Биохимия растений

водой и паром), вызывающей инактивацию ферментов, или суль˝- фитации (обработка сернистым газом), при которой происход˝ит ингибирование окислительных ферментов, разрушающих аск˝орбиновую кислоту. Почти полное разрушение витамина С проис˝хо-

дит также при естественной сушке сена в полевых условиях.˝ В растительных продуктах аскорбиновая кислота обычно со˝-

держится в трех формах: в виде восстановленной формы (аско˝рбиновая кислота); окисленной формы (дегидроаскорбиновая ки˝сло-

та) и в виде аскорбиногенов, в которых аскорбиновая кислот˝а свя-

зана с другими соединениями и может высвобождаться при ги˝дро-

лизе. В зрелых плодах и овощах преимущественно накапливае˝тся

восстановленная форма аскорбиновой кислоты, а в незрелых˝ и перезрелых продуктах возрастает доля дегидроаскорбиновой˝ кисло-

ты, которая менее устойчива к действию окислителей, поэто˝му ее

больше теряется при хранении и переработке плодоовощной˝ про-

дукции.

Цитрин (витамин Р). Как показали исследования, заболевание цингой полностью не излечивается при введении чистых пре˝пара-

тов аскорбиновой кислоты, необходимы другие вещества, кот˝орые

называют витамином Р. Поскольку вещества, обладающие Р-ви˝та-

минной активностью, впервые были выделены из лимона, они п˝о-

лучили название цитрина. Действие этих веществ на биохими˝ческие процессы в организме тесно связано с аскорбиновой кис˝ло-

той. К комплексу витамина Р относят две группы флавоноидн˝ых

веществ: свободные флавоноидные соединения и их соединен˝ия с

углеводами — флавоноидные гликозиды. Наиболее высокой ˝Р-ви-

таминной активностью обладают катехины, относящиеся к гр˝уппе восстановленных флавоноидных соединений, которые содер˝жатся в растениях в свободном состоянии:

Довольно высокой Р-витаминной активностью обладают такж˝е флавоноидные соединения, содержащиеся в растениях в виде˝ гликозидов — это гесперидин è рутин. Молекулы гесперидина образованы из остатков α-L-рамнозы, β-D-глюкозы и метоксифлавонона — гесперетина, соединенных О-гликозидными связями:

141

Рутин представляет собой α-L-рамнозил-β-D-глюкозилпроиз-

водное флавонола кверцетина:

Вещества, относящиеся к комплексу витамина Р, принимают

участие в окислительно-восстановительных реакциях. Благ˝одаря их легкой окисляемости они предохраняют от окисления дру˝гие

соединения, в частности вещества, регулирующие деятельно˝сть кровеносных сосудов. Вследствие недостатка витамина Р по˝нижается упругость кровеносных сосудов и проницаемость капи˝лляров, что служит причиной точечных кровоизлияний. Суточная˝ потребность человека в витамине Р составляет 25—50 мг.

Много этого витамина содержится в растительных продукта˝х, богатых аскорбиновой кислотой: черной смородине, сладком˝ перце, плодах цитрусовых. Однако известны растительные проду˝кты с низким содержанием аскорбиновой кислоты, но богатые цит˝рином: чайный лист, некоторые сорта яблок, зерно гречихи. При хранении и переработке плодоовощной продукции потери ве˝- ществ, обладающих Р-витаминной активностью, существенно

ниже, чем аскорбиновой кислоты.

Свободные флавоноидные соединения — катехины — содер˝-

жатся во многих плодах и ягодах: яблоках, груше, айве, перси˝ках, абрикосах, вишне, землянике, смородине, малине, бруснике и д˝р.

142

Особенно много катехинов накапливается в молодых побега˝х чайного растения (до 30 % сухой массы), которое широко использую˝т в производстве чая.

Очень много гесперидина содержится в плодах цитрусовых ˝—

лимоне, апельсине, мандарине, причем наиболее богата гесп˝еридином кожура цитрусовых плодов. Рутин в большом количеств˝е

обнаружен в коре дуба, чайном листе, листьях яблони, листья˝х и плодах гречихи, хмеле, ягодах винограда. По витаминной акт˝ив-

ности гесперидин и рутин уступают катехинам. Содержание в˝ита-

мина Р в некоторых плодах и овощах варьирует в следующих пре-

делах, мг%:

Яблоки	20—45	Капуста и корне-	30—50
Баклажаны, красный	50—250	плоды
перец, листовые		Вишня	100—250
овощи		Клюква	200—300
Черная смородина	äî 1000

Пангамовая кислота (витамин В15). По химической структуре

представляет собой сложный эфир, образованный с участием˝ гидроксила шестого углеродного атома D-глюконовой кислоты и

N-диметилглицина:

Этот витамин синтезируется в клетках растений и микроорг˝а- низмов. Он стимулирует окислительные превращения в орган˝из-

мах и реакции метилирования. Как донор метильных групп ви˝та-

ìèí Â15 участвует в синтезе метионина, холина, стероидных гормонов. Обнаружено эффективное действие пангамовой кисло˝ты

на болезни печени, а также сердечно-сосудистые и ревматич˝еские

заболевания. Большое количество пангамовой кислоты соде˝ржится в листьях и семенах растений, в дрожжах и продуктах живо˝тно-

го происхождения. Человеку рекомендуется потреблять еже˝суточ-

но не менее 1—2 мг витамина В15.

143

Миоинозит (мезоинозит). Один из стереоизомеров циклическо-

го спирта инозита, обладающий витаминной активностью. Стр˝оение миоинозита может быть представлено следующей формул˝ой:

Миоинозит входит в состав липидов — фосфатидилинозитов˝,

участвует в биохимических процессах, проходящих в нервны˝х тка-

нях, возможный предшественник уроновых кислот, входящих в˝

состав клеточных стенок растений. При недостатке миоиноз˝ита

происходит замедление роста животных, выпадение волос. Су˝точ- ная потребность человека в миоинозите 1—1,5 г.

В растениях миоинозит накапливается главным образом в ви˝де

кальциево-магниевой соли инозитфосфорной кислоты — фитина.

Особенно много фитина содержится в семенах таких растени˝й, как

лен, соя, конопля, подсолнечник, хлопчатник — 1—3 %, семена злаковых — до 1 %. В незрелых семенах обнаруживается знач˝итель-

ное количество свободного миоинозита. Фитин используетс˝я расте-

ниями как запасное фосфорсодержащее вещество, которое сл˝ужит

источником фосфора в процессе прорастания семян и развит˝ия

проростков. Большое количество фитина содержится в отруб˝ях и жмыхах, из которых получают чистые препараты этого витами˝на.

S-Метилметионин (витамин U). По химическому строению этот витамин представляет собой метилсульфоновое производно˝е аминокислоты метионина:

Чистые препараты витамина U получают в виде солянокислой

соли S-метилметионинсульфонилхлорида. S-Метилметионин иг-˝ рает важную роль в активизации биохимических процессов в˝ сли-

зистой оболочке желудка и кишечника организма человека и˝ ока-

144

зывает положительное действие при лечении язвенных боле˝зней желудка и двенадцатиперстной кишки. В биохимических проц˝ессах этот витамин может участвовать как активный донор мет˝ильных групп. При лечении язвенных заболеваний суточная доза˝ ви-

тамина составляет не менее 250 мг.

Витамин U синтезируется в растениях, особенно много его со˝-

держится в овощах, мг% в расчете на сухую массу.

Томаты	20—45	Спаржа	100—150
Капуста белокочанная	äî 85	Сельдерей	15—25

6.3.АНТИВИТАМИНЫ

Âходе изучения строения, свойств и биологической функции˝

витаминов были обнаружены вещества, присутствие которых˝ в организме вызывает авитаминоз по определенным витамина˝м,

хотя данные витамины поступают в организм. Такие вещества˝

были названы антивитаминами.

Впервые механизм действия антивитаминов был выяснен в

1940 г. Д. Вудсом, который показал, что сульфаниламид (стрепто˝- цид) является метаболическим конкурентом витамина ï-амино-

бензойной кислоты, участвующей в синтезе дигидроптероев˝ой

кислоты — предшественника другого витамина — фолиево˝й кис-

лоты. По химическому строению сульфаниламид и ï-аминобен-

зойная кислота представляют собой структурные аналоги:

Сульфаниламид способен вместо ï-аминобензойной кислоты

вступать во взаимодействие с ферментом, катализирующим о˝бра-

зование дигидроптероевой кислоты, при этом фермент стано˝вится неактивным, из-за чего прекращается синтез дигидроптерое˝вой кислоты и, как следствие, ингибируется синтез фолиевой ки˝слоты, что и может быть причиной авитаминоза. Однако если в кле˝т- ках организма повысить концентрацию ï-аминобензойной кислоты, то действие сульфаниламида ослабляется. На основе сул˝ьфа-

ниламида и его структурных аналогов были разработаны мед˝и-

цинские препараты, подавляющие рост микроорганизмов пут˝ем

создания у них авитаминоза по фолиевой кислоте.

145

В дальнейшем были изучены структурные аналоги других витаминов, обладающие антивитаминной активностью. Все они спо˝- собны замещать в активном центре фермента биологически а˝ктивную витаминную группировку на химически измененную груп˝-

пировку структурного аналога, переводя фермент в неактивное состояние. Однако действие антивитаминов, представляющи˝х

структурные аналоги витаминов, обратимо и они могут вытес˝- няться из активного центра фермента при повышенной конце˝нт-

рации соответствующих витаминов.

Довольно хорошо изучено биологическое действие химичес˝ких

аналогов тиамина. Замещение в пиримидиновом кольце тиами˝на

метильной группы на этильную, пропильную и изопропильную˝ приводит к существенному снижению витаминной активност˝и

структурных аналогов тиамина, а при введении в пиримидино˝вое

кольцо бутилового радикала образуется соединение, облад˝ающее

антивитаминной активностью. В результате замещения в пир˝ими-

диновом кольце аминогруппы на гидроксильную образуется˝ окситиамин, обладающий очень сильным антивитаминным действи˝ем.

При модификации тиазолового кольца в молекуле тиамина та˝кже

образуется конкурентный аналог этого витамина — пирити˝амин,

обладающий сильным токсическим действием.

146

Известны также синтетические производные пиридоксина, к˝о- торые ингибируют ферментные системы, имеющие в активном центре коферментные формы этого витамина. Особенно сильн˝ым антивитаминным действием обладают 4-дезоксипиридоксин и˝

токсопиримидин, представляющий собой оксипроизводное п˝иримидиновой группировки молекулы тиамина. В процессе изуче˝ния

структурных аналогов выявлены антивитаминные формы для˝ многих других витаминов: пантотеновой кислоты, никотинов˝ой

кислоты, рибофлавина, биотина, фолиевой кислоты, филлохин˝о-

на, токоферола, аскорбиновой кислоты.

Как установлено в результате исследований, к антивитамин˝ам

относятся химические вещества, способные образовывать с˝ витаминами неактивные соединения, а также белковые молекулы,

специфически связывающие витамины. Так, например, изонико˝-

тинилгидразид является антивитамином пиридоксина, так к˝ак об-

разует с пиридоксалем неактивное соединение (по-видимому˝,

гидразон), которое не может превращаться в пиридоксальфо˝сфат, вследствие чего в присутствии изоникотинилгидразида на˝блюда-

ются симптомы недостаточности витамина В6.

В сыром яичном белке содержится антивитамин биотина —

авидин, представляющий собой гликопротеид с молекулярн˝ой

массой около 68 000. Молекула авидина включает четыре полипептидные субъединицы, в каждой из которых имеется биотин˝-

связывающий участок, проявляющий сильное химическое сро˝д-

ство к биотину. При скармливании опытным животным сырого

яичного белка довольно быстро наблюдается сильно выраже˝нный

авитаминоз по биотину. Антивитаминное действие авидина и˝с- следователи очень часто используют в качестве теста для о˝бнаружения и изучения биотинсодержащих ферментов.

Вещества, обладающие антивитаминным действием, в значи-

тельных количествах содержатся в растительных продукта˝х. В

проросших семенах гороха обнаружены антивитамины биоти˝на и пантотеновой кислоты, в зерне кукурузы — антагонист ник˝отиновой кислоты, в семенах льна — антивитамин пиридоксина˝, в

испорченном сладком клевере — антагонисты витамина К. Н˝еко-

торые растительные белки подобно авидину способны специ˝фи-

чески связывать определенные витамины и таким образом де˝й-

ствовать как антивитамины, в связи с чем не все растительн˝ые продукты можно употреблять в пищу в сыром виде. После прова-

147

ривания растительной пищи белки, обладающие антивитамин˝- ным действием, теряют способность к связыванию витаминов˝, так как в процессе варки пищи они подвергаются тепловой д˝енатурации.

Контрольные вопросы. 1. Как были открыты вещества, обладающие витаминной активностью? 2. Какие вещества относят к витаминам и как˝ они влияют на жизнедеятельность организмов? 3. Какие имеются сведения о˝ классификации витаминов и потребности в них разных организмов? 4. В чем сост˝оят химические и биологические особенности важнейших витаминов (ретинол˝а, кальциферола, токоферола, филлохинона, тиамина, рибофлавина, пиридоксина,˝ пантотеновой, никотиновой, аскорбиновой и фолиевой кислот, кобаламина, ˝биотина, цитрина, миоинозита, S-метилметионина)? 5. Каково содержание важнейш˝их витаминов в зерне злаковых и бобовых зерновых культур, семенах маслич˝ных растений, клубнях картофеля, корнеплодах, кормовых травах, овощах, плода˝х? 6. Как изменяется содержание витаминов в процессе роста и развития расте˝ний и при формировании их продуктивных органов? 7. Как влияют на накопление в˝итаминов при- родно-климатические факторы, погодные условия и уровень о˝беспеченности растений элементами питания? 8. Какие возможны потери витаминов при нарушении технологических режимов сушки, хранения и перерабо˝тки растительных продуктов? 9. В чем состоят особенности действия антивитам˝инов? 10. Какие имеются сведения о наличии антивитаминов в растительных˝ продуктах?

148

7. БИОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА

∙

В клетках живого организма одновременно происходят тыся˝чи

биохимических реакций, которые сопровождаются выделени˝ем или поглощением энергии, а также превращением одних ее фо˝рм

в другие. Так, например, в листьях растений в ходе фотосинтеза

осуществляется поглощение электромагнитной энергии сол˝неч-

ного света и превращения ее в электрическую энергию заряж˝ен-

ных частиц, которая затем в хлоропластах трансформируется в энергию трансмембранного электрохимического потенциал˝а,

инициирующего синтез молекул АТФ, с участием которого про˝хо-

дит синтез жизненно важных органических веществ. Таким об˝ра-

зом энергия солнечного света переходит в энергию химичес˝ких

связей органических веществ, синтезируемых в растительн˝ом организме. Часть поглощенной листьями световой энергии п˝ре-

вращается в тепло и энергию излучения в виде флуоресценци˝и и

фосфоресценции.

У всех живых организмов в процессе биохимических реакций˝ дыхания происходит превращение химической энергии угле˝водов, жиров, азотистых веществ в тепловую энергию, а также энергию мембранных потенциалов внутриклеточных структур и хими˝чес-

кую энергию АТФ, восстановленных динуклеотидов, которые за-

тем становятся источниками энергии для синтеза новых орг˝анических веществ, необходимых для поддержания жизненных функций организма. Совокупность всех биоэнергетических превращ˝ений в организме, обеспечивающих его нормальную жизнедеятельн˝ость в

изменяющихся условиях окружающей среды, изучает раздел б˝ио-

химии, называемый биохимической энергетикой.

Поскольку основу жизненных явлений, происходящих в организме, составляют химические и физические процессы, для и˝зу- чения биоэнергетических превращений применяют законы х˝ими- ческой термодинамики. Поэтому для оценки энергетических˝ па-

раметров биохимических реакций используют термодинамич˝ес-

кие функции — внутреннюю энергию системы (U), энтальпию

(Í), энтропию (S), свободную энергию Гиббса (G) è äð. Ïðè ýòîì

149

в ходе биохимических превращений определяют не абсолютн˝ые их значения, а изменения термодинамических функций — U, H, S, G. Очень часто такие изменения оценивают при стандартных условиях и тогда их обозначают специальным символом — U°,

H°, S°, G°.

За стандартные условия в биохимической энергетике прини˝ма-

ют давление 101,3 кПа, температуру 25 °С (298,16 К), концентрацию веществ 1 моль/л, рН физиологической среды 7. Кроме того,

следует учитывать, что биохимические реакции, катализиру˝емые

ферментами, протекают очень быстро и они осуществляются п˝ри

атмосферном давлении и температуре, которые изменяются о˝чень

медленно. Поэтому можно считать, что биоэнергетические пр˝е- вращения в ходе биохимических реакций происходят при пос˝то-

янной температуре и постоянном давлении.

В результате определения изменений термодинамических функ-

ций можно выяснить, происходит ли в ходе биохимического п˝ро-

цесса выделение или поглощение энергии, установить возмо˝ж- ность трансформации различных видов энергии и решить воп˝рос

о количестве выделяемой или поглощаемой энергии. На основ˝е

полученных таким образом данных можно оценить вероятнос˝ть

самопроизвольного осуществления биохимических реакций˝, а

также выявить возможные источники энергии для осуществл˝ения биосинтетических процессов.

7.1. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Живые организмы, их клетки и многие компоненты внутриклеточных структур представляют собой открытые термоди˝нами-

ческие системы, которые обмениваются и веществом, и энерг˝ией

с окружающей средой. При этом такой обмен является необхо˝димым условием поддержания их жизнедеятельности. Если обме˝н организма веществом и энергией с окружающей средой прекр˝а- щается, то организм погибает. Так, например, растения не мог˝ут

произрастать без света, кислорода, углекислого газа, пост˝упления

воды и питательных веществ. Человек и животные не могут жи˝ть без пищи, воды и кислорода.

Простейшая биохимическая система включает реагирующие вещества, продукты реакции, а также фермент, катализирующ˝ий данную биохимическую реакцию. Реагирующие вещества пост˝у-

пают в биохимическую систему из окружающей физиологичес˝кой

среды, а продукты реакции выходят из системы в окружающую˝

среду. В зависимости от характера биохимического превращ˝ения в

ходе реакции может происходить выделение в том или ином в˝иде

150