Биохимия растений

ком, инициируя или замедляя процесс транскрипции соответ˝- ствующего гена. В опытах по изучению действия фиторегулят˝о- ров выяснено, что ауксины, цитокинины и гиббереллины усил˝и- вают синтез многих белков и всех форм РНК в цитоплазме, тог˝да

как абсцизовая кислота оказывает на указанные процессы п˝ротивоположное действие. В других экспериментах также показа˝но,

что ауксины могут активировать в цитоплазме синтез кислы˝х гидролаз, цитокинины — фермента нитратредуктазы, гиббе˝рел-

лины — образование в прорастающих зерновках злаков α-àìè-

лаз, катализирующих гидролитическое расщепление молеку˝л

крахмала.

Регуляция светом. В растениях как фототрофных организмах многие биохимические процессы регулируются светом, кото˝рый

воспринимают в качестве регуляторного сигнала рецептор˝ные

белки — фитохром è флавопротеиды, способные при поглощении

света определенной длины волны переходить в активную кон˝фор-

мацию и вызывать активацию или даже синтез ферментов. Фитохром представляет собой белок с молекулярной массой˝

~120 тыс., состоящий из двух полипептидных субъединиц и вклю˝-

чающий светочувствительную группировку — хромофор, который

образуется из четырех линейно соединенных пиррольных гр˝уппи-

ровок с определенным набором боковых радикалов:

При поглощении красного света (660 нм) в структуре одной из

пиррольных группировок происходит изомеризация двойных˝ свя-

зей, вызывающая конформационную перестройку молекулы бе˝лка:

231

Активированный светом белок связывается с клеточной мем˝б- раной и вызывает регуляторное действие примерно по таком˝у же механизму, как и гормоны. Если же активная форма фитохрома˝ поглощает свет с длиной волны 730 нм, то инициируется фотоиз˝о-

меризация хромофора в обратном направлении, вследствие ч˝его фитохром превращается в неактивную форму. В ряде опытов у˝ста-

новлено, что фитохром регулирует активность ферментов, ка˝тализирующих реакции фотосинтеза (фруктозо-1,6-дифосфатаза, гли˝-

церальдегидфосфатдегидрогеназа), проницаемость клеточ˝ных

мембран в листьях, синтез гормонов.

Другая группа фотосенсорных белков представлена флавоп˝ро-

теидами. У них хромофором служит флавиновая группировка, способная подвергаться фотохимическому превращению под˝ воз-

действием синего света.

8.8.КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ И ИХ УЧАСТИЕ

ÂМЕТАБОЛИЗМЕ РАСТЕНИЙ

Âсоответствии с принятой номенклатурой классификация

ферментов проводится в зависимости от типа катализируем˝ых

ими реакций, кроме того, учитывается природа субстратов, а˝кцеп-

торов и расщепляемых связей, а также особенности строения˝ от-

щепляемых, присоединяемых или переносимых групп. По типу катализируемых реакций все ферменты подразделяют на шес˝ть

классов:

1) î ê ñ è ä î ð å ä ó ê ò à ç û — окислительно-восстановительные

ферменты;

2) ò ð à í ñ ô å ð à ç û — катализируют реакции переноса атом-

ных группировок от молекулы донора к молекуле акцептора; 3) ã è ä ð î ë à ç û — катализируют гидролитическое расщепле-

ние веществ с участием молекул воды;

4) ë è à ç û — катализируют отщепление групп от органических субстратов с образованием двойных связей или присоедине˝ние определенных группировок за счет разрыва двойных связей˝;

5) è ç î ì å ð à ç û — ферменты изомеризации;

6) ë è ã à ç û (синтетазы) — катализируют реакции синтеза ве-

ществ, которые сопряжены с гидролизом АТФ или превращения˝- ми других макроэргических соединений.

Âкаждом из шести классов ферментов проводится их разделе˝- ние на ï î ä ê ë à ñ ñ û, а в подклассе выделяют группы ферментов, называемые ï î ä ï î ä ê ë à ñ ñ à ì è. В каждом подподклассе

отдельные ферменты записываются в определенной нумерац˝ии.

Согласно такой группировке каждый фермент имеет классиф˝ика-

ционный номер, который записывается в виде четырех чисел,˝ раз-

деленных точками. Первое число (записанное слева) указыва˝ет

232

принадлежность фермента к одному из шести классов, следую˝щее за ним число обозначает подкласс, третье число — подподк˝ласс, а четвертое — порядковый номер фермента в конкретном под˝подклассе. Так, например, фермент малатдегидрогеназа, катали˝зиру-

ющий превращение яблочной кислоты в щавелевоуксусную, им˝е- ет классификационный номер 1.1.1.37, который показывает, что

этот фермент относится к первому подклассу оксидоредукт˝аз, катализирующих окисление спиртовых групп, на что указывают˝

первые два числа (1.1). Третье число (1) выражает принадлежнос˝ть

данного фермента к первому подподклассу, который объедин˝яет

группу каталитически активных белков, имеющих в качестве˝ ко-

фермента НАД. Четвертое число (37) определяет порядковый но˝- мер фермента в указанном подподклассе.

8.8.1. ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ

Ферменты, относящиеся к классу оксидоредуктаз, катализир˝у- ют реакции окисления и восстановления, происходящие в про˝-

цессе жизнедеятельности организмов. В зависимости от при˝роды

окисляемой группы в молекуле субстрата они подразделяют˝ся на

подклассы, а по типу акцептора электронов проводится разд˝еле-

ние подклассов на подподклассы.

Многие реакции биологического окисления происходят пут˝ем

отщепления от субстратов водорода, который присоединяет˝ся к

активному центру фермента и далее с участием фермента пер˝еда-

ется на акцептор. Ферменты, катализирующие такие реакции,˝ по-

лучили название дегидрогеназ. В ходе реакции субстрат, от которого отщепляется водород, окисляется, а акцептор, присоедин˝яю-

щий водород, восстанавливается. Фермент дегидрогеназа в п˝ро-

цессе каталитического действия, присоединяя водород, пер˝еходит

из окисленной формы в восстановленную, а затем, передавая˝ водород акцептору, снова превращается в окисленную форму и может катализировать окисление новой молекулы субстрата.

Âсамом общем виде действие дегидрогеназ можно представи˝ть

âвиде следующей схемы:

Субстрат—Н2 + Фермент → Окисленный субстрат + Фермент—Н2 Фермент—Н2 + Акцептор → Фермент + Акцептор—Н2

Если в ферментативных реакциях акцептором водорода служ˝ит кислород, то катализирующие их оксидоредуктазы называют˝

аэробными дегидрогеназами èëè оксидазами. Однако чаще всего де-

гидрогеназы передают отщепляемый от субстратов водород˝ дру-

гим акцепторам, в связи с чем такие ферменты называют анаэробными дегидрогеназами.

233

Анаэробные дегидрогеназы. Представлены большой группой ферментных белков, у которых в качестве коферментов служа˝т

НАД, НАДФ, ФАД, ФМН. Специфичность действия этих фер-

ментов зависит как от типа кофермента, так и от структуры ф˝ерментного белка. Чаще всего анаэробные дегидрогеназы обра˝зуют олигомерные структуры, включающие 2, 4, 6, а иногда и более по-

липептидных субъединиц.

НАД-зависимые дегидрогеназы катализируют окисление мно˝- гих субстратов в ходе реакций дыхания и распада различных˝ орга-

нических веществ: яблочной, изолимонной, глутаминовой кис˝лот,

глицерол-3-фосфата, глицеринового альдегида, оксипроизвод˝ных жирных кислот и др. Образующиеся в этих реакциях восстано˝в-

ленные формы дегидрогеназ чаще всего передают водород фл˝ави-

новым ферментам, имеющим коферменты в виде ФАД и ФМН, или участвуют в реакциях восстановления, в ходе которых п˝роис-

ходит синтез аминокислот из кетокислот, образование глиц˝ерол-

3-фосфата из фосфодиоксиацетона, превращение 3-фосфоглице˝- риновой кислоты в 3-фосфоглицериновый альдегид.

Рассмотрим примеры некоторых реакций, катализируемых

НАД-специфичными дегидрогеназами.

Малатдегидрогеназа (1.1.1.37) катализирует окислительное пре-

вращение яблочной кислоты в щавелевоуксусную в цикле ди- и

трикарбоновых кислот:

Глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (1.1.1.8) катализирует реакции обратимого превращения фосфодиоксиацетона и глицерол-3-ф˝ос- фата в процессе синтеза и распада жиров:

234

3-Оксоацил-КоА-дегидрогеназа (1.1.1.35) катализирует окислительное превращение 3-оксиацилпроизводных жирных кислот˝ в кетопроизводные:

2	¾¾®	2
RCHOHCH CO :S-ÊîÀ +ÍÀÄ+		RCOCH CO: S-ÊîÀ +
3-Оксиацил-КоА		3-Оксоацил-КоА

+ ÍÀÄ·Í+Í+

НАДФ-зависимые дегидрогеназы катализируют многие восст˝а-

новительные реакции, происходящие в процессе фотосинтез˝а и

биосинтеза жирных кислот, а также окислительные превраще˝ния в ходе реакций пентозофосфатного цикла и окисления янтар˝ной

кислоты. Очень часто НАДФ-зависимые дегидрогеназы, катали˝-

зирующие восстановительные реакции, называют редуктазами.

Еноил-АПБ*-редуктаза (1.3.1.10) катализирует в ходе синтеза

жирных кислот восстановление ненасыщенных производных жирных кислот, связанных с АПБ:

R—CH=CH—CO :S-ÀÏÁ+ÍÀÄÔ·Í +Í ¾¾®

α,β-Ненасыщенное производное

¾¾® R—CH2—CH2—CO :S-ÀÏÁ+ÍÀÄÔ+

Насыщенное производное

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (1.1.1.49) катализирует окисле-

ние глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном цикле:

По такому же механизму происходят и другие реакции, катал˝и-

зируемые НАДФ-зависимыми дегидрогеназами. ФАД-зависимые˝

дегидрогеназы катализируют отщепление водорода от карб˝ониль-

* Ацилпереносящий белок.

235

ных соединений и карбоновых кислот с образованием a,b-нена- сыщенных карбонильных соединений. Они участвуют также в р˝е- акциях превращения восстановленной формы липоевой кисл˝оты в окисленную, восстановления окисленных тиоловых соедине˝ний.

Сукцинатдегидрогеназа (1.3.99.1) катализирует в цикле ди- и трикарбоновых кислот окисление янтарной кислоты:

Ацил-КоА-дегидрогеназа (1.3.99.3) катализирует образование a,b-ненасыщенных производных в процессе b-окисления жирных

кислот:

R—CH2 —CH2 —CO :S-ÊîÀ + ÔÀÄ ¾¾®

Àöèë-ÊîÀ

¾¾® R—CH=CH—CO :S-ÊîÀ + ÔÀÄ ·Í2

α,β-Ненасыщенное производное

Глютатионредуктаза (1.6.4.2) катализирует восстановление окисленного глютатиона с участием НАДФ · Н:

G—S—S—G+ ÍÀÄÔ ·Í + Í+ ¾¾® 2G—SH + ÍÀÄÔ+

	Окисленный	Восстановленный
	глютатион
		глютатион

Флавиновые дегидрогеназы, имеющие коферменты в виде ФАД и ФМН, способны окислять восстановленные формы НАД-

и НАДФ-зависимых дегидрогеназ, а также свободные восстановленные динуклеотиды НАД · Н и НАДФ · Н:

ÍÀÄ · Í + Í+ + ÔÌÍ ® ÍÀÄ+ + ÔÌÍ · Í2

ÍÀÄÔ · Í + Í+ + ÔÀÄ ® ÍÀÄÔ+ + ÔÀÄ · Í2

Восстановленные формы флавиновых дегидрогеназ могут пе˝редавать водород на хиноны и цитохромы. Так, в процессе окисл˝и- тельного фосфорилирования в митохондриях акцептором во˝дорода для восстановленных флавиновых дегидрогеназ служит у˝бихи-

нон, который называют коферментом Q:

236

В составе убихинона изопреновая группировка, заключенна˝я в

скобки, может повторяться в линейной структуре этого ради˝кала

6—10 ðàç.

При взаимодействии восстановленного флавинового фермен˝та с цитохромами осуществляется перенос электронов, а водор˝одные

атомы превращаются в ионы водорода:

ÔÀÄ ·Í2 + 2 öèò(Fe3+ ) ¾¾® ÔÀÄ + 2 öèò(Fe2+ )+ 2H+

Окисленный	Восстановленный
цитохром	цитохром

Аэробные дегидрогеназы (оксидазы). В процессе каталитическо-

го действия эти ферменты отщепляют водород от субстратов˝ и передают его на кислород с образованием молекул воды или пе˝рок-

сида водорода.

Аскорбатоксидаза (1.10.3.3) относится к группе ферментов,

способных переносить водород на кислород с образованием˝ воды.

В каталитическом центре этого фермента содержатся атомы˝ меди, которые участвуют в передаче электронов кислороду. В резу˝льтате

окисления в растительных тканях аскорбиновая кислота по˝д дей-

ствием аскорбатоксидазы превращается в дегидроаскорбин˝овую

кислоту:

Такие превращения особенно активно проходят в перезревш˝их

плодах и овощах, а также при нарушении режимов хранения ра˝с-

тительной продукции.

237

Полифенолоксидаза (1.10.3.1) è тирозиназа (1.14.18.1) также относятся к медьсодержащим оксидазам. Полифенолоксидаза к˝атализирует окисление фенольных соединений и дубильных вещ˝еств в тканях растений с образованием хинонов и воды:

Тирозиназа участвует в окислении аминокислоты тирозина˝ с

образованием темноокрашенных продуктов — меланинов (с˝м.

с. 555—556). При высокой активности полифенолоксидазы и тирозиназы происходит потемнение на воздухе разрезанных п˝лодов,

овощей и других растительных продуктов.

Гликолатоксидаза (1.1.3.1) принадлежит к ферментам, катали-

зирующим перенос водорода на кислород с образованием пер˝ок-

сида водорода. Под действием гликолатоксидазы происходи˝т окисление гликолевой кислоты в глиоксиловую в процессе ф˝ото-

дыхания у растений:

Коферментом в составе каталитического центра этого ферм˝ен-

та служит флавинмононуклеотид (ФМН).

Альдегидоксидаза (1.2.3.1) осуществляет окисление в живых клетках альдегидов в кислоты с участием молекул воды и ки˝слорода:

Роль кофермента также выполняет флавиновая группировка˝, но уже в виде ФАД.

Известны и другие оксидазы, катализирующие биохимически˝е

превращения в ходе окисления углеводов, нуклеотидов, амин˝о-

кислот и т. д. К ним можно отнести ксантиноксидазу, уратокс˝ида-

зу, глюкозооксидазу, оксидазы аминокислот, аминооксидазы˝ и др.

238

Оксигеназы. Известно довольно много биохимических реакций окисления, в ходе которых инициируется присоединение к су˝б- страту одного или двух атомов кислорода. Такие ферменты п˝ринято называть оксигеназами. Они играют важную роль в липидном

обмене растений и превращениях фенольных соединений. Липоксигеназа (липоксидаза) (1.13.11.12) — растительный фер-

мент, катализирующий окисление кислородом полиненасыще˝н- ных жирных кислот (линолевой, линоленовой), находящихся ка˝к

в несвязанном состоянии, так и в составе липидов. В ходе оки˝сле-

ния происходит образование гидропероксида и смещение дв˝ой-

ной связи, которое сопровождается ее переходом из öèñ- â транс-

конфигурацию:

Наиболее хорошо изучена оксигеназа сои, представляющая с˝о-

бой глобулин с молекулярной массой ~100 000. Она содержит в

каталитическом центре атомы железа. Образующиеся под дей˝- ствием липоксигеназы гидропероксиды обладают высокой о˝кис-

лительной способностью и подвергают дальнейшему окисле˝нию

другие молекулы ненасыщенных жирных кислот, а также разли˝ч-

ные соединения: аскорбиновую кислоту, аминокислоты, карот˝ин и другие пигменты. Поскольку в результате окисления гидро˝пероксидами пигментов происходит исчезновение окраски, пр˝едполагается, что действие липоксигеназы можно использовать˝ для от-

беливания теста и осветления мякиша хлеба. Повышенная акт˝ив-

ность липоксигеназы в растительных продуктах может вызы˝вать разрушение каротина при их сушке и хранении, а также иници˝и- ровать процесс прогоркания муки и крупы.

Примерно по такому же механизму, как действует липоксиге-˝

наза на ненасыщенные жирные кислоты, в организме животных˝ с участием специфической оксигеназы осуществляется превр˝аще-

ние каротина в витамин А.

Образование ненасыщенных жирных кислот также катализир˝у-

ют специфические оксигеназы с участием в качестве кофакт˝оров

восстановленных динуклеотидов НАДФ · Н. Предшественник˝ами

239

для синтеза ненасыщенных жирных кислот служат насыщенны˝е кислоты, связанные с коферментом А. В ходе этих реакций вна˝ча- ле происходит присоединение кислорода к субстрату, а зате˝м образование двойной связи:

R —CH —CH —R —CO :S-ÊîÀ +ÍÀÄÔ·Í +Í +Î ¾¾®

1 2 2 2 2 Насыщенная жирная кислота

¾¾® R1—CH=CH—R2—CO :S-ÊîÀ +ÍÀÄÔ+ +2Í2 Î

Ненасыщенная жирная кислота

Оксигеназы, катализирующие окисление кислородом стерои˝д-

ных соединений, содержат в активном центре группировку в ˝виде

гема, в связи с чем они получили наименование цитохрома Ð-450. Источником электронов для этого фермента служат восстан˝овлен-

ные нуклеотиды НАД · Н или НАДФ · Н. Под действием цитохр˝о-

ìà Ð-450 один из атомов молекулы кислорода присоединяется к

атому углерода в стероидной структуре, образуя гидроксил˝ьную

группу, а второй атом кислорода соединяется с водородом восстановленного динуклеотида и дает молекулу воды:

Многие оксигеназы из группы цитохрома Ð-450 связаны с мембранами эндоплазматического ретикулума, и для их функцио˝ни-

рования необходимы промежуточные переносчики, способны˝е

передавать электроны от НАДФ · Н на цитохром. Очень часто такими переносчиками электронов служат флавиновые фермен˝ты и ферредоксин.

Катализаторы пероксидного окисления. При окислении в орга-

низмах кислородом органических субстратов во многих слу˝чаях в

качестве одного из продуктов выделяются пероксид водоро˝да (Н2Î2) или органические пероксиды, которые могут окислять различные соединения. Одним из хорошо известных ферментов, с˝пособных катализировать реакции пероксидного окисления х˝ими-

ческих веществ в живых клетках, является пероксидаза (1.11.1.7), которая образует с пероксидом водорода комплексное соед˝ине-

ние, в результате чего пероксид переходит в активированно˝е состояние, превращаясь в акцептор водорода.

Растительные пероксидазы — двухкомпонентные ферменты˝,

локализованные главным образом в пероксисомах. В состав к˝ата-

240