Синтез и распад полисахаридов
Синтез полисахаридов катализируют ферменты гликозилтрансферазы, которые осуществляют перенос остатков соответствующих моносахаридов, связанных с нуклеозиддифосфатными группировками, на акцептор, представляющий собой олигосахарид, который включает 2-4 соединённых О-гликозидными связями моносахаридных остатка. При этом могут синтезироваться полимеры, имеющие линейную (цепочечную) структуру или разветвлённые молекулы, состоящие как из одинаковых, так и из разных моносахаридных остатков. Многие гликозилтрансферазы представлены белками, которые связаны в определённых участках с внутриклеточными мембранами.
Синтез крахмала. Крахмал в растительных тканях представлен двумя полисахаридами амилозой и амилопектином. Синтез амилозы происходит в 3 этапа. Вначале осуществляется активирование a-глюкозы путём фосфорилирования и образования аденозиндифосфатглюкозы (АДФ-глюкозы) под действием фермента АДФГ-пирофосфорилазы:
гексокиназа
глюкоза + АТФ ¾¾¾® глюкозо-6-фосфат + АДФ
фосфоглюко-
глюкозо-6-фосфат ¾¾¾® глюкозо-1-фосфат
мутаза
АДФГ-пиро-
глюкозо-1-фосфат + АТФ ¾¾¾® АДФ-глюкоза + Н4Р2О7
фосфорилаза
На следующем этапе с участием АДФ-глюкозы под действием фермента глюкозилтрансферазы синтезируется олигосахарид, состоящий из 2-4 остатков глюкозы, соединённых a(1®4)-связями. Фермент глюкозилтрансферазу очень часто называют D-ферментом. Образующийся под действием D-фермента олигосахарид далее служит акцептором для присоединения глюкозных остатков от АДФ-глюкозы при синтезе полимера.
Образование цепочечных структур молекул амилозы катализирует фермент АДФГ-крахмалглюкозилтрансфераза (2.4.1.21). Реакция протекает по следующей схеме:
(глюкоза)n + АДФ-глюкоза ¾® (глюкоза)n+1 + АДФ
первичный акцептор промежуточный продукт
полимеризации
В этой реакции с помощью фермента остаток глюкозы от АДФ-глюкозы переносится на первичный акцептор, в результате чего его глюкозная цепь удлиняется на один остаток. Затем полученный продукт становится акцептором следующего остатка глюкозы и так продолжается присоединение глюкозных остатков от АТФ-глюкозы на соответствующий промежуточный акцептор, пока не закончится полный синтез молекулы амилозы.
В ходе синтеза амилозы образуется длинная цепь (до 300) глюкозных остатков, соединённых О-гликозидными a(1®4)-связями. При этом следует отметить, что остатки глюкозы в процессе синтеза крахмала всегда присоединяются к нередуцирующим концам полисахаридной цепи акцептора (т.е. со стороны НО-группы четвёртого углеродного атома глюкозы).
Синтез a(1®6)-связяей в молекулах амилопектина, за счёт которых образуются разветвлённые молекулы, осуществляется с участием так называемого Q-фермента, который по современной номенклатуре ферментов получил название a-глюкантрансферазы (2.4.1.18). Q-фермент способен катализировать перенос определённого участка полиглюкозной цепи на НО-группу шестого углеродного атома одного из глюкозных остатков прилегающей и параллельно расположенной полисахаридной цепи. Расстояние между ответвлениями в цепи зависит от природы фермента.
Донорорм глюкозных остатков для синтеза крахмала может также служить УДФ-глюкоза, но при этом скорость реакции очень сильно замедляется. Однако в клетках животных организмов основным источником глюкозных остатков для построения молекул гликогена (аналога крахмала) служит УДФ-глюкоза.
Распад крахмала. Распад молекул крахмала может происходить путём гидролиза или фосфоролитических реакций. Гидролитическое расщепление a(1®4)-связей в молекулах крахмала катализируют амилазы: a-амилаза (3.2.1.1), b-амилаза (3.2.1.2), глюкоамилаза (3.2.1.3).
a-Амилазы действуют на a(1®4)-связи между точками вставления и способны расщеплять молекулы амилопектина на более мелкие фрагменты, представляющие собой низкомолекулярные полисахариды – декстрины. Для проявления каталитической активности a-амилаз необходимо присутствие в реакционной среде хлорид-ионов, которые служат активаторами фермента. Без участия a-амилаз невозможно полное гидролитическое расщепление молекул амилопектина.
Под действием b-амилаз происходит гидролитическое расщепление a(1®4)-связей на концах полисахаридных цепей целых молекул или декстринов с образованием b-мальтозы. Действие этих ферментов прекращается при достижении точек ветвления молекул крахмала, в которых глюкозные остатки соединены a(1®6)-связями.
Глюкоамилазы так же, как и b-амилазы, катализируют гидролиз a(1® 4)-связей на концах полисахаридных цепей, но в результате действия этих ферментов образуются молекулы глюкозы.
Гидролитическое расщепление a(1®6)-связей в точках ветвления молекул амилопектина катализируют R-ферменты, которые называют амилопектин-1,6-глюкозидазами (3.2.1.9)
Под действием всего набора амилолитических ферментов крахмал гидролизуется с образованием мальтозы и глюкозы. Однако на мальтозу также действуют ферменты, относящиеся к гидролазам, a-глюкозидазы (3.2.1.20), которые расщепляют молекулы мальтозы с образованием глюкозы. Схематически действие гидролитических ферментов на молекулу крахмала показано на рисунке 38.
Препараты, содержащие амилолитические ферменты, используются в производстве хлеба, пива, пищевого спирта, а также в качестве кормовых добавок в животноводстве для улучшения переваривания крахмала, содержащегося в кормах.
Фосфоролитическое расщепление молекул крахмала катализируют ферменты a-глюканфосфорилазы (2.4.1.1). Под действием этих ферментов осуществляется перенос глюкозных остатков от молекул крахмала на фосфорную кислоту, при этом в качестве основного продукта реакции образуется глюкозо-1-фосфат, который далее может быть использован для синтеза УДФ-глюкозы или включаться в анаэробную стадию дыхания. Реакции фосфоролиза крахмала проходят по следующей схеме:
(глюкоза)n + Н3РО4 ¾® глюкозо-1-фосфат + (глюкоза)n-1
крахмал
Особенно высокая активность амилаз и a-глюканфосфорилаз наблюдается при прорастании семян, клубней и луковиц, когда в них происходит интенсивный распад полисахаридов крахмала и увеличивается концентрация декстринов, мальтозы и моносахаридов, используемых для формирования тканей проростков.
В процессе распада крахмал не только может превращаться в мальтозу и глюкозу, но также и в сахарозу. Наиболее активно такие превращения происходят в листьях растений с фотосинтетическим крахмалом. На первом этапе указанных превращений под действием соответствующего трансгликозилирующего фермента остатки глюкозы от крахмала переносятся на УДФ, в результате образуется УДФ-глюкоза:
(глюкоза)n + УДФ ¾® УДФ-глюкоза + (глюкоза)n-1
крахмал декстрин
Затем под действием фермента сахарозо-УДФ-глюкозилтрансферазы остаток глюкозы от УДФ-глюкозы переносится на фруктозу с образованием сахарозы:
УДФ-глюкоза + фруктоза D сахароза + УДФ
Совершенно очевидно, что в результате обращения указанных выше двух реакций возможно также превращение сахарозы в крахмал.
Синтез и распад полифруктозидов. В растениях найдены ферменты, катализирующие превращения сахарозы в полифруктозиды и свободную глюкозу. У некоторых растительных видов (мятликовые, лилейные, астровые, колокольчиковые) образовавшиеся при фотосинтезе углеводы превращаются во фруктозиды, которые затем поступают в созревающие семена или другие запасающие органы. Схематически превращение сахарозы в полифруктозиды можно представить следующим образом:
n сахароза ¾® n глюкоза + [фруктоза]ո
Ферменты, катализирующие указанные превращения содержатся также в клетках бактерий. Донором фруктозных остатков при синтезе полифруктозидов служит УДФ-фруктоза:
При биосинтезе инулина остатки фруктозы присоединяются от УДФ-фруктозы к молекуле сахарозы, включающей остатки глюкозы и фруктозы:
глюкозо-О-фруктоза + УДФ-фруктоза ¾®глюкозо-О-фруктоза-О-фруктоза + УДФ
сахароза
В ходе реакции между остатками фруктозы образуется b(1®2)-связь. В дальнейшем к полученному продукту вновь осуществляется перенос остатка фруктозы от УДФ-фруктозы с образованием новой b(1®2)-связи. Удлинение полифруктозной цепи по указанному механизму будет продолжаться до тех пор, пока полностью не закончится синтез молекулы инулина. Распад молекулы инулина происходит гидролитическим путём под действием фермента инулазы (3.2.1.7) с образованием свободной фруктозы и сахарозы. Другие полифруктозиды гидролизуются соответствую-щими гликозидазами до свободной фруктозы.
Синтез и распад целлюлозы. Молекулы целлюлозы построены из остатков b-D-глюкозы, соединённых b(1®4)-связями. В опытах in vitro с использованием бесклеточных ферментных экстрактов, выделенных из растений, показано, что синтез клетчатки может осуществляться из УДФ-глюкозы или ГДФ-глюкозы (гуанозиндифосфатглюкозы), а также фрагментов целлюлозы (целлодекстринов), выполняющих роль акцепторов остатков b-глюкозы.
Содержащийся в составе этих экстрактов фермент целлюлозосинтетаза (2.7.7.34) катализирует синтез молекул целлюлозы по схеме:
[b-глюкоза]n + ГДФ-b-глюкоза ¾® [b-глюкоза]n+1 + ГДФ
Молекулы фермента образуют полиферментный комплекс, который катализирует одновременный синтез многих молекул целлюлозы, формирующих микрофибриллу. В микрофибриллах полимерные цепи из остатков β-глюкозы соединены водородными связями.
Молекулы целлюлозы расщепляются в основном путём гидролиза под действием фермента целлюлазы (3.2.1.4) с образованием целлобиозы. Особенно высокой целлюлазной активностью отличаются клетки многих почвенных микроорганизмов, а также клетки бактерий пищеварительной системы жвачных животных. Имеются также сведения о том, что и в листьях растений при их старении происходит процесс распада целлюлозы и превращения её в растворимые формы, которые затем подвергаются оттоку в созревающее зерно или клубни.
Продукт гидролиза целлюлозы – целлобиоза подвергается гидролитическому расщеплению с участием фермента b-глюкозидазы (3.2.1.21) до свободной b-глюкозы.
Гемицеллюлозы. В биосинтезе гемицеллюлоз также принимают участие ферменты, катализирующие перенос остатков моносахаридов от их нуклиозиддифосфатпроизводных на соответствующий олигосахарид, служащий первичным акцептором при образовании полисахарида. В качестве донора остатков ксилозы для синтеза ксиланов используется УДФ-ксилоза. Донором остатков арабинозы при образовании молекул арабанов служит УДФ-арабиноза. Для синтеза маннанов активированной формой моносахаридных остатков для включения в состав полисахаридной цепи является ГДФ-манноза (гуанозиндифосфатманноза).
Распад гемицеллюлоз происходит в основном гидролитическим путём под действием ферментов гемицеллюлаз. Такие ферменты найдены в клетках бактерий и плесневых грибов, а также в прорастающих семенах растений. Активирование гемоцеллюлаз наблюдается в листьях растений в процессе их старения, при этом образующиеся в результате гидролиза гемицеллюлоз растворимые формы углеводов поступают в созревающие семена или клубни (у картофеля). Отмечается распад гемицеллюлоз и при созревании плодов у некоторых плодовых культур.
Пектиновые вещества. Пектины синтезируются из УДФ-галактуроновой кислоты, которая образуется при окислении УДФ-глюкозы или УДФ-галактозы, а также в результате активирования свободной галактуроновой кислоты путём фосфорилирования и взаимодействия с УТФ:
галактуроновая кислота + АТФ ¾® 1-фосфогалактуронова кислота + АДФ
1-фосфогалактуроновая кислота + УТФ ¾® УДФ-галактуроновая кислота + Н4Р2О7
В ходе образования пектинов остатки a-D-галактуроновой кислоты под действием специфических трансфераз переносятся от УДФ-галактуроновой кислоты на соответствующий акцептор. Одновременно происходят реакции метилирования карбоксильных групп под действием фермента метилтрансферазы, катализирующего перенос метильных радикалов от S-аденозилметионина на полигалактуроновую кислоту:
+ S-аденозилметионин →
S-аденозил-
гомоцистеин
полигалактуроновая пектин
кислота
При взаимодействии пектина с галактанами и арабанами осуществляется синтез сложноэфирных связей протопектина с участием карбоксильных групп, содержащихся в молекулах пектина. Эти реакции также катализируют специфические трансферазы, осуществляющие синтез протопектина в клеточных стенках растений или в формирующихся плодах.
Распад протопекина происходит гидролитическим путём под действием ферментов протопектиназ, катализирующих гидролиз сложноэфирных связей, соединяющих полимерные цепи пектина с галактанами и арабанами. Процессы гидролиза протопекинов очень активно протекают в растениях при созревании плодов и старении листьев.
Под действием фермента пектазы (3.1.1.11), катализирующего гидролиз сложноэфирных связей метоксильных групп, пектины превращаются в полигалактуроновую (пектиновую) кислоту и метиловый спирт. Полигалактуроновая кислота в отличие от пектина не обладает способностью образовывать желе, но очень легко взаимодействует с катионами металлов, образуя нерастворимые соли. На этом основано химическое определение пектиновых веществ и происходит их защитное действие в пищеварительной системе человека и животных по связыванию и выведению из организма катионов тяжелых металлов.
Пектиновая кислота подвергается гидролизу с участием фермента полигалактуроназы (3.2.1.15), или пектиназы, действующей на О-глико-зидные связи, соединяющие остатки a-D-галактуроновой кислоты. Комплекс ферментов, гидролизующих пектиновые вещества, особенно активен в препаратах, получаемых из плесневых грибов. В связи с этим указанные препараты применяются для осветления плодовых соков и вин, содержащих растворимый пектин, который является причиной их возможной непрозрачности.
Контрольные вопросы
1. Как были открыты световые и темновые реакции фотосинтеза? 2. Какие функции в процессе фотосинтеза выполняют молекулы хлорофилла? 3. Каково участие в фотохимических реакциях каротиноидных пигментов? 4.Как под действием света инициируется перенос электронов и протонов по системе переносчиков, локализованных в тилакоидных мембранах хлоропластов? 5. Каковы механизмы нециклического и циклического транспорта электронов? 6. Какие механизмы реализуются в процессе синтеза восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н и молекул АТФ с участием хлоропластного АТФ-синтетазного комплекса? 7. В какой последовательности происходит синтез гексозы из СО2 и Н2О в ходе реакций цикла Кальвина? 8. При каких условиях усиливаются реакции фотодыхания и как они влияют на эффективность процесса фотосинтеза? 9. Как происходит ассимиляция СО2 у С4-растений? 10. Какова эффективность использования энергии при фотосинтезе? 11. По каким механизмам происходит образование неуглеводных продуктов фотосинтеза? 12. Как зависит от условий окружающей среды выход продуктов фотосинтеза? 13. В чём состоят особенности фотосинтеза у бактерий? 14. Какие биологические реакции происходят при хемосинтезе? 15. Как были открыты реакции биологического окисления, называемого дыханием? 16. В какой последовательности осуществляются реакции гликолиза? 17. Какие химические и биоэнергетические продукты образуются в ходе гликолиза, а также из продуктов гликолиза? 18. По каким механизмам происходит превращение пировиноградной кислоты в продукты реакций цикла Кребса? 19. Какие химические и биоэнергетические продукты образуются в реакциях цикла Кребса? 20. Как происходит окисление восстановленных динуклеотидов, образующихся в цикле Кребса, с помощью ферментных комплексов митохондриальных мембран? 21. Каков механизм окислительного фосфорилирования? 22. С какой эффективностью используется энергия дыхания для синтеза АТФ? 23. Как влияют факторы окружающей среды на интенсивность дыхания растительных клеток? 24. Какие биохимические реакции происходят в пентозофосфатном цикле и какова его биологическая роль? 25. Как моносахариды превращаются в кислоты? 26. Каковы механизмы анаэробного дыхания? 27. Как происходит синтез из моносахаридов спиртов и аскорбиновой кислоты? 28. По какому пути осуществляется обращение реакций гликолиза и какое это имеет значение для организмов? 29. Какие известны взаимные превращения гексоз (глюкозы, фруктозы, маннозы и галактозы)? 30. Каковы механизмы образования в организмах рибозы, ксилозы, арабинозы, эритрозы,глицеринового альдегида и диоксиацетона? 31. Как осуществляются синтез и превращения сахарозы и других олигосахаридов? 32. Какие биохимические реакции лежат в основе синтеза крахмала, полифруктозидов, целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ? 33. С участием каких ферментов происходит распад крахмала и других полисахаридов?
Обмен липидов
Главными запасными формами липидов растений являются жиры, которые интенсивно синтезируются в хлоропластах, семенах и плодах. Особенно много накапливается жиров в семенах масличных растений. Изучение биохимических процессов в созревающих семенах масличных растений показало, что увеличение в них содержания жиров сопровождается понижением концентрации сахаров. При введении в созревающие семена сахаров, меченных радиоактивным изотопом углерода 14С, радиоактивная метка довольно быстро обнаруживалась в составе ацилглицеринов жира. Это послужило доказательством, что синтез жира осуществляется из углеводов. В дальнейшем было выяснено, что непосредственными предшественниками в синтезе ацилглециринов жира являются активированные формы жирных кислот и фосфорилированный глицерин, которые образуются из продуктов углеводного обмена.
Синтез глицеролфосфата. Исходными веществами для синтеза глицеролфосфата служат продукты фотосинтеза и дыхания 3-фосфоглице-риновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Они образуются в цикле Кальвина при фотосинтезе, на стадии гликолиза при дыхании, а также в реакциях пентозофосфатного цикла. Непосредственно глицеролфосфат синтезируется в результате восстановления фосфодиоксиацетона ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой:
|
Синтезированный из углеводных продуктов глицерол-3-фосфат затем используется для синтеза ацилглицеринов жира, фосфолипидов и гликолипидов.