоза

Значительно сложнее происходят взаимопревращения галактозы и других моносахаридов. В этих реакциях в качестве промежуточных продуктов образуются нуклеозиддифосфатпроизводные соответсвующих моносахаридов. На первом этапе таких превращений галактоза фосфорилируется с участием фермента галактокиназы, в результате образуется галактозо-1-фосфат:

+ АТФ ¾¾¾® + АДФ

галактоза галактозо-1-фосфат

На следующей стадии галактозо-1-фосфат взаимодействует с уридинтрифосфатом (УТФ). Эту реакцию катализирует фермент галактозо-1-фосфатуридилилтрансфераза, под действием которого образуется нуклео-тидное производное галактозы – уридиндифосфатгалактоза (УДФ-галактоза) и пирофосфат:

ОН ОН

| |

+ УТФ ¾¾® НО–Р~О–Р–ОН₂С

|| ||

О О

Н₄Р₂О₇

галактозо-1-фосфат УДФ-галактоза

В дальнейшем УДФ-галактоза изомеризуется в УДФ-глюкозу под действием специфической НАД-зависимой 4-эпимеразы:

4-эпимераза

¾¾¾¾®

¾¾¾¾

УДФ-галактоза УДФ-глюкоза

После гидролитического расщепления УДФ-глюкоза распадается на два продукта – глюкозо-1-фосфат и уридинмонофосфат (УМФ):

+ Н₂О ¾¾® + УМФ

УДФ-глюкоза глюкозо-1-фосфат

Глюкозо-1-фосфат может далее изомеризоваться в глюкозо-6-фосфат, а глюкозо-6-фосфат – во фруктозо-6-фосфат. Таким образом, посредством указанных реакций галактоза может превращаться во фруктозо-6-фосфат, который включается в реакции дыхания, или в глюкозо-6-фосфат, способный превращаться в продукты пентозофосфатного цикла.

Возможен также синтез галактозо-1-фосфата и глюкозо-1-фосфата, так как в клетках организмов содержится фермент глюкозо-1-фосфатури-дилилтрансфераза, катализирующий образование УДФ-глюкозы из глюкозо-1-фосфата и УТФ:

глюкозо-1-фосфат + УТФ ¾¾® УДФ-глюкоза + Н₄Р₂О₇

Затем УДФ-глюкоза под действием 4-эпимеразы изомеризуется в УДФ-галактозу, при гидролизе которой образуется галактозо-1-фосфат:

УДФ-галактоза + Н₂О ¾¾® галактозо-1-фосфат + УМФ

Взаимопревращения гексоз и пентоз осуществляются в пентозофосфатном цикле и цикле Кальвина. Важное значение для этих реакций имеют ферменты транскетолаза и трансальдолаза, а в пентозофосфатном цикле - фермент фосфоглюконатдегидрогеназа, катализирующий окислительное декарбоксилирование 6-фосфоглюконовой кислоты с образованием рибулозо-5-фосфата. Этот фермент фактически осуществляет превращение гексозы в пентозу.

Во взаимных превращениях пентоз также участвуют ферменты рибулозо-фосфатэпимераза и рибозофосфатизомераза, поддерживающие динамическое равновесие между рибулозо-5-фосфатом, с одной стороны, и ксилулозо-5-фосфатом и рибозо-5-фосфатом, с другой стороны.

Ксилоза и арабиноза синтезируются также из гексоз, но другим путём. При этом в качестве промежуточных продуктов образуются нуклеотидные производные глюкуроновой и галактуроновой кислот. На первом этапе осуществляется ситез УДФ-глюкозы из глюкозо-1-фосфата и УТФ, а затем под действием фермента УДФ-глюкозодегидрогеназы (2.1.1.22) УДФ-глюкоза окисляется в УДФ-глюкуроновую кислоту:

+ 2НАД⁺ + Н₂О ® + 2НАД×Н+2Н⁺

УДФ-глюкоза УДФ-глюкуроновая

кислота

Затем УДФ-глюкуроновая кислота подвергается превращению в пиранозную форму УДФ-ксилозы:

¾¾®

СО₂

УДФ-глюкуроновая УДФ-ксилоза

кислота

Полученная таким путём УДФ-ксилоза используется в процессе синтеза ксиланов, а свободная ксилоза не накапливается.

По аналогичному механизму осуществляется синтез УДФ-арабинозы из УДФ-галактозы, при этом в качестве промежуточного продукта образуется УДФ-галактуроновая кислота. УДФ-арабиноза также не накапливается в растительных тканях, а используется для синтеза арабанов. Кроме того, возможны взаимные превращения УДФ-глюкуроновой и УДФ-галактуроновой кислот, а также пираназных форм УДФ-ксилозы и УДФ-арабинозы под действием соответствующих 4-эпимираз:

D

УДФ-глюкуроновая УДФ-галактуроновая

кислота кислота

D

УДФ-ксилоза УДФ-арабиноза

УДФ-галактуроновая кислота является основным источником галактуроновой кислоты для синтеза пектиновых веществ, а УДФ-глюкуроновая кислота участвует в синтезе ксиланов (в качестве ответвлений), полиуренидов, аскорбиновой кислоты.

Синтез аскорбиновой кислоты. Основным предшественником в синтезе аскорбиновой кислоты является УДФ-глюкуроновая кислота, которая под действием специфической гидролазы даёт свободную глюкуроновую кислоту:

УДФ-глюкуроновая кислота + Н₂О ¾®глюкуроновая кислота + УДФ

После этого глюкуроновая кислота с участием фермента глюкуронатредуктазы (1.1.1.19) восстанавливается в L-гулоновую кислоту:

	О // С–Н СН2ОН | | Н–С–ОН Н–С*–ОН | | НО–С–Н + НАД×Н + Н+ ¾¾® НО–С–Н + НАД+ | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | СООН СООН D-глюкуроновая кислота L-гулоновая кислота

Принадлежность к стереохимическому ряду гулоновой кислоты определяется по наиболее удалённому от карбоксильной группы ассиметрическому атому углерода (отмечен звездочкой), который показывает, что в данном случае образуется L-форма.

О О // // С–ОН С------- | | | НО–С–Н НО–С–Н | | | О НО–С–Н ¾¾® НО–С–Н | + Н2О | | | Н–С–ОН Н–С------- | | НО–С*–Н НО–С–Н | | СН2ОН СН2ОН L-гулоновая кислота L-гулонолактон

В следующей реакции в результате отщепления воды L-гулоновая кислота превращается в L-гулонолактон. Эту реакцию катализирует фермент альдонолактоназа (3.1.1.8):

О О О // // // С------- С------- С------- | | НАД×Н + Н+ | | | | НО–С–Н | НАД+ НО–С–Н | НО–С О | О ¾¾¾® | О ¾¾® || | НО–С–Н | О=С | НО–С | | | | | | | Н–С-------- Н–С-------- Н–С------- | | | НО–С–Н НО–С–Н НО–С–Н | | | СН2ОН СН2ОН СН2ОН L-гулонолактон кетопроизводное L-аскорбиновая аскорбиновой кислота кислоты

Под действием дегидрогеназы от L-гулонолактона отщепляются атомы водорода с образованием кетопроизводного аскорбиновой кислоты, которое затем подвергается енолизации и превращается в L-аскорбиновую кислоту:

У человека и других приматов, а также у морских свинок отсутсвуют ферменты, катализирующие дегидрирование L-гулонолактона, поэтому в этих организмах аскорбиновая кислота не синтезируется и может поступать только с пищей. В растениях аскорбиновая кислота синтезируется в больших количествах, особенно в молодых листьях, овощах, плодах и ягодах.

Превращение моносахаридов в спирты. У растений, грибов и водорослей важную роль в углеводном обмене играют спирты – сорбит, маннит, дульцит.

Дульцита много содержится в листьях ряда растений, особенно в листьях бересклета. Сорбита много накапливается в плодах и ягодах. Очень много маннита в грибах и водорослях, а также в некоторых растительных продуктах. Синтез этих спиртов осуществляется в результате восстановления соответствующих моносахаридов. Наиболее хорошо изучена реакция образования маннита из фруктозы. Эту реакцию катализирует фермент маннитолдегидрогеназа (1.1.1.138):

	СН2ОН СН2ОН | | C=O НO–C–H | | НO–C–H + НАДФ×Н + Н+ ¾® НO–C–H + НАДФ+ | | H–C–OH H–C–OH | | H–C–OH H–C–OH | | CH2OH CH2OH фруктоза маннит

Спирты, синтезируемые в результате восстановления моносахаридов, выполняют функцию резервных углеводов. Они очень легко превращаются в соответствующие моносахариды и таким образом включаются в различные биохимические реакции, лежащие в основе обмена углеводов.

9.5. Синтез и превращения олигосахаридов.

Наиболее распространенный олигосахарид растений – сахароза, который синтезируется только в клетках растений и выполняет в них роль транспортной формы, а также может накапливаться в качестве запасного вещества в корнеплодах сахарной свеклы, сахарном тростнике, овощах, плодах и ягодах. В листьях растений синтез сахарозы происходит в цитоплазме фотосинтезирующих клеток из УДФ-глюкозы и фруктозо-6-фосфата, образующегося в реакциях цикла Кальвина.

На первом этапе синтеза сахарозы a-глюкоза подвергается активированию путём фосфорилирования от АТФ под действием фермента гексокиназы. В результате реакции образуется глюкозо-6-фосфат и АТФ:

+ АТФ ¾® + АДФ

a-глюкоза глюкоза-6-фосфат

Затем глюкозо-6-фосфат изомеризеутся в глюкозо-1-фосфат с участием фермента фосфоглюкомутазы:

¾¾®

¾¾

глюкозо-6-фосфат глюкозо-1-фосфат

В следующей реакции глюкозо-1-фосфат взаимодействует с уридинтрифосфатом (УТФ), при этом образуются уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза) и пирофосфорная кислота. Реакцию катализирует фермент глюкозо-1-фосфатуридилилтрансфераза (2.7.7.9):

+ УТФ ¾¾® + Н₄Р₂О₇

глюкозо-1-фосфат УДФ-глюкоза

После этого из УДФ-глюкозы с участием фруктозо-6-фосфата осуществляется синтез сахарозофосфата под действием фермента сахарозофосфат-УДФ-глюкозилтрансферазы (2.4.1.14):

+ ¾®

УДФ

УДФ-глюкоза фруктозо-6-фосфат сахарозофосфат

С участием фермента сахарозофосфатазы сахарозофосфат гидролизуется с образованием сахарозы и фосфорной кислоты:

сахарозофосфат + Н₂О ¾® сахароза + Н₃РО₄

Таким образом, для синтеза сахарозы затрачивается энергия макро-эргических связей АТФ и УТФ, необходимых для активирования a-глю-козы, а также энергия биоэнерггетических продуктов световой фазы фотосинтеза, которая потребляется в реакциях цикла Кальвина при образовании фруктозо-6-фосфата.

В нефотосинтезирующих клетках растений (корнеплодов, клубней картофеля и земляной груши, зародышей пшеницы и кукурузы, семян гороха и др.) найден фермент сахарозо-УДФ-глюкозилтрансфераза (2.4.1.13), катализирующий синтез сахарозы из УДФ-глюкозы и фруктозы в соответсвии со следующей реакцией:

УДФ-глюкоза + фруктоза D сахароза + УДФ

Следует отметить, что при высокой концентрации УДФ данный фермент может катализировать и обратную реакцию образования УДФ-глюкозы и фруктозы из сахарозы. С помощью такой реакции, например, происходит включение транспортной формы сахарозы в биохимические превращения, имеющие место в акцепторных клетках растений.

Другой путь включения сахарозы в обмен веществ организма – её гидролиз под действием фермента b-фруктофуранозидазы, который даёт свободные формы моносахаридов глюкозы и фруктозы:

сахароза + Н₂О ¾® глюкоза + фруктоза

Фермент b-фруктофуранозидаза (или инвертаза) содержится в клетках растений, животных, грибов. В клетках бактерий найден также фермент сахарозофосфорилаза, который способен превращать сахарозу во фруктозу и глюкозо-1-фосфат:

сахароза + Н₃РО₄ ¾®глюкозо-1-фосфат + фруктоза

Образующийся в этой реакции глюкозо-1-фосфат может затем непосредственно включиться в реакции анаэробного дыхания.

Синтез трегалозы. В грибах и водорослях накапливается дисахарид трегалоза, который синтезируется из двух молекул a-глюкозы примерно по такому же механизму, как и сахароза. Молекула глюкозы последовательно активируется путём фосфорилирования и взаимодействия с УТФ с образованием УДФ-глюкозы. Другая молекула a-глюкозы также фосфорилируется, превращаясь в глюкозо-6-фосфат. Затем под действием фермента трегалозофосфат-УДФ-глюкозилтрансферазы из УДФ-глюкозы и глюкозо-6-фосфата синтезируется трегалозофосфат:

+ ¾®

УДФ

УДФ-глюкоза глюкозо-6-фосфат трегалозофосфат

Затем с участием фосфатазы трегалозофосфат подвергается гидролизу, в ходе которого от трегалозофосфата отщепляется остаток фосфорной кислоты с образованием трегалозы:

трегалозофосфат + Н₂О ¾® трегалоза + Н₃РО₄

Кроме грибов и водорослей, трегалоза также содержится в некоторых растениях и в гемолимфе многих насекомых, выполняя у них роль антифриза и транспортной формы сахаров.

Синтез рафинозы. Широко распространённый в растениях трисахарид рафиноза синтезируется путём переноса a-галактозильного остатка от УДФ-галактозы на гидроксил у 6-го углеродного атома остатки глюкозы в молекуле сахарозы:

+ ¾®

УДФ